CC BY
50
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ
МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 629.423.1+621(628.946.11) ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПРОЖЕКТОРА В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ А^У8
© 2014 С.Р. Абульханов, Д.Л. Скуратов
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)
Поступила в редакцию 25.03.2014
В статье изложены результаты определения собственных частот конструкции прожектора электровоза серии ВЛ с помощью программной системы конечно-элементного анализа ANSYS. В качестве источника света лобового фонаря использовались лампа накаливания и светодиоды. Полученные величины собственных частот были сопоставлены с частотами периодических вибраций, которые испытывает железнодорожный подвижной состав. Проведенный анализ позволил выявить направления развития конструкции прожектора, обеспечивающие повышение виброустойчивости прожектора с различными источниками света.
Ключевые слова: прожектор, электровоз, безаварийный срок эксплуатации, периодические вибрации, светодиод
Основными источниками вибраций при движении железнодорожного локомотива являются непосредственно транспортное средство, колеса, рельсы и рельсовый путь (согласно данным Решения от 15.07.2011 г. N 710 «О принятии технических регламентов таможенного союза «О безопасности железнодорожного подвижного состава», «О безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта» и «О безопасности инфраструктуры железнодорожного транспорта»). При этом диапазон частот вибраций, приводящих к повреждениям конструкций (зданий), составляет от 1 до 500 Гц. Наибольшие повреждения конструкций имеют место при низкочастотных вибрациях (частоты от 1 до 150 Гц). Вибрации всего железнодорожного состава участвуют в формировании спектра колебаний вибраций локомотива. Диапазон спектра колебаний локомотива в этом случае может изменяться только в результате дисперсии вибраций от различных источников, сформированных вагонами состава. В данной работе будем предполагать, что дисперсия колебаний вибраций незначительна.
Лобовой фонарь электровоза серии ВЛ должен удовлетворять ряду требований,
Абульханов Станислав Рафаелевич, кандидат технических наук, доцент кафедры механической обработки материалов. E-mail: mom@sgau.ru Скуратов Дмитрий Леонидович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механической обработки материалов
регламентируемых нормативными документами. Фонарь должен быть установлен по продольной оси симметрии локомотива. Осевой луч фонаря должен быть направлен параллельно горизонтальной плоскости пути. Номинальная осевая сила света фонаря должна быть (6,4-9,6)-105 кд. Схема включения фонаря должна предусматривать возможность включения яркого света, обеспечивающего номинальную осевую силу света, и тусклого света, обеспечивающего силу света в пределах (0,7-1,2)-105 кд в соответствии с ГОСТ 12.2.056-81. Необходимая ориентация светового пятна на экране обеспечивается конструкцией лобового прожектора [1-3]. Опыт эксплуатации лобового прожектора (фонаря) показал, что наиболее часто перегорает лампа ПЖ (ТУ 16-87 ИМФР 675000.003 ТУ) на 500 Вт и 50 В, а также лопается стеклянный отражатель диаметром 370 мм, установленный за лампой ПЖ. Указанные поломки могли быть вызваны колебаниями вибраций. Указанные требования могут быть стабильно обеспечены только при высокой виброустойчивости конструкции прожектора.
Для определения собственных частот лобового фонаря в программной среде А№У8 использовалась 3Б модель, полученная в работе [2]. При этом в твердотельной модели не учитывались резьбовые соединения (винты и болты были удалены из модели) по причине отсутствия необходимых вычислительных мощностей. Параметры конечно-элементной сетки на поверхности твердотельной модели были
выбраны автоматически программой (рис. 1). В качестве источников света в прожекторе использовались лампа накаливания и светодиоды с вторичной оптикой [4-7] (рис. 2). Требования к моделированию определялись правилами проведения вычислительных экспериментов в оптике [810]. Проведенное моделирование показало, что в диапазоне частот периодических вибраций от 1 до 500 Гц имеют место наибольшие деформации стеклянного отражателя для собственных частот 22,368 46,49 и 62,595 Гц. Частота колебаний /=46,49 Гц может соответствовать вибрациям, обусловленных протяженностью рельсов (25 м), расстоянием между колёсными парами тележки и расстоянием между опорными элементами пути (шпалами). На частоте /=95,998 Гц имеет место деформирование стеклянной колба лампа ПЖ. при этом отсутствуют деформации стеклянного отражателя лобового фонаря. Для частот больших максимальной частоты периодических вибраций (/=110,9 Гц [7]) максимальные деформации имеют место на окончании стеклянного баллона лампы ПЖ. Стеклянный отражатель в этом случае деформируется незначительно (рис. 3). Поскольку эксплуатационный опыт свидетельствует о том, что колба лампы разрушается достаточно часто, то можно предположить, что колебания вибраций с частотой /^ 100 Гц имеют место на реальной конструкции лобового фонаря. Это возможно при дисперсии периодических колебаний вибраций, при наличии шумов и переизлученных шумов, а также при увеличении скорости локомотива.
