Научная статья на тему 'Обоснование возможности реализации рациональной горизонтальной жесткости тележки трехэлементной конструкции'

Обоснование возможности реализации рациональной горизонтальной жесткости тележки трехэлементной конструкции Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
302
54
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТРЬОХЕЛЕМЕНТНА ВіЗОК / КОЛіСНі ПАРИ / КЛИНОВА СИСТЕМА / THREE-PIECE TRUCK / WHEEL SETS / WEDGE SYSTEM / ТРЕХЭЛЕМЕНТНАЯ ТЕЛЕЖКА / КОЛЕСНЫЕ ПАРЫ / КЛИНОВАЯ СИСТЕМА

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Орлова А. М.

В статье предложен обобщенный подход к выбору жесткости трехэлементной тележки в плане, в том числе выражения сдвиговой и изгибной жесткости и зависимости критической скорости на прямых участках пути и фактора износа в кривой от их значений. Обоснованы и приведены рациональные значения параметров центрального подвешивания и упругой связи колесных пар и боковых рам. Возможность реализации рациональных параметров подтверждена на математических моделях работы плоской и пространственной клиновой системы, упругого и люлечного исполнения связи боковых рам и колесных пар.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Орлова А. М.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

POSSIBILITY SUBSTANTIATION OF A RATIONAL HORIZONTAL STIFFNESS REALIZATION OF THREE-PIECE TRUCK DESIGN

The paper proposes a general approach to the choice of in-plane stiffness of three-piece bogie including the expressions of shear and bending stiffness and the dependencies of a critical speed on tangent track and in curves, wear factor and lateral acceleration on their values. Mathematical models of elastic and swing types of “side frame wheelset” connection as well as of the spatial wedge system justify the possibility to achieve reasonable parameters.

Текст научной работы на тему «Обоснование возможности реализации рациональной горизонтальной жесткости тележки трехэлементной конструкции»

УДК 629.4.027.24

А.М. ОРЛОВА, канд. техн. наук, ГУП НВЦ «Вагоны» (Россия)

ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ РАЦИОНАЛЬНОЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ ТЕЛЕЖКИ ТРЕХЭЛЕМЕНТНОЙ КОНСТРУКЦИИ

У статп запропонований узагальнений тдхвд до вибору твердост триелементного Bi3Ka в планi, у тому числi вираз зсувно! та згинаючо! твердостi i зaлежностi критично! швидкостi на прямих дшянках коли i фактора зносу в кривш вiд !хшх значень. Обгрунтовано i приведенi рацюнальш значення пaрaметрiв центрального пвдвшування i пружного в'язку колiсних пар i бiчних рам. Можливiсть реaлiзaцi! рaцiонaльних параме-трiв пвдтверджена на математичних моделях роботи плоско! i просторово! клиново! системи, пружного i лю-лечного виконання в'язку бiчних рам i колiсних пар.

В статье предложен обобщенный подход к выбору жесткости трехэлементной тележки в плане, в том числе выражения сдвиговой и изгибной жесткости и зависимости критической скорости на прямых участках пути и фактора износа в кривой от их значений. Обоснованы и приведены рациональные значения параметров центрального подвешивания и упругой связи колесных пар и боковых рам. Возможность реализации рациональных параметров подтверждена на математических моделях работы плоской и пространственной клиновой системы, упругого и люлечного исполнения связи боковых рам и колесных пар.

The paper proposes a general approach to the choice of in-plane stiffness of three-piece bogie including the expressions of shear and bending stiffness and the dependencies of a critical speed on tangent track and in curves, wear factor and lateral acceleration on their values. Mathematical models of elastic and swing types of "side frame -wheelset" connection as well as of the spatial wedge system justify the possibility to achieve reasonable parameters.

Трехэлементная конструкция рамы тележки является традиционной для стран СНГ и Балтии и обладает несомненными преимуществами при движении грузовых вагонов по пути с большими неровностями. При создании тележки и ее модернизациях большое внимание уделялось обеспечению подрессоривания и гашения колебаний в вертикальном направлении. Однако комплексный подход к выбору горизонтальной жесткости тележки отсутствовал, хотя эмпирически было установлено, что ходовые качества значительно улучшаются при повышении связанности боковых рам.

Выбор рациональных значений изгибной и сдвиговой жесткости тележки

Современным подходом к анализу жесткости тележки в плане является использование двух обобщенных параметров: изгибной и сдвиговой жесткости [1, 2, 3].

