CC BY
16
Лопа Игорь Васильевич, д-р техн. наук, профессор, pmdm@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Нгуен Чыонг Занг, аспирант, prndmatsn. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CONNECTION WITH TIGHTNESS OF THE CONICAL PARTS I. V. Lopa, G. T. Nguyen
The connection with the guaranteed tension of various parts having the shape of a truncated cone is considered. The distribution of contact pressure along the length of the joint is determined. It is shown that the greatest unevenness of the pressure distribution occurs when connected to the tension of conical parts on the conical shaft. The stress-strain state of the material covering the part is investigated. It is established that the covering part in all cases has the same strength.
Key words: guaranteed tightness, conical parts, pressure distribution, strength assessment.
Lopa Igor Vasilyevich, doctor of engineering science, professor prndm a tsn. tula. ru, Russia, Tula, Tula state University,
Nguyen Truong Giang, postgraduate, prndm a tsn. tula.ru, Russia, Tula, Tula state University
УДК 629.4.02+06
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РЫЧАЖНОЙ ПЕРЕДАЧИ ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМЫ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ ПРИ ТОРМОЖЕНИИ
И. А. Яицков, В.В. Косаревский
Приведены результаты компьютерного моделирования динамических процессов рычажной передачи тормозной системы, протекающих при торможении на ровном участке пути (на примере пассажирского вагона). При помощи пакета «УМ-Локо» создана имитационная модель рычажной передачи тормозной системы пассажирского вагона с тележками КВЗ-ЦНИИ типа II, оснащенного колодочными тормозами. В состав модели включен разработанный контакт «тормозная колодка рычажной передачи - рабочая поверхность колеса». Получены закономерности изменения продольного ускорения тормозной колодки рычажной передачи и ее углового ускорения в процессе торможения, построены их спектры.
Ключевые слова: рычажная передача, тормозная система, вагон, динамика, моделирование.
Проблема обеспечения эффективной и надежной работы тормозных систем пассажирских вагонов становится еще более актуальной при внедрении на железных дорогах России скоростного движения. Основной
457
частью современных тормозных систем является рычажная передача тормозной системы пассажирского вагона, эффективность и надежность работы которой непосредственно зависит от качества проектирования, эксплуатации, обслуживания и ремонта тормозного оборудования. Механическая часть тормозной системы объединяет рычажную тормозную передачу, автоматический регулятор рычажной передачи и фрикционные элементы тормоза (тормозные колодки и накладки). Одним из основных требований к рычажной передаче тормозной системы является обеспечение равномерного распределения усилий по всем тормозным колодкам. Однако в условиях эксплуатации наблюдается некоторый разброс в усилиях нажатия тормозных колодок на колесные пары как в пределах вагона, так и каждой тележки. Неравномерность распределения нажатий тормозных колодок может быть одной из основных причин их неравномерного износа. Предметом исследования являются силовое взаимодействие элементов и динамические процессы в рычажной передаче тормозной системы пассажирских вагонов.
Объект и методы исследования. Уровень проведенных теоретических исследований динамических процессов элементов конструкций тягового подвижного состава достаточно высок [1-12].
С целью уточнения и подтверждения результатов проведенных теоретических исследований необходимо провести компьютерное моделирование динамических процессов рычажной передачи тормозной системы пассажирского вагона, протекающих при торможении на ровном участке пути.
Модель рычажной передачи тормозной системы является составной частью тележки пассажирского вагона, на которую опирается кузов вагона. Компьютерная модель тележки с рычажной передачею тормозной системы вагона показана на рис. 1.
Рис. 1. Компьютерная модель тележки с рычажной передачею тормозной системы пассажирского вагона
Тележка, в свою очередь, состоит из нескольких тел и подсистем. К числу тел относятся: рама, поперечная балка, две продольные тяги, два поддона, четыре подвески, четыре серьги. Их форма, размеры и массо-инерционные характеристики принимаются в соответствии с чертежами завода-изготовителя.
