CC BY
42
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
ЕКОЛОГ1Я НА ТРАНСПОРТ
УДК 629.4.015:625.1.032.43
Ю. В. ЗЕЛЕНЬКО1*, Л. О. НЕДУЖА2*, А. О. ШВЕЦЬ3*
1 Каф. «Хiмiя та шженерна екологш», Дшпропетровський нацiональний унiверситет залiзничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дшпропетровськ, Укра!на, 49010, тел. +38 (056) 373 15 77, ел. пошта j.zelenko@mail.ru, ОЯСГО 0000-0001-5551-0305
2*Каф. «Будшельна мехашка», Днiпропетровський нацюнальний унiверситег залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Укра1на, 49010, тел. +38 (067) 810 51 65, ел. пошта п1огИеп@гш, ОЯСГО 0000-0002-7038-3006
3*СКТБ МСУБ, Днiпропетровський нацiональний унiверситет залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Укра!на, 49010, тел. +38 (050) 214 14 19, ел. пошта ange1a_shvets@ua.fm, ОЯСГО 0000-0002-8469-3902
ВПЛИВ В1БРОАКУСТИЧНИХ ПАРАМЕТР1В
РУХОМОГО СКЛАДУ НА ВИБ1Р РАЦЮНАЛЬНИХ ЗНАЧЕНЬ
ХОДОВО1 ЧАСТИНИ ЛОКОМОТИВА
Мета. Устх перевезень на залiзницях Укра!ни залежить вiд кiлькостi та експлуатацшного парку електровозiв. Сьогоднi в локомотивних депо експлуатують фiзично та морально застарш електровози, котрi мають низьку надiйнiсть. Модернiзацiя цих електровозiв економiчно не виправдана. Метою дослвдження е пвдвищення безпеки тягового рухомого складу шляхом частотного аналiзу динамiчних систем, який дозволяе проводити розрахунок власних (резонансних) частот конструкцп та ввдповщних форм коливань. Методика. Дослiдження проводилося методами аналггачно! механiки та математичного моделювання експлуатацiйних навантажень вантажного локомотиву при рус з рiзними швидкостями по прямих i кривих дшянках шляху. Теоретичну цiннiсть роботи складае розроблена методика вибору конструктивно! схеми i рацiональних параметрiв перспективного електровозу з урахуванням iнерцiйних коефiцiентiв та коефщенпв жорсткостi рiвнянь Лагранжу II роду. Результати. Виршеш задачi теоретичних дослiджень i розробки математично! моделi просторових коливань електровоза. Наведенi теоретичш дослвдження впливу iнерцiйних коефiцiентiв та коефщенпв жорсткостi на динамiчнi показники та значення параметрiв ходових частин електровозу. Наукова новизна. Сукупшсть розроблених положень й отриманих результатiв е практичним рiшенням вибору рацiональних параметрiв вiзкiв вантажного магiстрального електровозу для залiзниць Укра!ни. Сформульована концепцiя вибору конструктивно! схеми й рацюнальних параметрiв перспективного локомотиву. Розроблена методика розрахунку просторових коливань електровозу для визначення його динамiчних показник1в. Впроваджено програмний комплекс обробки даних експериментальних дослщжень динамiчних показник1в електровозу та порiвняння результатiв теоретичних розрахунк1в iз даними натурних випробувань. Практична значимiсть. Проведене теоретичне дослвдження дозволило об'ективно оцшити вплив парцiальних частот елементiв електровоза як на рацюнальш значення параметрiв його ек1пажно! частини, так i на працездатнiсть та фiзiологiчний стан локомотивно! бригади. Таким чином, практична цшшсть всього комплексу теоретичного дослщження полягае в розробленi алгоритму й програми, виборi рацiональних параметрiв та розрахунково! схеми ходово! частин електровозу. Використання програмного комплексу для дослвдження просторових коливань електровозу дозволило з достатньою (для практичних задач) точшстю оцiнити динамiчнi показники ек1пажно! частини електровозу.