Обобщенная зависимость критической скорости рельсового экипажа на прямом участке пути от изгибной и сдвиговой жесткости приведена на рис. 1, зависимость фактора износа в кривой - на рис. 2.

Приведенные зависимости показывают, что изгибная жесткость тележки должна быть минимальной из допустимых по износу в кривых, а сдвиговая - лежать в диапазоне, обеспечи-

вающем необходимую критическую скорость при заданной изгибной.

о г\а7 4 ш7 61 о7

Изгибная жесткость, Нм/рад

Рис. 1. Зависимость критической скорости рельсового экипажа от изгибной и сдвиговой жесткости тележки

Исследования показали, что рациональное значение изгибной жесткости для тележек грузовых вагонов колеи 1520 мм составляет 5...10 МНм/рад [3]. Подробная зависимость

критическом скорости от сдвиговом жесткости при этом значении изгибной жесткости представлена на рис. 3.

Показатель износа (сумма для четырех колес), н

I

■а

i

0 i*:

1 %

о;

(О 05 О

tu

tu ■о О

укР-

110 210 310

Изгибная жесткость, Нм/рад

Рис. 2. Зависимость фактора износа колес в кривой от изгибной и сдвиговой жесткости тележки (для кривой радиусом 600 м)

ранению сухого трения в связи колесном пары с боковой рамой путем установки горизонтально упругих элементов. Также упругие элементы могут быть размещены на наклонных поверхностях клиньев, прилегающих к надрессорной балке, что позволяет перейти от контактного к упругому взаимодействию. Упрощенная механическая схема такой тележки в плане приведена на рис. 4.

Рис. 4. Механическая схема тележки с упругим соединением колесных пар и надрессорной балки с боковыми рамами

Изгибная и сдвиговая жесткости вычисляются по формулам:

Kb =2cxb2

где Kx =

Ks =

2Cxcx 2cx + Cx

^ b2KXKW 2a2 Kw+ b2 Kx

(1) (2)

приведенная продольная

2a2 cC„

y w

Рис. 3. Зависимость критической скорости от сдвиговой жесткости тележки при изгибной жесткости равной 5 МНм/рад

Горизонтальными линиями отмечены уровни, соответствующие 20 % запасу к соответствующей конструкционной скорости, которые определяют минимальные значения сдвиговой жесткости тележки.

Выбор рациональных значений жесткости в центральном подвешивании тележки и упругой связи колесной пары с боковой рамой

Обзор современных тележек трехэлементной конструкции показывает тенденцию к уст-

жесткость тележки; К,„ = —-—-—---приве-

' ^ 2а2 ^ + С¥ Р

денная угловая жесткость тележки; сх, су - продольная и поперечная жесткость упругой связи колесных пар и боковых рам; Сх, С¥ - продольная жесткость и угловая жесткость центрального подвешивания; Ь - половина расстояния между осями подвешивания; а - полубаза тележки.

Анализ зависимости рис. 3 и выражений (1) и (2) позволил определить рациональные значения параметров центрального подвешивания и упругой связи колесной пары с боковой рамой для трех уровней конструкционной скорости (табл. 1). Необходимо отметить, что при определении рациональных значений было принято, что Сх ^ ю, а су и С¥ имеют прак-

тически последовательное соединение в выражении приведенной угловой жесткости.

Таблица 1

Рациональные параметры, обеспечивающие сдвиговую жесткость тележки

ставляющей, связанной с деформацией упругих накладок:

М = Сщу + 2 Щ,

(3)

N = + 2с $та-2ц{)у;

(4)

Конст- Сдвиговая Угловая жест- Поперечная

рукцион- жесткость кость цен- жесткость

ная ско- тележки, трального под- упругой свя-

рость, МН/м вешивания, зи колесных

км/ч Су, МНм/рад пар и боко-

вых рам, Су, МН/м

100 0,3 0,4...0,8 0,8.2,0

120 0,5 1,5...3,0 1,2.4,0

140 0,8 свыше 4,0 2,0.6,0

с - жесткость одной накладки на сжатие; а -угол наклона внутренней поверхности клина к продольной оси; д0 - половина ширины клина; д=д0-Ау; А - расстояние от центра поворота надрессорной балки до угла клина, контактирующего с боковой рамой.