В состав каждой тележки входят две подсистемы «Колесная пара», состоящие из колесной пары как таковой, буксовых узлов и соответствующих звеньев рычажной передачи тормозной системы.
Силовыми элементами являются пружины центрального и буксового подвешивания, гидравлические гасители колебаний, сайлент-блоки и т.п., параметры которых принимаются согласно технической документации.
Контакт тормозной колодки рычажной передачи и рабочей поверхности колеса происходит по поверхности
(zc-sqrt(sqr(r_w)-sqr(p2-yc)))*heavi(p2+l_shoe/2)*кеау1(-р2+1_8ков/2)^_г , которая показана на рис. 2.
Приняты следующие параметры нормального контакта тормозной колодки рычажной передачи и рабочей поверхности колеса: условный коэффициент жесткости в контакте 1 • 108 Н/м, условный коэффициент демпфирования в контакте 1 • 105 Нс/м.
Параметры скольжения в контакте тормозной колодки рычажной передачи и рабочей поверхности колеса: коэффициент трения в режиме скольжения 0,3; коэффициент трения в режиме сцепления 0,36, скорость Стрибека 0, коэффициент формы кривой Стрибека 1, коэффициент параллельного вязкого трения 0.
Рис. 2. Контакт «тормозная колодка рычажной передачи - рабочая
поверхность колеса»
Приняты следующие параметры контакта рабочих поверхностей колеса и рельса: рельсы - новые Р65, колеса - новые по ГОСТ 9036-88, коэффициент трения 0,25, модель сил крипа - по алгоритму Бав181ш.
Таким образом, при помощи пакета «УМ-Локо» создана имитационная модель рычажной передачи тормозной системы пассажирского вагона с тележками КВЗ-ЦНИИ типа II, оснащенного колодочными тормозами.
Серия расчетов была выполнена для подтверждения достоверности результатов, полученных путем компьютерного моделирования.
Если кузову сообщить начальную скорость, направленную вертикально вниз, то возникнут колебания подпрыгивания. На рис. 3, а показаны графики вертикальной координаты и скорости центра масс кузова, на рис. 3, б - их спектральный состав. Как видно, колебания происходят с часто-
459
той около 1,7 Гц, что соответствует паспортным техническим данным. Аналогичным образом была получена частота колебаний галопирования кузова, равная 1,05 Гц.
а б
Рис. 3. Колебания подпрыгивания кузова (а) и их спектральный состав (б)
Затем разработанная компьютерная модель пассажирского вагона была применена для изучения динамических процессов, протекающих в рычажной передаче тормозной системы пассажирского вагона при торможении.
Отметим, что основными причинами динамических процессов в контакте «тормозная колодка рычажной передачи - рабочая поверхность колеса» могут быть:
1. Колебания экипажной части вагона при движении по пути, имеющем неровности. Это связано с тем, что колодки и элементы рычажной передачи тормозной системы конструктивно связаны с рамой тележки, которая - за счет деформаций буксового подвешивания - перемещается по отношению к катящимся по рельсам колесным парам. Как следует из таблицы, статические прогибы буксового подвешивания под тарой и под брутто различаются на 15...20 мм, такой же порядок будут иметь амплитуды перемещения колодок относительно колес при колебаниях.
2. Фрикционные колебания, возникающие в скользящем контакте «тормозная колодка - рабочая поверхность колеса».
Особо отметим также наличие фрикционного контакта «колесо -рельс», в котором, в зависимости от условий движения, может иметь место как сцепление материала (нормальный режим качения), так и скольжение (юз и движение в кривых).