Ключовi слова: шерцшш коефщенти; коефiцiенти жорсткостi; рiвняння Лагранжу II роду; вантажний електровоз; динамiчнi показники; динашчне навантаження; просторовi коливання; рацюнальш значення параметрiв
Вступ
Загальнодержавна програма адаптаци зако-нодавства Укра!ни до законодавства Свропей-ського Союзу, затверджена Законом Украши №1629-IV в1д 18.03.2004, визначае нормативну базу, що регулюе д1яльн1сть зал1зничного
транспорту прюритетним напрямком адаптацИ. При цьому одшею 1з найб1льш важливих проблем е проблема забезпечення безпеки руху та оновлення рухомого складу Укрзатзнищ [5].
Устх перевезень на затзницях значною м1-рою визначаеться достатньою к1льк1стю та на-дшнютю експлуатуемого локомотивного парку
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
рухомого складу. На сучасному етат для за-безпечення безпеки руху перед залiзничним транспортом поставлен основнi завдання, серед яких оновлення парку рухомого складу нового поколшня, який би вщповщав чинним ев-ропейським еколопчним нормам; пiдвищення рiвня безпеки руху; використання енергозбер> гаючих технологiй тощо [19]. Цi завдання, а також вимоги до рухомого складу зумовлю-ють основний напрямок з удосконалення конс-трукцш локомотивiв й особливо !х ходових ча-стин, якi, в основному, впливають на динамiчнi якосп. Вiд правильно обраних технiчних характеристик залежать експлуатацшш та економ> чнi показники одиниць рухомого складу [11, 12, 20].
Даш щодо розподшу по регiонах свiту парку локомотивiв (рис. 1, а) та парку електровозiв (рис. 1, б) свщчать про нагальну потребу нового тягового рухомого складу на затзницях
[9, 10].
Програма оновлення локомотивного парку затзниць Украши на 2012-2016 роки передба-чае доведення власного виробництва локомо-тивiв до 90 % до 2016 року [19]. Метою Про-грами е оновлення локомотивного парку залiз-ниць Украши для забезпечення безперебшного перевезення пасажирiв й вантажiв.
На сьогодш технiчний стан рухомого складу не вщповщае сучасним вимогам для транспор-тно! системи XXI столiття. Одшею з найгост-рiших проблем затзниць е фiзичне та моральне старшня локомотивного парку.
Абсолютну бiльшiсть тягового рухомого складу украшських залiзниць побудовано згщ-но з технiчними вимогами 60-х роюв минулого столiття. Вш характеризуеться збiльшеними, постiйно зростаючими експлуатацшними ви-тратами та мае низьку економiчнiсть порiвняно з локомотивами нового поколшня.
На цей час вщпрацювали встановлений за-водами-виробниками нормативний строк служ-би 75 % електровозiв. Темпи старшня локомотивного парку затзниць Украши значно пере-вищують темпи придбання нових сучасних зра-зюв тягового рухомого складу внаслщок щорiчного недостатнього фiнансування для вщповщного оновлення [14].