Рис. 1. Конечно-элементная сетка на поверхности твердотельной модели лобового прожектора: а - источник света - лампа накаливания; Ь - источник света - светодиоды
Анализ собственных частот конструкции лобового прожектора со светодиодными источниками света показал, что максимальным деформациям подвержены диск, несущий светоди-оды, и его кронштейны. При этом диск деформируется на всех частотах, присущих спектру вибраций железнодорожного локомотива, а его кронштейны существенно деформируются на максимальных частотах спектра вибраций. Следует отметить, что вырос вес прожектора приблизительно на 900 г., при этом диск несущий
светодиоды был выполнен из алюминиевого сплава Д16Т1. Светотехнические характеристики прожектора при выбранном количестве светоди-одов соответствовали регламенту нормативных документов РЖД. Характер деформаций на собственных частотах прожектора со светодиодными
источниками света приведен на рис. 4. #
Рис. 2. Два источника света лобового прожектора железнодорожного локомотива: а) лампа накаливания ПЖ; б) светодиод с вторичной оптикой
д)
е)
Рис. 3. Колебания конструкции лобового фонаря с лампой накаливания на собственных частотах: а) /=22,368 Гц; б) .7=46,49 Гц; в) .7=62,595 Гц; г) .7=95,998 Гц; д) .7=154,29 Гц; е) /=206,26 Гц
Из рис. 4 видно, что резервом повышения виброустойчивости прожектора со светодиодными источниками света может быть оптимизация количества используемых светодиодов, а также с помощью минимизации веса конструкции, которая может быть осуществлена за счёт выполнения в диске, несущем светодиоды, облегчающих отверстий. Для повышения жесткости кронштейнов, несущих диск со светодиода-ми, а также радиальную и окружную жесткости самого диска необходимо использовать в конструкции, косынки, откосы и обечайки. Параметры предлагаемых конструкторских мероприятий могут быть определены и оптимизированы по выбранному критерию в программной среде А№У8.
а)
мм U«
д)
Рис. 4. Колебания конструкции лобового фонаря с лампой накаливания на собственных частотах: а) 7=146 Гц; б) f=202 Гц; в) f=231 Гц; г) f=292 Гц; д)f=393 Гц; е)f=439 Гц
Выводы:
1. Разрушение стеклянного отражателя лампы накаливания происходит в диапазоне частот колебаний вибраций (22,368-62,595) Гц. Колебания вибраций в этом диапазоне могут быть обусловлены протяженностью рельсов (25 м), расстоянием между колёсными парами тележки и расстоянием между опорными элементами пути (шпалами).
2. Разрушение стеклянной колбы лампы ПЖ происходит на частотах больших 95,998 Гц.
3. Увеличение ресурса лампы ПЖ может быть достигнуто за счёт изменения конструкции лобового фонаря, а именно за счёт использования высокочастотных демпферов.
4. Существенное увеличение ресурса лобового фонаря может быть достигнуто также за счёт замены лампы накаливания набором мощных светодиодов с использованием для проектирования такого осветительного устройства новых методов и соответствующего программного обеспечения [11-14].
5. Использование светодиодных источников света в конструкции лобового прожектора приводит к необходимости минимизации веса конструкции.