Прогибы статические буксового подвешивания
Тип Тара Брутто Гибкость Средний статический прогиб Средний статический прогиб
ва- ваго- вагона, рессорно- под тарой, мм под брутто, мм
гона на, т т го подве- Ва- Подвеши- Подве- Вагона Подве- Подвеши-
шивания гона вания бук- шивания шива- вания цен-
тележки, мм/т сового центрального ния буксового трального
24сб 48 68 4,95 106 31 75 154 46 108
22сб 45,5 65,4 4,95 100 30 70 149 45 104
37сб 43 69 4,65 76 25 51 154 49 105
Для подтверждения достоверности результатов моделирования по ровному участку пути было воспроизведено штатное торможение, зарегистрированное КЛУБ-У на участке Ростов Главный - Горячий Ключ: начальная скорость 50 км/ч (13,89 м/с); конечная скорость 32 км/ч (8,89 м/с); следование на ступени торможения 242 м. Участок пути горизонтальный, неровности отсутствуют. На рис. 4 показаны полученные в результате расчетов графики пройденного пути и скорости вагона. За время 21,3 с пройдено 242 м, скорость движения снизилась с 13,89 м/с до 8,89 м/с, что соответствует данным КЛУБ-У.
Изменение угловых скоростей колесных пар в процессе торможения показано на рис. 5.
Рис. 4. Пройденный путь и скорость вагона в процессе торможения
у зав» ниНиим и'^г
X. 1С - - '-Щ
Рис. 5. Угловые скорости колесных пар в процессе торможения
На рис. 6 показана картина пятен контакта «колесо - рельс» для всех четырех колесных пар вагона. Темный фон в пределах пятна контакта соответствует сцеплению материала, светлый фон - скольжению. Стрелки представляют собой результирующие силы, о наличии торможения свидетельствует продольная силовая составляющая (поперечная составляющая обусловлена коничностью рабочих поверхностей колес).
461
Рис. 6. Пятна контакта «колесо - рельс» и распределение усилий
(ровный путь)
Для подпрыгивания рамы тележки получена амплитуда колебаний менее 1 мм при частоте 1,95 Гц; для галопирования - амплитуда колебаний менее 0,001 рад при частоте 3,9 Гц. Поскольку элементы рычажной передачи тормозной системы крепятся к раме тележки, отсюда следует вывод о том, что поскольку при движении по ровному пути колебания рамы тележки имеют очень малую амплитуду, они практически не влияют на процессы в контакте «тормозная колодка рычажной передачи - рабочая поверхность колеса».
Перейдем к определению ускорений тормозных колодок рычажной передачи. На рис. 7 показано изменение продольной составляющей ускорения тормозной колодки рычажной передачи в процессе торможения (по горизонтальной оси отложено время, по вертикальной - модуль ускорения), на рис. 8 - спектральный состав ускорения (по горизонтальной оси отложена частота в Гц).
Рис. 7. Продольная составляющая ускорения тормозной колодки рычажной передачи в процессе торможения (ровный путь)
На рис. 9 показано изменение углового ускорения тормозной колодки рычажной передачи в процессе торможения, на рис. 10 - спектральный состав углового ускорения.
Рис. 8. Спектральный состав ускорения тормозной колодки рычажной передачи в процессе торможения (ровный путь)
■ > 1Я1Т ШИ III» г™.
Э * » » А д * -- ■■ ЛЯ
Рис. 9. Угловое ускорение тормозной колодки рычажной передачи в процессе торможения (ровный путь)
Рис. 10. Спектральный состав углового ускорения тормозной колодки рычажной передачи в процессе торможения (ровный путь)
Как показывает анализ графиков рис. 7-10, колебания колодок рычажной передачи тормозной системы происходят в частотном диапазоне до 25 Гц, то есть они попадают в слышимый человеком диапазон и воспринимаются как звук низкой частоты. Для линейных ускорений модуль спектра снижается с ростом частоты, для угловых ускорений - остается практически неизменным.
Выводы:
1. Проанализирована конструкция пассажирского цельнометаллического вагона с тележками КВЗ-ЦНИИ типа II, в том числе его пневматической системы и рычажной передачи тормозной системы.