а-а
1 - Захвдна £вропа, 16 %; 2 - Швшчна Америка, 21 %; 3 - Аз1я, 22 %; 4 - краши СНД, 23 %; 5 - i™i, 18 %;
б-b
1 - Центральна й Швденна Америка, 0,1 %;
2 - Швшчна Америка, 0,4 %; 3 - Австратя
та Тихоокеанський репон, 0,5 %;
4 - Африка та Близький Схвд, 5 %; 5 - Схщна £вропа, 10 %;
6 - Захвдна £вропа, 25 %; 7 - крани колишнього СРСР, 28 %; 8 - Азiя, 31 %
Рис. 1. Розподш по регюнах свiту:
а - парка локомотивш; б - парка електровозiв
Fig. 1. Distribution of:
a - locomotive fleet; b - electric locomotive fleet over the regions of the world
Проблему передбачасться розв'язати шляхом:
- техшчного та технологичного переосна-щення i розвитку локомотивного господарства затзниць Украши шляхом розробки, створення й впровадження нових типiв локомотивiв, а також придбання iснуючих зразюв електровозiв, якi вiдповiдають сучасним вимогам надшносп, безпеки, охорони працi;
- оптимiзацiï витрат енергоносiïв, а також витрат на ремонт i поточне утримання нових локомотивiв;
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з^зничного транспорту, 2016, № 3 (63)
розвитку в1тчизняно1 науково-техн1чно1 бази в результат залучення украшських науко-вщв до спшьних проектов з провщними вироб-никами затзнично! техшки, а також розвитку вточизняно! виробничо-техшчно! бази локомо-тивобуд1вно1 галуз1 i створення нових робочих мюць шд час виробництва сучасних локомоти-в1в з використанням в ix конструкцп комплек-тувальних вироб1в вточизняного виробництва.
Таким чином, е доцшьним налагодження власного виробництва тягового рухомого скла-
а-а
ду, який був би надшним, потужним, недорогим, мав високу ремонтопридатшсть. У зв'язку з цим свого часу силами низки наукових та ви-робничих органiзацiй, у тому числi й Дншропетровського нацюнального ушверситету затз-ничного транспорту iменi академiка В. Лазаря-на (Д11Т), був розроблений та побудований перший вантажний украшський електровоз (рис. 2, а).
б-b
в-с
Рис. 2. Вантажний електровоз:
а - загальний вигляд; б - ходова частина; в - розрахункова схема
Fig. 2. Freight electric locomotive:
a - general view; b - running gear; c - design scheme
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
Кр1м визначення рацюнальних значень па-раметр1в ходових частин електровоза, було ви-конано частотний анатз елеменпв конструкци локомотива з метою встановлення основних показниюв, яю впливають як на рацюнальш значення параметр1в його екшажно! частини, так i на працездатшсть та ф1з1олог1чний стан локомотивно! бригади. Для цього етапу досл> джень були складен диференцшш р1вняння системи, за допомогою яких були визначеш власш резонансш частоти коливань частин конструкци електровоза.
Цей напрям дослщжень, як i багато шших, виконувався безпосередньо тд кер1вництвом доктора техшчних наук, професора Вштора Даниловича Дановича. Матер1ал ц1е! иублшаци присвячуемо пам'ят Вченого, Вчителя, для якого виршення складних наукових задач було справою чест1, мудрост та авторитету - прикладом для вс1х поколшь.
Мета
Зашзничний транспорт пов'язаний з проявом низки шкщливих фактор1в, що негативно впливають як на иращвниюв, так i на навколишне середовище. Як вщомо, деяю фактори, зокрема тривала в1брац1я, завдають велико! шкоди здоров'ю людини - порушення серцево! д1яльност1, нервово! системи, чутливосп шюри, кровооб^у, з'являються деформаци м'яз1в, галюцинаци, по-пршення зору, порушення вестибулярного апа-рату, швидка втомлювашсть, спазм судин, змши у суглобах, пращвник передчасно втомлюеться, при цьому продуктившсть його пращ знижуеть-ся та ш. Результат ди в!брацп залежить вщ !! ам-плиуди та частоти. Особливо шкiдлива в!бращя з частотами, близькими до частот власних коливань тша людини, бшьшють з яких знаходиться у межах 6-30 Гц.
Метою дослщження е тдвищення безпеки тягового рухомого складу шляхом частотного анал1зу динам1чних систем, який дозволяе ви-конувати розрахунок власних (резонансних) частот конструкци та вщповщних форм коливань. Здшснюючи перев1рку наявносп резонансних частот в робочому частотному д!апазош локомотива та оптим1зуючи конструкщю таким чином, щоб виключити виникнення резонаншв, можливо тдвищити !! надшшсть й працездатшсть.