< ы >2^

Таким образом, выбор критической скоро -сти вагона и качества его вписывания в кривую полностью определяет рациональные значения продольной и поперечной жесткости упругой связи колесной пары с боковой рамой, а также угловой жесткости центрального подвешивания. При этом свободным параметром остается поперечная жесткость центрального подвешивания, которой можно управлять для обеспечения хороших ходовых качеств вагона.

Возможность реализации рациональных значений жесткости в центральном подвешивании тележки

Основным показателем, характеризующим центральное подвешивание, является его угловая жесткость С¥. Общепринято также использовать жесткость тележки на забегание, которая в схеме рис. 4 однозначно выражается через Су.

При работе пространственной клиновой системы с упругой связью надрессорной балки и клина (рис. 5, вверху) при забегании боковых рам происходит опрокидывание клина (рис. 5, внизу), сопротивление которому оказывают упругие элементы на наклонных поверхностях, прилегающих к надрессорной балке.

Момент сопротивления подвешивания забеганию боковых рам (на сторону) можно оценить по формуле:

где у - угол поворота надрессорной балки относительно боковой рамы; Су - угловая жесткость рессорного комплекта; N - реакция в точке опирания клина при опрокидывании, которая состоит из квазистатической составляющей от веса вагона, N0 и дополнительной со-

Рис. 5. Схема работы пространственной клиновой системы при забегании боковых рам: вверху - исходное положение; внизу - положение при забегании боковых рам

Результаты сравнения момента сопротивления, полученного расчетным способом и по результатам натурного эксперимента для тележки модели 18-1711, в которой реализована пространственная клиновая система, приведены на рис. 6.

Сравнение результатов подтверждает достоверность оценки сопротивления подвешивания забеганию боковых рам по формуле (3).

В качестве угловой жесткости подвешивания Су используется наклон зависимости, приведенной на рис. 6. Для порожнего вагона жесткость составила 3,3 МНм/рад, для груженого - 4,0 МНм/рад. Таким образом, пространственная клиновая система обеспечивает величину угловой жесткости, достаточную для обеспечения конструкционной скорости 120 км/ч.

-порожний вагон (расчет)

— груженый вагон (расчет) □□□ порожний вагон (эксперимент) ООО груженый вагон (.эксперимент)

Рис. 6. Зависимость момента сопротивления подвешивания забеганию боковых рам

В случае, когда тележка оборудуется плоской клиновой системой без упругой связи клина с надрессорной балкой, поворот надрес-сорной балки относительно боковой рамы осуществляется с опрокидыванием клина, сопротивление которому оказывает вертикальная жесткость расположенных под ним пружин. То есть поворот надрессорной балки вызывает перемещения клина в вертикальном направлении. Выражение для момента сопротивления подвешивания в этом случае имеет вид (3), где

N = N + с2 • 2^; (5)

с2 - жесткость подклиновой пружины в вертикальном направлении.

Для порожнего вагона с плоской клиновой системой расчетная угловая жесткость подвешивания составила 0,2 МНм/рад, для груженого - 0,4 МНм/рад. Таким образом, плоская клиновая система обеспечивает величину угловой жесткости, достаточную для обеспечения конструкционной скорости не более 100 км/ч.

Для повышения угловой жесткости подвешивания до уровня, достаточного для движения со скоростями до 140 км/ч, связанности боковых рам за счет клиновой системы недостаточно. Для увеличения скоростей необходимо вводить дополнительные устройства, повышающие сдвиговую жесткость тележки.

Таким образом, в зависимости от типа клиновой системы (величины сдвиговой жесткости) конструктивные схемы тележек естественным образом разбиваются на три группы. В конструкции тележки с клиновой системой аналогичной тележке 18-100 при введении уп-

ругой связи между колесной парой и боковой рамой невозможно реализовать конструкционную скорость свыше 100 км/ч. Скорости движения до 120 км/ч могут быть обеспечены тележкой с пространственной клиновой системой. При разработке тележек для повышенных скоростей движения должны использоваться дополнительные связи колесных пар, такие как, например, Radial Arm Г. Шеффеля, [2].