2. Разработана полноразмерная компьютерная модель пассажирского вагона в программном комплексе «Универсальный механизм». Вагон представлен как система твердых тел, соединенных упругими и диссипа-тивными элементами. В состав модели включен разработанный контакт «тормозная колодка рычажной передачи - рабочая поверхность колеса».
3. При помощи компьютерной модели воспроизведен рабочий режим торможения от 50 до 32 км/ч, причем рассмотрен вариант процесса торможения на ровном участке пути.
4. Путем моделирования получены закономерности изменения продольного ускорения тормозной колодки рычажной передачи и ее углового ускорения в процессе торможения от 50 до 32 км/ч, построены их спектры. Обнаружены колебания с частотами вплоть до 25 Гц (низкие частоты слышимого человеком звука).
Список литературы
1. Лилов Л.К. Моделирование систем, связанных твердых тел. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1993. 272 с.
2. Шилен В. Динамика систем твердых тел / В сб.: Динамика высокоскоростного транспорта; под ред. Т. А. Тибилова. М.: Транспорт, 1988. С. 32-39.
3. Multiboby systems handbook / W.Schiehlen (editor). Berlin: Springer,
1991.
4. Kreuzer E. Generation of symbolic equations of motion of multibody systems // Computerized symbolic manipulations in mechanics. Springer Werlag, 1994. P. 1-67.
5. Ефимов Г.Б., Погорелов Д.Ю. Некоторые алгоритмы автоматизированного синтеза уравнений движения системы твердых тел. М.: Ин-т. прикл. матем. РАН, 1993. Препринт № 84.
6. Погорелов Д.Ю. Моделирование механических систем с большим числом степеней свободы. Численные методы и алгоритмы. Автореферат дис. ... докт. физ.-мат. наук. Брянск: 1994.
7. Погорелов Д.Ю. Введение в моделирование динамики систем тел. Брянск: БГТУ, 1997. 156 с.
8. Fisette P., Lipinski K., Samin J.C. Dynamic behavior comparison between bogies: rigid or articulated frame, wheelset or independent wheels // The dynamics of vehicles on roads and on tracks: Vehicle System Dynamics Supplement 25 (1996). P.152-174.
9. Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов / Ю.А. Бахвалов, Г.А. Бузало, А.А. Зарифьян и др. М.: Маршрут, 2006. 374 с.
10. Балон Л.В., Коропец П.А., Косаревский В.В. Нестационарные динамические процессы в системе «тормозная колодка - колесо» // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения, 2008. № 3. С. 33-42.
11. Косаревский В.В., Балон Л.В., Коропец П.А.Математическая модель и методика исследования динамики рычажной тормозной системы в установившихся режимах // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения, 2009. № 3. С. 15-22.
12. Косаревский В.В., Балон Л.В., Коропец П.А. Динамические характеристики рычажной тормозной системы в установившихся режимах // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения, 2009. № 4. С. 33-42.
Яицков Иван Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, yia@rgups.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Косаревский Валерий Валерьевич, доцент, kosarewskij@yandex. ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
DYNAMIC PROCESSES' MODELLING OF THE LINKAGE OF THE PASSENGER CARS'
BRAKE SYSTEM IN BRAKING PROCESS
I.A. Yaitskov, V. V. Kosarevskii
The computer simulation results of the dynamic processes of the linkage of the brake system occurring during braking on an even section of the track (for example, a passenger car) are presented. Using the UM-Loko package, a simulation model of the linkage of the brake system of a passenger car with KVZ-TsNII of 2-d type with trolleys equipped with shoe brakes, was created. The structure of the model includes the developed contact "linkage brake pad - wheel working surface ". The regularities of the change in the longitudinal acceleration of the brake pad of the lever transmission and its angular acceleration during braking are obtained and their spectra are constructed.
Key words: linkage, brake system, car, dynamics, modelling.
Yaitskov Ivan Anatolevich, candidate of technical sciences, docent, yia@rgups.ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,
Kosarevskii Valery Valerievich, docent, kosarewskij@yandex. ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University