Актуальтсть. Одшею з найбшьш важливих i актуальних проблем сьогодення, що стоять перед св!товою спшьнотою, е проблема сталого розвитку та захисту навколишнього природного середовища. На цей час питаннями екологи займаються фах!вщ вс1х галузей та напрямюв, оскшьки негативна складова антропогенно! д1-яльност значно переважае над позитивною. Одним ¡з головних абютичних фактор!в навколишнього середовища е ф!зичш поля, що запо-внюють середовище проживання та впливають як на живу, так i неживу природу. Оцшщ сту-пеня впливу ф!зичних пол1в на довкшля прид> ляеться основна увага в роздш ф1зично! екологи. Впровадження нового та модершзащя юну-ючого обладнання, збiльшення продуктивност працi i, як наслiдок цього, зростання потужнос-т i швидкохщносп машин та механiзмiв часто супроводжуеться погiршенням умов працi на виробницга - значним пiдвищенням р1вня в16-раци та шуму на робочих мюцях.
Сьогодш вивченню, аналiзу та моделюван-ню впливу параметричних забруднень на на-вколишне середовище придiлено увагу бага-тьох впчизняних й закордонних вчених, серед яких Овсянтков С. Н., Попов В. I., Ти-щенко Г. Л., Абракiтов В. Е., Осипов С. Я., Юдш В. А., Anderton Б., Ka1ivoda М. Т., Priede Т. та багато шших досвщчених фахiвцiв. Вивчення стану науково-практично! бази щодо цього питання дозволить об'ективно оцшити стутнь параметричного впливу об'ектiв залiз-ничного транспорту на навколишне середовище та обирати найбiльш ефективнi методи змен-шення негативного впливу [17].
В свою чергу, вивчення динамши рухомого складу забезпечуе становлення перспективних техшчних рiшень в галузi затзничного транспорту, серед яких: безпека роботи рухомого складу, безперебшшсть, рентабельшсть транспортних засобiв та вщповщшсть сучасним еко-лопчним нормам.
В умовах реатзаци заходiв щодо тдвищення швидкостей руху по!зд1в вже на першому етат необхiдним е детальний аналiз динамiч-них характеристик ходових частин рухомого складу, характеристик вiброзахисту та вирь шення проблем тдвищення безпеки руху.
При цьому низка нормативних акпв Укра!-ни, а саме: Закон Укра!ни «Про охорону навко-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
лишнього природного середовища», Закон Укра!ни «Про забезпечення саштарного та еш-демiчного благополуччя населення» та Держа-вш саштарш правила планування i забудови населених пунктов вимагають вживати необхщ-ш заходи щодо запобiгання та недопущення перевищення встановлених р!вшв вiброакусти-чного впливу на навколишне природне середо-вище i здоров'я людини [17].
Методика
Електровоз з опорно-осьовою шдвюкою тя-гових електродвигунiв (ТЕД), з двовюними безчелюсними вiзками безшкворньово! конс-трукци (рис. 2, б). Сила тяги та гальмов! сили передаються вщ в!зюв до кузова за допомогою похилих тяг, з'еднаних з одше! сторони з кузовом за допомогою балансира, стержшв та мета-левих резинових шайб з кронштейнами, укрш-леними знизу з рамою кузова, а з друго! сторони - з тяговими пристроями на рам! в!зка. В схемi опирання кузова на в!зки е пром!жш балки, з якими зв'язано кузов за допомогою люлечних шдвюок [3].
