CC BY
73
Содержание
54
Рис.3. Зависимость изменения коэффициента ослабления возбуждения
УДК 629.4.027:629.46
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ И ПАРАМЕТРОВ МЕЖОСЕВЫХ СВЯЗЕЙ ТЕЛЕЖЕК НА ХОДОВЫЕ КАЧЕСТВА
ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ
Е.А. Рудакова
Аннотация
В работе представлены результаты многовариантных расчетов динамических качеств вагона на трехэлементных тележках с упругим соединением колесных пар и боковых рам с использованием моделей различной степени детализации. Установлены области существования сочетаний параметров межосевых связей и центрального подвешивания, обеспечивающие выполнение требований устойчивости, ходовых качеств и безопасности движения вагонов по прямым и кривым участкам пути.
Ключевые слова: трехэлементные тележки; межосевые связи Введение
Перспективное развитие железнодорожного транспорта России предусматривает создание типоразмерного ряда ходовых частей грузовых вагонов, включающего тележку с осевой нагрузкой 25 т и
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/1
Содержание
55
конструкционной скоростью 120 км/ч. В тележке традиционной трехэлементной конструкции при движении по прямым участкам пути со скоростями свыше 70 км/ч возникает виляние колесных пар, которое приводит к ограничению скорости по показателям ходовых качеств и безопасности от схода с рельсов. В кривых участках пути тележка принимает параллелограммную конфигурацию и при повышении осевой нагрузки создает недопустимые боковые силы, действующие на путь.
Конструктивным решением, позволяющим одновременно повысить устойчивость и улучшить вписывание в кривую, является использование в тележке дополнительных связей между осями колесных пар. В связи с этим актуальными являются исследования по обоснованию конструктивной схемы и параметров ходовых частей с различными видами межосевых связей.
1. Выбор основных параметров ходовых частей грузовых вагонов с использованием моделей движения различной степени сложности
1.1. Модели движения грузовых вагонов на тележках с различными типами межосевых связей
Предварительный анализ обобщенной изгибной и сдвиговой жесткости тележки (Рудакова Е.А., 2003), в которой роль межосевых связей выполняет горизонтально-упругая трехэлементная рама, показал, что данная конструктивная схема позволяет реализовать достаточно высокий, но не оптимальный уровень критической скорости с сохранением качества вписывания в кривые. Введение дополнительных межосевых связей в виде прямых рычагов Г. Шеффеля (A. Orlova, 2002) позволяет повысить устойчивость с сохранением способности радиальной установки колесных пар в кривой. Выбор рациональных параметров межосевых связей и центрального подвешивания тележки с упругим соединением колесных пар и боковых рам требует проведения исследований на динамических моделях вагона.
Для исследования устойчивости, ходовых качеств и безопасности движения использовались две модели. Для определения асимптотической устойчивости невозмущенного движения разработана упрощенная модель с квазилинейным контактным взаимодействием между колесом и рельсом, а для определения устойчивости, обусловленной внешними воздействиями, ходовых качеств на прямом и криволинейном участке пути - детализированная нелинейная модель с описанием контакта между колесом и рельсом по нелинейной модели Калкера.
Помимо контакта колесо - рельс, основным отличием моделей было различное описание работы элементов центрального подвешивания и связи кузова вагона с надрессорной балкой. Центральное подвешивание было
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/1
Содержание
56
разбито на несколько элементов связей: пружины под надрессорной балкой, подклиновая пружина, клин-надрессорная балка, клин-боковая рама. В линеаризованной модели для описания работы элементов подвешивания использовался упругий элемент, реализующий жесткости и демпфирование в трех направлениях перемещения и поворота. В нелинейной модели клин моделировался отдельным телом и для описания его работы использовался элемент сухого трения с переменным прижатием; в вертикальном направлении задана билинейная силовая характеристика пружин, расположенных под надрессорной балкой.
В обеих моделях в связи колесных пар с боковыми рамами использовался элемент, реализующий жесткости в трех направлениях перемещения и поворота. В случае тележки без дополнительных межосевых связей упругий элемент, моделирующий их работу, имел обнуленное значение параметров. Дополнительно в нелинейной модели были ограничены продольные и поперечные перемещения в буксовом узле элементом - упором, а элементом, позволяющим реализовать наличие зазора и его замыкание, описывалась работа скользунов.
1.2. Выбор параметров ходовых частей на динамических моделях
Линеаризованная модель позволила установить, что в конструктивной схеме трехэлементной тележки без дополнительных межосевых связей существенное влияние на критическую скорость оказывает продольная жесткость упругой связи колесных пар с боковыми рамами и продольная жесткость рессорного комплекта центрального подвешивания, а также угловая жесткость центрального подвешивания при забегании боковых рам. Введение в конструкцию прямых межосевых связей способствует повышению критической скорости. Это позволило предварительно установить диапазон параметров, обеспечивающих устойчивое движение порожнего и груженого вагона до скорости 120 км/ч.
Оценка рационального диапазона параметров ходовых частей по показателям динамических качеств вагона производилась с использованием полностью нелинейной модели вагона с учетом неровностей рельсового пути.
Выбор характеристик производился по критерию поперечных ускорений, рамных сил и коэффициенту запаса устойчивости колеса от схода с рельсов порожнего и груженого вагона. В связи с тем, что мгновенное значение коэффициента запаса устойчивости порожнего вагона может лежать ниже допускаемого, при анализе была использована вероятность превышения нормативного значения ([кус] = 1,3), безопасный уровень которой был принят равным 97 %. Некоторые из полученных, для
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/1
Содержание
57
тележки с упругим соединением колесных пар и боковых рам, зависимостей представлены на рис. 1.
