CC BY
186
УДК 629.423.2
И. В. Бирюков, Е. К. Рыбников, С. В. Володин, Д. М. Углянкин,
Г. А. Синицын, Б. А. Попов
ВИБРОПАСИВНЫЙ СВАРНОЙ КОРПУС ТЯГОВОГО РЕДУКТОРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА
Приведены результаты динамических расчётов при разработке вибропассивного сварного корпуса тягового редуктора электропоезда с помощью системы для инженерных расчетов MSC.Patran-Nastran. Приведено сравнение результатов расчётов и стендовых испытаний спроектированного корпуса редуктора.
электропоезд, тяговая передача, корпус редуктора, амплитудно-частотная характеристика.
Введение
В практике проектирования редукторов для тяговых приводов второго класса стремятся обеспечить прочность конструкции корпуса редуктора в условиях действия предельных тяговых нагрузок. Характеристики корпуса как сложной динамической системы обычно не лежат в сфере интересов разработчиков.
В реальных условиях корпус редуктора, кроме воздействия реакций тягового и тормозного моментов двигателя, получает относительно низкочастотные динамические нагрузки, вызванные прохождением неровностей пути, а также подвергается воздействию периодических возмущений, вызванных пересопряжением зубьев передачи. Последние могут на некоторых скоростях движения иметь частотный состав, захватывающий зону частот собственных форм колебаний корпуса редуктора, как системы с распределенными параметрами. При совпадении частоты пересопряжения зубьев передачи или ее высших гармоник с частотой одной из собственных форм колебаний корпуса возбуждаются слабо демпфированные резонансные вибрации корпуса, приводящие к целому ряду негативных последствий. Ослабевают и разрушаются болтовые соединения, происходит потеря смазки из-за нарушения работы лабиринтных уплотнений, появляются усталостные трещины в корпусе.
Учёт резонансных свойств корпуса позволяет проектировать вибропассивные конструкции с заданными динамическими характеристиками, исключающими или ограничивающими резонансные вибрации корпуса в зоне эксплуатационных скоростей.
1 Описание объекта. Постановка задачи
Обычно корпусные конструкции сложной формы изготавливаются литьём, но из-за большого количества брака при литье отечественные заводы зачастую предпочитают изготавливать корпуса сварными.
Технология изготовления сварной конструкции корпуса редуктора предполагает создание изделия из отдельных деталей, вырезанных из плоских стальных листов. При сравнении сварного и литого исполнения корпусов можно отметить значительное снижение жёсткости сварной конструкции из-за отсутствия элементов скругления и плавных переходов в местах соединения отдельных элементов.
Для выполнения оптимизационных расчётов корпусов выбираются проектные переменные, которые будут изменяться в процессе расчётов. В качестве проектных переменных в соответствии с технологическими особенностями были приняты толщины боковых и торцевых стальных листов стенок корпуса редуктора.
Критериями для оценки динамического качества корпуса редуктора были приняты амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), получаемые в представительных точках конструкции, позволяющих оценить уровни его горизонтальных и вертикальных виброускорений. Эти точки были выбраны на основании опытной оценки уровней вибраций редукторов при проведении многочисленных стендовых и поездных испытаний (рис. 1). В соответствии с этим АЧХ вычислялись:
в области над малой шестерней в вертикальном направлении (точка 1);
на боковой стенке верхней половины редуктора - горизонтальное направление (точка 2);
на боковой стенке нижней половины корпуса редуктора в области смотрового окна - горизонтальное направление (точка 3).
Расчёт АЧХ проводился для двух единичных возмущающих сил Р (рис. 2), прикладываемых к внешнему кольцу переднего подшипника узла шестерни по отдельности в вертикальном и горизонтальном направлениях. Эти силы имитировали динамические силы, передаваемые на корпус редуктора от пересопряжения зубьев зубчатой передачи.
Исследовалось влияние величин проектных переменных конструкции на АЧХ сварного корпуса редуктора. Основной целью при решении задачи было преобразование структуры резонансов корпуса редуктора и зубчатой передачи в зоне частот 1100-1500 Гц.
Рис. 1. Расположение точек регистрации динамических характеристик а)
Рис. 2. Частотная диаграмма возмущений (а) и одна из форм колебаний зубчатого венца при частоте 1121 Гц (б)
На рисунке 2, а показаны зависимости значений частот четырёх гармоник возмущений от пересопряжения зубьев зубчатой передачи в функции скорости движения электропоезда. Как видно, резонансные колебания на частотах 1000-1500 Гц возникают в области эксплуатационных скоростей движения электропоезда и влияют на колебания не только корпуса редуктора, но и зубчатых колес, вызывая ослабление призонных болтов зубчатого венца (см. рис. 2, б).
2 Решение задачи снижения виброактивности конструкции
2.1 Моделирование конструкций
На базе геометрической модели типового корпуса редуктора были созданы пять геометрических моделей с различными толщинами стенок корпуса редуктора (табл. 1). Создавались и сравнивались модели как с одинаковой толщиной боковых и поперечных стенок, так и с различными их толщинами. Все расчеты выполнялись в пакете MSC.Patran-Nastran методом конечных элементов.
