CC BY
17
№ 2 (95)
A, UNI
/m te)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
февраль, 2022 г.
DOI - 10.32743/UniTech.2022.95.2.13017
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОДЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ РЕССОРНОГО ПОДВЕШИВАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРОПОЕЗДА AFROSIYOB
Хромова Галина Алексеевна
д-р. техн. наук, проф. кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство», Ташкентский государственный транспортный университет (ТГТрУ),
Республика Узбекистан, г. Ташкент Е-mail: reine_m@mail.т
Махамадалиева Малика Алиевна
докторант кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство», Ташкентский государственный транспортный университет (ТГТрУ),
Республика Узбекистан, г. Ташкент
DEVELOPMENT OF A METHOD FOR EXTENDING THE SERVICE LIFE OF THE SPRING SUSPENSION OF THE AFROSIYOB HIGH-SPEED ELECTRIC TRAIN
Galina Khromova
Doctor of technical Sciences, Professor of the department «Locomotives and locomotive establishment»,
Tashkent State Transport University (TSTU), Republic of Uzbekistan, Tashkent
Malika Makhamadalieva
Doctorate student of the department «Locomotives and locomotive establishment»,
Tashkent State Transport University (TSTU), Republic of Uzbekistan, Tashkent
АННОТАЦИЯ
В статье представлены методики продления срока службы рессорного подвешивания высокоскоростного электропоезда Afrosiyob, система координат модели вагона. Так же представлена поперечная устойчивость колесной пары высокоскоростного электропоезда и формулы определения запаса устойчивости.
ABSTRACT
The article presents methods for extending the service life of the spring suspension of the Afrosiyob high-speed electric train, the coordinate system of the car model. The transverse stability of the wheelset of a high-speed electric train and the formula for determining the stability margin are also presented.
Ключевые слова: высокоскоростной электропоезд, рессорное подвешивание, демпфирование, коэффициент запаса устойчивости, плавность хода, коэффициент запаса устойчивости
Keywords: high-speed electric train, spring suspension, damping, stability factor, running smoothness, stability factor.
При создании систем рессорного подвешивания высокоскоростных электропоездов приходится по-новому ставить и решать задачи обеспечения безопасности, плавности хода, уменьшения колебаний при высоких скоростях движения.
Для решения динамических задач, прежде всего, необходимо тщательное исследование динамических свойств разрабатываемой конструкции, в результате которого определяют с необходимой точностью основные динамические характеристики конструкции, в частности, собственные частоты, собственные формы и коэффициенты демпфирования колебаний.
Демпфирование колебаний современных рельсовых экипажей, в том числе высокоскоростных, в основном осуществляется за счет сил трения. При этом следует различать несколько видов трения: вязкое трение, сухое трение, внутреннее трение.
Четкую границу между действием различных видов трения в рельсовых экипажах провести трудно, так как они действуют одновременно. Задача выбора оптимального демпфирования является более сложной, чем выбор жесткости [1,2]. Большое демпфирование уменьшает амплитуды колебаний при резонансах, однако, существенно увеличивает
Библиографическое описание: Хромова Г.А., Махамадалиева М.А. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОДЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ РЕССОРНОГО ПОДВЕШИВАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРОПОЕЗДА AFROSIYOB // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 2(95). URL: https://7universum. com/ru/tech/archive/item/13017
№ 2 (95)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
февраль, 2022 г.
ускорение кузова, как при прохождении единичных неровностей, так и в зарезонансной области. Коэффициент относительного демпфирования /-той формы колебаний железнодорожного экипажа вычисляется по формуле [1,3,5]:
2ш;
{Vj}T[C]{vi} {vj}T[M]{vj}
(1),
где [С] и [М] - соответственно матрицы демпфирования и инерции динамической модели экипажа,
в которой кузов и обрессоренные массы тележек представляют собой твердые тела, соединенные между собой упругими и диссипативными связями; {и^ - вектор-столбец, характеризующий /-ую форму колебаний; щ - собственная частота /-той формы колебаний.
Коэффициенты относительного демпфирования определенной формы колебаний определяют величину демпфирования по отношению к собственной частоте данной формы, что имеет физический смысл отношения к критическому демпфированию, при котором прекращаются колебания.
Рисунок 1. Система координат модели вагона высокоскоростного электропоезда А/гоБ1уоЬ, основные обозначения перемещений и углов поворота
i
Направления поступательных и угловых перемещений отдельных тел модели вагона высокоскоростного электропоезда (кузова, тележек, колесных пар и т.п.) определяются по отношению к осям х, у, 2 (рис. 1), движущихся со скоростью экипажа, - инерционная система. Ось х направлена вперед по направлению движения вдоль оси пути, ось у направлена поперек оси пути (обычно вправо), ось 2 направлена вертикально вниз.
Вращениям вокруг осей х, у, 2 соответствуют угловые перемещения. Колебания тел называют: по оси х - подергивание, по оси у - относ, по оси 2 -подпрыгивание. Повороты тел называют: вокруг оси х - боковая качка, вокруг оси у - галопирование, вокруг оси 2 - виляние.