Возможность реализации рациональной жесткости в упругой связи колесных пар и боковых рам

Вариант создания упругой связи колесных пар и боковых рам в виде амортизаторов, состоящих из чередующихся слоев металла и эластичного материала, подробно рассмотрен в работе [4]. На основе предложенной методики проектирования созданы варианты амортизаторов (рис. 7), обеспечивающих продольную жесткость (на один подшипник) в диапазоне 2,5...5,0 МН/м и поперечную жесткость в диапазоне 0,8...2,3 МН/м, что достаточно для тележек с конструкционной скоростью 100 и 120 км/ч.

Рис. 7. Варианты полиуретано-металлических амортизаторов связи колесной пары с боковой рамой

Недостатком неметаллических элементов является необходимость их замены в эксплуатации через 4... 8 лет. В связи с этим была исследована возможность создания упругой связи колесной пары и боковой рамы в виде устройства, имеющего сферическую опорную поверхность, которое работает по принципу люльки (рис. 8).

Несовпадение центра сферической опорной поверхности и центра вращения буксы приводит к возникновению квазиупругих сил гравитационной природы при смещении центра оси в продольном направлении. Эквивалентная продольная жесткость данного устройства определяется выражением: cx = P/s, где P - статическая нагрузка на подшипник от веса вагона; s -расстояние от центра вращения буксы до цен-

тра сферической опорной поверхности. Выбором в можно добиться рациональной величины эквивалентной продольной жесткости для порожнего и груженого вагона.

с боковой рамой по принципу люльки

При работе в поперечном направлении сферическая опорная поверхность обеспечивает бесконечную величину локальной жесткости Су^х, поэтому приведенная угловая жесткость тележки равна угловой жесткости центрального подвешивания и условия вписывания в кривую и устойчивого движения по прямому участку пути выполняются.

Однако при проектировании тележки помимо условий устойчивости движения важным свойством является амортизация усилий, в том числе в поперечном направлении. Для амортизации усилий в данной конструкции необходимо рассмотреть возможность снижения поперечной и изгибной жесткости центрального подвешивания, например, установкой ножевых опор пружин.

Необходимо также отметить, что как при поворотах буксы (вызывающих продольное перемещение оси колесной пары), так и при покачивании боковых рам на сферической поверхности между буксой и боковой рамой действуют силы трения, которые неизбежно приводят к износу. Это является недостатком всех люлеч-ных конструкций.

Таким образом, существуют различные способы реализации рационального сочетания продольной и поперечной жесткости в упругой связи колесной пары с боковой рамой.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Заключение

В статье предложен обобщенный подход к выбору жесткости трехэлементной тележки в плане:

- выбраны рациональные значения изгибной и сдвиговой жесткости тележки для трех значений конструкционной скорости (100, 120 и 140 км/ч);

- установлены аналитические зависимости изгибной и сдвиговой жесткости тележки от параметров центрального подвешивания и упругой связи колесной пары с боковой рамой;

- выбраны значения параметров подвешивания, обеспечивающие рациональную изгиб-ную и сдвиговую жесткости;

- предложена механическая модель работы плоской и пространственной клиновой системы при забегании боковых рам, достоверность которой подтверждена результатами эксперимента;

- установлено, что конструкционная скорость 100 км/ч реализуется плоской клиновой системой, 120 км/ч - пространственной клиновой системой с упругой связью клиньев с над-рессорной балкой, 140 км/ч и выше - установкой дополнительных устройств;

- подтверждена возможность реализации рациональной горизонтальной жесткости в связи колесной пары с боковой рамой в виде неметаллических амортизаторов или люлечного устройства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Wickens A.H.: Fundamentals of rail vehicle dynamics: guidance and stability ISBN 90-265-1946-X Swetz & Zeitlinger Publishers, 2003. - 286 P.

2. Tuning von Güterwagendrehgestellen durch Radsatzkopplungen / A. Orlova, Y. Boronenko, H. Scheffel, R. Fröhling, W. Kik // ZEV-Glasers Annalen 126 (2002), S 270-282.

3. Бороненко Ю.П., Орлова А.М., Рудакова Е.А. Проектирование ходовых частей вагонов. Проектирование рессорного подвешивания двухосных тележек грузовых вагонов: Учебное пособие. Часть 1. - СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2003. - 72 с.

4. Бороненко Ю.П., Орлова А.М., Васильев С.Г., Державец Ю.А., Аношин Г.В., Турков А.И. По-лиуретановые элементы буксового подвешивания тележек грузовых вагонов // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты. Сб. научн. статей. СПб: ПГУПС-ЛИИЖТ, 2003. - C. 39-45.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.