ТАБЛИЦА 1. Влияние толщин стенок на массу корпуса
Варианты Толщина стенок, мм Масса варианта , кг
боковой торцевой
* Модель 1 10 10 283 (0%)
Модель 2 12 12 313 (11%)
Модель 3 14 8 341 (21%)
Модель 4 14 10 336 (19%)
Модель 5 14 14 350 (24%)
Примечания: * Типовой корпус редуктора. ** В скобках указан процент изменения массы от типового корпуса.
При изменении толщины стенок корпуса одновременно контролировался его вес. Из таблицы 1 видно, что с увеличением толщин стенок масса корпуса по сравнению с типовым может увеличиться на 24%. И хотя, по нашему убеждению, корпус редуктора - это одна из немногих деталей ходовых частей, где вес не является доминирующим критерием, он учитывался при выборе окончательного варианта конструкции корпуса.
2.2 Анализ результатов расчета
Как показал анализ результатов расчёта, наилучшими показателями в частотной области 0-2000 Гц обладает корпус редуктора с толщиной боковых стенок 14 мм и толщиной торцевой стенки 10 мм. Это связано с тем, что большие вертикальные нагрузки корпуса редуктора воспринимаются более толстыми боковыми стенками, в то же время эти стенки затрудняют возникновение форм колебаний с изгибом боковых стенок.
Анализ АЧХ показал, что в исследуемом частотном диапазоне величина амплитуд виброускорений 4-го варианта в сопоставимых условиях значительно ниже, чем в исходной конструкции. При этом произошло перераспределение ряда пиков АЧХ в области частот 1100-1300 Гц и выше (рис. 3). В области частоты 1500 Гц, как видно на рисунке 3, резонансный пик «раздвоился» и таким образом произошло снижение амплитуды резонансного пика.
Рис. 3. Сравнение амплитудно-частотных характеристик первой и четвертой моделей для точки 2 при вертикальном возмущении
2.3 Сравнение результатов расчетов и стендовых испытаний
По результатам, полученным в процессе исследования, была рекомендована четвёртая модель для изготовления опытного образца редуктора с низкой виброактивностью.
После изготовления корпуса редуктора на Демиховском машиностроительном заводе по выбранной геометрической модели были проведены сравнительные стендовые испытания для замера уровней вибраций корпуса.
На стенде испытывались серийный и модернизированный редукторы. Сравнение проводилось по уровням вибраций, измеренных в трёх точках корпуса.
В качестве примера на рисунке 4 приведены амплитудные спектры ускорений корпусов редукторов в точке 2, полученные по экспериментальным записям с помощью аппаратуры НПО «Мера».
Как видно из сравнения расчётных АЧХ и экспериментальных спектров, уровень ординат у модернизированного корпуса на резонансной частоте 1250 Гц (рис. 4, б) почти в 4 раза ниже за счёт устранения резонансного максимума в области частот 1150-1300 Гц.
а)
----ser-----vpr
Рис. 4. Экспериментальные амплитудно-частотные характеристики: а - весь частотный диапазон; б - частотный диапазон 1000-1500 Гц
Поездные испытания редуктора подтвердили факт устранения заметных резонансных явлений в зоне эксплуатационных скоростей движения электропоезда.
О разнице в динамическом поведении вибропассивных и серийных редукторов можно судить по характеру одновременных непрерывных за-
писей ускорений вертикальных вибраций редукторов при электрическом торможении со 120 км/ч.
Серийный редуктор имеет, если не считать выбросов, связанных с проходом стыков, максимальные виброускорения на уровне 300 м/с (примерно 30 g) и две явно выраженные резонансные зоны, связанные с возбуждением колебаний при совпадении частот возмущений от первой и второй гармоник пересопряжения зубьев с собственной частотой одной из форм колебаний корпуса редуктора (рис. 5).
Вибропассивный редуктор имеет, если не считать выбросов, связан-
2
ных с проходом стыков, максимальные виброускорения на уровне 80 м/с (примерно 8 g) и не испытывает резонансов в этом диапазоне скоростей (рис. 6).
Рис. 5. Экспериментальные записи вибраций на серийном корпусе редуктора при непрерывном торможении поезда со 120 км/ч
Рис. 6. Экспериментальные записи вибраций на вибропассивном корпусе редуктора при непрерывном торможении поезда со 120 км/ч
Заключение
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что достаточно эффективным и технологически простым способом улучшения динамических свойств сварной конструкции корпуса редуктора при условии сохранения его формы и исходных габаритных размеров является подбор рациональных толщин стенок без изменения очертания и объема корпуса.
Библиографический список
1. Механическая часть тягового подвижного состава : учебник для вузов ж.-д. трансп. / И. В. Бирюков, А. Н. Савоськин, Г. П. Бурчак и др.; ред. И. В. Бирюков. - М.: Транспорт, 1992. - 440 с.
2. Инженерные расчёты механических конструкций в системе MSC. Patran-Nastran. Ч. I : учеб. пособие к курсовому и дипломному проектированию для студентов и слушателей специальности «Электрический транспорт железных дорог» / Е. К. Рыбников, С. В. Володин, Р. Ю. Соболев. - М.: МИИТ, 2003. - 130 с.
3. Инженерные расчёты механических конструкций в системе MSC. Patran-Nastran. Ч. II : учеб. пособие для студентов и слушателей специальности «Электрический транспорт железных дорог» / Е. К. Рыбников, С. В. Володин, Р. Ю. Соболев. - М.: МИИТ, 2003. - 174 с.