Характеристиками движения подвижного состава являются ускорения, скорости и перемещения отдельных тел экипажа во время движения вдоль пути. Тяговое, тормозное усилия, силы сопротивления и воздействия на путь определяют эксплуатационные свойства подвижного состава [4, 6].
При изучении колебаний подвижного состава их иногда разделяют на три группы: вертикальные -колебания в вертикально-продольной плоскости но координатам 2 и ф; продольные - по координате х и в, поперечные - по координатам у и у. Строго говоря, в силу специфики связей и асимметрии системы все эти колебания взаимно связаны, но опыт показывает, что многие важные выводы можно сделать, рассматривая их отдельно.
Для исследования динамики подвижного состава составляют его механическую модель из твердых тел в виде масс, соединенных с помощью жестких упругих и диссипативных элементов. Жесткие элементы не допускают относительных линейных или угловых перемещений между телами в одном или нескольких направлениях. В упругих элементах возникающие в них силы зависят от относительных перемещений, а в диссипативных элементах - от скорости относительных перемещений. Зачастую применяются упруго-диссипативные элементы, силы в которых зависят как от взаимного перемещения, так и от скорости этого перемещения. Инерционные
№ 2 (95)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
февраль, 2022 г.
свойства твердых тел характеризуются массами и моментами инерции.
Для анализа динамических процессов высокоскоростного состава необходимо иметь модель внешних возмущений, обусловливаемых неровностями пути. Далее, пользуясь методами механики, выполняют математическое описание модели в виде дифференциальных уравнений движения. Для этого
обычно использовался принцип Даламбера или уравнения Лагранжа II рода. Затем полученные уравнения интегрируются и определяются динамические показатели подвижного состава при различных скоростях движения. В настоящее время этот процесс автоматизирован и существует ряд программных продуктов, позволяющих создавать математические модели и проводить их исследования.
Рисунок 2. Поперечная устойчивость колесной пары высокоскоростного электропоезда Afrosiyob: а - поперечное движение; б - траектории: 1 - области асимптотической устойчивости; 2 - предельный цикл; 3 - область неустойчивости
Взаимодействие колеса и рельса является ключевым в динамике подвижного состава, в нем заключается основное отличие от динамики других механических систем. Правильно организованное взаимодействие колеса и рельса допускает высокие скорости. С другой стороны, неправильно сконструированное и не обеспеченное в достаточной мере техническим обслуживанием и ремонтом, взаимодействие колеса и рельса может привести к быстрому износу элементов системы и поставить под угрозу безопасность пассажиров [3, 5, 6].
Движение колесной пары прямолинейно относительно пути только при определенных условиях. Граница устойчивости зависит от скорости движения, конусности, параметров связей колесной пары с рамой, массы, а в общем случае и от амплитуд колебаний. На рисунке 2 показаны движения колесной пары в случае асимптотической устойчивости (1), наличия предельного цикла (2) и неустойчивости (3).
Причина возникновения неустойчивости связана с силами крипа. Продольный крип возникает при качении деформируемого колеса но деформируемому рельсу. Под крипом понимают продольную деформацию или, что то же самое, относительную продольную скорость скольжения в зоне контакта
=
dx-rndrn Vc-шгп
Ну
ТА,
(2).
где йх - продольное перемещение колеса; г0йф -перемещение колеса вследствие чистого качения; У0 — продольная скорость колеса; ыг0 - скорость вследствие чистого качения.
Касательную реакцию называют силой крипа и определяют как
F = k(Er)
(3);
№ 2 (95)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
февраль, 2022 г.
в линейной теории
Fx = kx£x
(4),
где кх - коэффициент продольного крипа, зависящий от кривизны контактирующих поверхностей в точке контакта, нагрузки и упругих постоянных взаимодействующих тел.
Согласно линейной теории Ж. Калкера [1, 3], при стационарном качении продольная Рх, поперечная Ру силы крипа, а также момент М г сил поворотного крипа выражаются через проекции на координатные оси скоростей скольжения в точках контакта и угловой скорости верчения, от отнесенных к скорости движения с помощью коэффициентов крипа кх , ку , к5ру , к5р , определяемых по формулам контактной теории упругости
Рх — кх%х ; Ру — -ку^у — к5ру%5р ; —
к5р^5р + к5ру^у ; (5),
где , , - продольный, поперечный и поворотный крипы соответственно.
Силы крипа являются неконсервативными, и за их счет часть энергии поступательного движения рельсового экипажа может преобразовываться в энергию боковых колебаний. Интенсивные боковые колебания могут привести к недопустимо большим нагрузкам на путь. Однако самым опасным будет возможность вкатывания гребня колеса на поверхность катания рельса при больших горизонтальных силах, прижима ющих гребень к головке рельса, что может привести к сходу колесной пары с рельсов и крушению поезда. Определение критической скорости подвижного состава является чрезвычайно актуальным.