По результатам расчета было установлено, что для груженого вагона значения поперечной жесткости центрального подвешивания и упругой связи колесных пар с боковыми рамами ограничиваются нормативными значениями горизонтальных ускорений, а для порожнего - еще коэффициентом запаса устойчивости колеса от схода с рельсов.
Поперечное ускорение груженого вагона, м/с2
Поперечная жесткость рессорного комплекта центрального подвешивания, МН/м
Рамные силы груженого вагона, кН
Поперечная жесткость рессорного комплекта центрального подвешивания, МН/м
Поперечное ускорение порожнего вагона, м/с2
Поперечная жесткость рессорного комплекта центрального подвешивания, МН/м
Вероятность превышения нормативного
Поперечная жесткость рессорного комплекта центрального подвешивания, МН/м
Рис. 1. Характерные зависимости ходовых качеств от параметров подвешивания при движении вагона со скоротью 90 км/ч
Таким образом, для тележки с упругим соединением колесных пар и боковых рам были установлены области рациональных параметров по критериям устойчивости и ходовых качеств: продольная жесткость
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/1
Содержание
58
упругой связи колесных пар и боковых рам (на буксу) - не менее 2,5 МН/м; поперечная жесткость упругой связи колесных пар и боковых рам (на буксу) - не более 3,0 МН/м; продольная и поперечная жесткость рессорного комплекта центрального подвешивания (на сторону): под тарой - 1,8. ..2,5 МН/м; под брутто - 3,0. ..4,5 МН/м; угловая жесткость центрального подвешивания при забегании боковых рам (на сторону) - не менее 2,0 МНм/рад.
Сравнительный расчет критической скорости на нелинейной модели и ходовых качеств вагона на двух вариантах конструктивных схем тележек показал, что хотя введение дополнительных межосевых связей в виде прямых рычагов способствует повышению устойчивости движения и улучшению вертикальной динамики порожнего и груженого вагона, в целом данная конструктивная схема тележки с использованием приведенных выше характеристик элементов связи соответствует нормативным показателям ходовых качеств при скоростях движения вплоть до конструкционной.
Исследования на криволинейном участке пути среднего состояния производились на нелинейной модели с параметрами, выбранными по результатам исследования ходовых качеств.
В результате проведенных исследований установлено, что для обеспечения вписывания в кривые с углами набегания близкими к нулю значение продольной жесткости должно быть минимизировано, однако это приводит к резкому уменьшению критической скорости, что подтверждает аналитические выводы о возможности рассматриваемой конструкции реализовать достаточный при принятых эксплуатационных скоростях уровень критической скорости с сохранением качества вписывания в кривые. Дальнейшее повышение скорости движения будет связано с повышением износов колесных пар в кривых. Это позволило установить оптимальный уровень продольной жесткости этой связи тележки с упругим соединением колесных пар и боковых рам (2,5...5,5 МН/м), обеспечивающий устойчивое до скорости 120 км/ч движение на прямом участке пути и вписывание в кривые с углами набегания не более 5 мрад.
Проведенная сравнительная оценка качества вписывания и безопасности движения вагона на двух вариантах конструктивных схем тележек в кривых различных радиусов показала, что хотя применение в трехэлементной конструкции дополнительных межосевых связей в виде рычагов Шеффеля способствует снижению углов набегания, показателя износа и повышению запаса устойчивости в кривой, показатели безопасности движения тележки с упругим соединением колесных пар и боковых рам, при выбранных рациональных параметрах подвешивания, соответствуют нормативным требованиям.
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/1
Содержание
59
Таким образом, проведенными исследованиями было доказано, что конструктивная схема тележки, в которой роль межосевых связей выполняет горизонтально-упругая трехэлементная рама, позволяет приблизиться к динамическим показателям вагона на тележках с дополнительными связями осей в виде прямых рычагов.
2. Экспериментальное подтверждение результатов теоретических исследований
Результаты теоретических исследований были использованы при создании опытной тележки модели 18-1711 (ОАО «МЗТМ», Украина). Сравнительная оценка результатов ходовых динамических испытаний с результатами математического моделирования подтвердила достоверность разработанной математической модели движения вагона:
- наибольшее расхождение по величине рамной силы в порожнем и груженом режиме составило 11 %;
- наибольшее расхождение по коэффициенту вертикальной динамики по перемещениям в центральном подвешивании в груженом режиме составило 9,5 %, а в порожнем - 11,5 %.
Кроме того, сравнительными ходовыми динамическими испытаниями были установлены преимущества тележки модели 18-1711 перед тележкой модели 18-100, позволяющие улучшить ходовые качества (снижение
рамных сил в 1,5___2,0 раза), безопасность движения (вероятность схода
груженого вагона снижена в 1,5 раза, порожнего - как минимум в 3 раза), повысить усталостную прочность боковой рамы (в 1,3 раза), снизть воздействие на путь (поперечные и вертикальные динамические силы снижены в 1,5...3,0 раза) и износ колесных пар (как минимум в 2 раза).
3. Литература
Рудакова Е.А. Выбор жесткости тележки в плане на основе анализа собственных форм колебаний//Шаг в будущее: Межвуз. сб. научн. трудов. - ПГУПС. - СПб, 2003. -С.39-43.
Tuning von Guterwagendrehgestellen durch Radsatzkopplungen / A. Orlova, Y. Boronenko, H. Scheffel, R. Frohling, W. Kik // ZEV-Glasers Annalen 126 (2002), S 270-282.
УДК 629.423:621.3.027
ДВУХУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ ЛОКОМОТИВА
Известия Петербургского университета путей сообщения
2005/1