Перший стутнь тдвшування складаеться з пружин, гiдроамортизаторiв та пружних по-вщюв; шдвшування другого ступеня - люлеч-не з гiдроамортизаторами. Для шдвищення на-дшносп роботи люлечних шдвюок пружини вертикального зв'язка кузова та в!зюв установ-люються не на сам! шдвюки, а м1ж рамою в!зка i пром!жними балками, яю з нею з'еднанi шар-шрно. Пром!жна балка е важелем, до кшця яко-го прикладена через люлечш шдвюки частина ваги кузова, а в пром!жиш точщ передаеться навантаження на пружини кузовного ресорного шдвшування, як опираються на раму в!зка. Пружини, яю сприймають вертикальне наван-таження, розташовано окремо м1ж двома про-м!жними балками та рамою в!зка. Кузов через люлечш шдвюки пiдвiшений до пром!жних балок, яю можуть бути з'еднаш з рамою в!зка в горизонтальному поздовжньому та поперечному напрямках за допомогою шаршрно-стержньових зв'язюв з пружно-дисипативними елементами односторонньо! ди, як працюють тшьки на стискання.
При вписуванш екiпажа в крив! дшянки коли виникае значний противоповоротний момент. Дв1 люлечш шдвюки, як розташоваш по
д!агонат в!зка, при поворот! в!зка повинш по-довжуватися, дв! шших — укорочуватися. Косо-симетричне навантаження, що виникае, змушуе пром!жш балки працювати як «пропелер», тоб-то виконувати коливання галопування в проти-лежному напрямку. Цьому сприяе просторовий шаршр, за допомогою якого обидв! балки з'еднаш з рамою в!зка. Таким чином, при вписуванш в!зка в крив! дшянки кол!!, кр!м вщнов-люючого момента, в люлечних шдвюках виникае ! вщновлюючий момент в пружинах.
При коливаннях шдстрибування, поздовж-ньо! та боково! качки кузова вщносно рам в!з-юв з'являються вщновлююч! сили у восьми пружинах, розташованих вздовж люлечних шдвюок. В процес виляння в!зка вщносно кузова виникае вщновлюючий момент, виклика-ний трьома факторами: змшою вертикальних навантажень на шдвюки; появою поздовжшх горизонтальних складових сил, ддачих в шдв> сках; поперечних горизонтальних складових сил [3].
Для розрахунку параметр!в екшажно! час-тини електровоза, який рухаеться по реальних нер!вностях шерцшно! кол!! у вертикальному та горизонтальному напрямках, було розробле-но математичну модель та обрано розрахункову схему (рис. 2, в) його просторових коливань. При звичайних припущеннях об' ект розглядав-ся як мехашчна система, складена з 15 твердих тш (кузова, двох рам в!зюв, чотирьох вщповщ-но пром!жних балок, ТЕД та колюних пар) ! 8 мас кол!!, приведених до точок контакту колю з рейками. Складено р!вняння зв'язюв, на-кладених на тша системи; визначено кшькють узагальнених координат; прописан! диференщ-альш р!вняння просторових коливань електро-воза.
На основ! отриманих р!внянь було розроб-лено та налагоджено програмний комплекс об-числювань за допомогою ПЕОМ. Виконано розрахунки шд час руху електровоза по прямих або кривих д!лянках кол!!, з анаттичним за-вданням поверхш кочення колеса шд час руху вперед або назад, при завданш випадкових не-р!вностей реально! стиково! кол!!, записаних галузевою науково-дослщною лаборатор!ею динамши та мщносп рухомого складу (ГНДЛ ДМРС) ДПТу шд час проведення р!зних експе-риментальних дослщжень. Вар!ювались пара-метри зв'язюв пром!жно! балки з кузовом: дов-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
жина люлечно1 шдвюки, кута il нахилу, в1дстань в поздовжньому напрямку м1ж люлечними шд-вюками та ш., що дозволило обрати рацюнальш значення параметр1в люлечного шдвшування. Програмний комплекс дозволив розглянути р1зн1 вар1анти жорсткосп пружин шдвшування, ви-конати анатз впливу на динам1чш показники установки повщюв у вертикальному та горизонтальному напрямках; дослщити вар1анти дина-м1чних показниюв при р1зних параметрах пдро-амортизатор1в, причому для першого та другого ступешв шдвшування: жорстюсть бокового упору, жорстюсть зв'язку похило1 тяги з кузовом електровоза в режим! вибпу та в режим! тяги тощо. Наприклад, на рис. 3 та 4 наведено залежнють коефщента горизонтально! динамки (по рамних силах) Кдг та коефщента динам1ч-них добавок вертикальних сил в буксовому шд-вшуванш КдБв вщ швидкосп руху при р1зних значеннях в'язкого тертя в пдроамортизаторах ßt. кузовного шдв1шування [3].