Для демпфирования колебаний вагонов рекомендуется коэффициенты относительного демпфирования иметь в пределах [1,3,5]:
• для вертикальных колебаний - 0,2...0,3;
• для горизонтальных колебаний - 0,3...0,4;
• для боковой качки - 0,1... 0,2.
Для получения таких коэффициентов демпфирования в системах рессорного подвешивания современного высокоскоростного подвижного состава применяют гидравлические гасители колебаний и устройства с резиновыми или полиуретановыми амортизирующими элементами, а также широко применяются пневматические рессорные элементы.
В целом можно сделать следующие обобщающие выводы:
1. Новые высокоскоростные электропоезда, которые создаются с условием работы на более высоких скоростях, будут работать успешно, если
показатели ходовых качеств и воздействия на путь будут лучше, или по крайней мере, не хуже достигнутых. Оценка ходовых качеств высокоскоростного подвижного состава производится по основным показателям, прежде всего:
• коэффициенту запаса устойчивости Кус колесной пары от схода с рельсов по условию вкатывания гребня колеса на головку рельса;
• показателям плавности хода в вертикальном и поперечном направлениях wв и Wr , а также ожидаемым уровням виброускорений в заданных диапазонах частот и зависящим от них времени утомляемости;
• коэффициенту вертикальной динамики Кдв и рамной силе Нр;
• вертикальным и горизонтальным ускорениям ав и аг ;
• коэффициенту запаса поперечной устойчивости Куст от опрокидывания в кривой под действием боковых сил;
• степени сдемпфированности форм колебаний;
• устойчивости от схода с рельсов по условию вкатывания гребня колеса на головку рельса.
В ряде случаев при выяснении причин крушений и аварий поездов на головке рельса в зоне катастрофы неоднократно обнаруживались ясно видимые следы (царапины и даже борозды), которые начинались с внутренней стороны рельса и по диагонали переходили на внешнюю сторону, показывая траекторию движения гребня колеса после вкатывания на рельс. Непосредственной причиной схода является сочетание двух факторов: снижение давления на колесо в вертикальном направлении (так называемая «обезгрузка») и действие силы в поперечном направлении. Колесо может вползти своим гребнем на рельс только в том случае, когда равнодействующая сил, действующих на него, преодолевает силу трения между гребнем колеса и рельсом.
2. Для определения запаса устойчивости используют формулу
Кугт —
t.qß-u
1+utaß Рб
~Г ^ [КУСТ
(6)
где в - угол наклона образующей гребня колеса с горизонталью (в зависимости от профиля поверхности катания колеса (в = 60...70°) , / -коэффициент трения поверхностей колес (принимается / = 0,25 ); Рв -вертикальная нагрузка от набегающего колеса на рельс; РБ - боковое усилие взаимодействия гребня набегающего колеса и головки рельса; [КУСТ] - допустимое значение коэффициента запаса устойчивости. В Республике Узбекистан, в целях безопасности движения, для пассажирских вагонов высокоскоростных электропоездов коэффициент запаса устойчивости принят [КУСТ] — 1,6.
Список литературы:
1. Галиев И.И., Нехаев В.А., Николаев В.А. Методы и средства виброзащиты железнодорожных экипажей: Монография.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.-д. транспорте», 2010.-340 с.
UNIVERSUM:
, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_Февраль. 2022 г.
2. Львов А.А., Бржезовский А.М. Исследование параметров подвешивания вагона электропоезда для скоростей до 300 кмlчас.ll Эксплуатационные и технические параметры специализированных высокоскоростных магистралей. М.: Транспорт. ИТруды ВНИИЖТ, С. 52-59.
3. Хромова Г.А., Махамадалиева М.А. Разработка математической модели для динамического расчета гидрофрикционного демпфера при гармоническом воздействии при повышенном скоростном режиме движения электроподвижного состава IlUniversum: технические науки. - 2021. - №. 6-2 (87). - С. 16-19.
4. Лесничий В.С. Влияние особенностей конструкции, параметров ходовой части и межвагонных связей на устойчивость движения и ходовые качества вагонов высокоскоростных поездов. Автореферат диссертации к.т.н., специальность 05.22.07 «Подвижной железных дорог, тяга поездов и электрофикация», ЛИИЖТ, г. Санкт-Петербург, 1999 г.-26 с.
5. Khromova G., Makhamadalieva M., Khromov S. Generalized dynamic model of hydrodynamic vibration dampener subject to viscous damping //E3S Web of Conferences. - EDP Sciences, 2021. - Т. 264. - С. 05029. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202126405029
6. Хромова Г.А., Махамадалиева М.А. Расчетная схема опоры гидродинамического трения гибкого вала гидрофрикционного гасителя колебаний, применяемого на железнодорожном транспорте II Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 7 (76). URL: https:II7universum.comIruItechIarchiveIitem799 67.
№ 2 (95)