6. Модернизация конструкции лобового прожектора должна включать в себя увеличение жесткости кронштейнов, несущих диск со свето-диодами, увеличение радиальной жесткости диска, несущего светодиоды, а также должна включать в себя оптимизацию количества свето-диодов, установленных на диск.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Doskolovich, L.L. A method of designing diffractive optical elements focusing into plane areas / L.L. Doskolovich, N.L. Kazansky, S.I. Kharitonov, V.A. Soifer // Journal of Modern Optics. 1996. Vol.43, № 7. P. 14231433.
2. Абульханов, С.Р. Построение аутентичной 3-D модели лобового фонаря электровоза серии ВЛ // Вестник СамГУПС. 2012. № 3(17). С. 81-86.
3. Голуб, МА. Формирование эталонных волновых фронтов элементами компьютерной оптики / МА. Голуб, Н.Л. Казанский, И.Н. Сисакян, В.А. Сойфер // Компьютерная оптика. 1990. № 7. С. 3-26.
4. Волков, А.В. Экспериментальное исследование светотехнических устройств с ДОЭ / А.В. Волков, Н.Л. Казанский, Г.В. Успленьев // Компьютерная оптика. 1999. № 19. С. 137-142.
5. Казанский, Н.Л. Математическое моделирование светотехнических устройств с ДОЭ / Н.Л. Казанский, В.А. Сойфер, С.И. Харитонов // Компьютерная оптика. 1995. №№ 14-15. Ч. 2. С. 107-116.
6. Досколович, Л.Л. Проектирование светотехнических устройств с ДОЭ / Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский, С.И. Харитонов // Компьютерная оптика. 1998. № 18. С. 91-96.
7. Moiseev, M.A. Design of high-efficient freeform LED lens for illumination of elongated rectangular regions / M.A. Moiseev, L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy // Optics Express. 2011. Vol. 19, № S3. P. A225-A233.
8. Голуб, МА. Вычислительный эксперимент с элементами плоской оптики / М.А. Голуб, Н.Л. Казанский,
И.Н. Сисакян, В.А. Сойфер // Автометрия. 1988. № 1. С. 70-82.
9. Казанский, Н.Л. Исследовательский комплекс для решения задач компьютерной оптики // Компьютерная оптика. 2006. № 29. С. 58-77.
10. Казанский, Н.Л. Исследовательско-технологи-ческий центр дифракционной оптики // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. Том 13, № 4. С. 54-62.
11. Абульханов, С.Р. Виброустойчивость конструкции лобового фонаря электровоза серии ВЛ / С.Р. Абульханов, Е.В. Лопатин // Вестник Транспорта Поволжья. 2013. № 6 (42), ноябрь-декабрь. С. 3036.
12. Doskolovich, L.L. A DOE to form a line-shaped directivity diagram / L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, VA. Soifer et al. // Journal of Modern Optics. 2004. Vol. 51, № 13. P. 1999-2005.
13. Doskolovich, L.L. Designing reflectors to generate a line-shaped directivity diagram / L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, S.I. Kharitonov et al. // Journal of Modern Optics. 2005. Vol. 52, № 11. P. 1529-1536.
14. Doskolovich, L.L. Designing a mirror to form a line-shaped directivity diagram / L.L. Doskolovich, N.L. Kazanskiy, S. Bernard // Journal of Modern Optics. 2007. Vol. 54, № 4. P. 589-597.
OPTIMIZATION THE DESIGN OF RAILWAY SEARCHLIGHT
IN ANSYS PROGRAM
© 2014 SR. Abulkhanov, D.L. Skuratov
Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University)
In article results of determination the own frequencies of a searchlight design of electric locomotive VL series by means of ANSYS final element analysis program are stated. As a light source of front lamp the incandescent lamp and light-emitting diodes were used. The received sizes of own frequencies were compared with frequencies of periodic vibrations which are tested by the railway vehicles. The carried-out analysis allowed to reveal the directions of searchlight design development, providing increase of vi-brostability with various light sources.
Key words: searchlight, electric locomotive, accident-free term of operation, periodic vibrations, light-emitting diodes
Stanislav Abulkhanov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Mechanical Machining of Materials Department. E-mail: mom@sgau.ru Dmitriy Skuratov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Mechanical Machining of Materials Department