Було дослщжено горизонтальш поперечш перемщення кузова вщносно рам в1зюв, що вщбувались незалежно вщ боково1 качки кузова, i в1дновлююч1 сили, викликаш змщенням центра мас кузова та поворотом люлечних тд-вiсок, що виникають тшьки при боковому вщ-носi кузова вщносно рам вiзкiв; перемiщення та вщновлюючий момент при боковiй качщ кузова вiдносно рам вiзкiв. Враховано дiю пдро-амортизаторiв другого ступеню пiдвiшування, якi установленi мiж рамою кузова та рамою вь зка у вертикальнiй поперечнiй площиш пiд ку-том ад до горизонту, та сили, яю виникають
в них [3]. Також були визначеш перемщення та сили при рiзних параметрах характеристик коли та швидкостi руху електровоза, тобто при розв'язуванш задачi варiювалась значна кшь-кiсть параметрiв ходових частин та динамiчних показникiв. За результатами розрахунюв були визначенi динамiчнi показники, яю порiвнюва-лись з ïx допустимими значеннями.
Основна частина. У бшьшосп сучасних до-слiджень динамша взаeмодiï колiï та рухомого складу характеризусться випадковими проце-сами та вщповщними статистичними характеристиками. Основним джерелом збурюючого впливу на екшаж пiд час руху е затзничний шлях [l, 4, 8].
Кдг
[1 ,кНсГм
Л 0 -0
\ .......АО -----ва -----ео —13—100
40 во m но 100 120
—ù—120 —Ж—140
50 60 70 60 90 1 00 110 120 у
Рис. 3. Залежнють коефщента горизонтально! динамши (по рамних силах) К дг вщ швидкостi руху
при рiзних значеннях Рк
Fig. 3. Dependence of horizontal dynamics coefficient (according to the frame forces) Кдг on the speed
at different values Рк
0
- ^20
""h V • ■ N ■
40 00 140 120 100 60
V, kmN
Рис. 4. Залежнють коефщента динашчних добавок вертикальних сил в буксовому mдвiшуваннi К^ вiд швидкосп руху при рiзних значеннях Рк
Fig. 4. Dependence of coefficient of dynamic additions of vertical forces in axle-box suspension Кдв on the speed at different values Рк
Коливання впливають практично на вс ос-новнi експлуатацшш властивостi локомотива: комфортабельнiсть та плавшсть ходу, стiйкiсть, керованiсть й навггь витрата палива. Вони зро-стають iз збiльшенням швидкостi руху, шдви-щенням потужностi двигуна, iстотний вплив на коливання надае також яюсть колiï, як насл> док, виникае шюдливий вплив на машинiста локомотива, пасажирiв та навколишне середо-вище. Встановленi норми та стандарти, що ви-значають допустимi рiвнi коливань, вiбрацiй й шумiв в конструкци локомотивiв [2, 11, 12, 17, 18].
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
Коливання виникають насамперед при взае-мод!! колю з поверхнею кол!!. В результат! колеса та кузов здшснюють складш коливання, як! безпосередньо визначають плавнють ходу. Залежно вщ якост кол!! та швидкосп руху коливання локомотива можуть вщбуватися з р!зними частотами й прискореннями [13, 15, 16].
У ход! дослщження було використано осно-вш положення й методи анаттично! мехашки та статистично! динамши екшажв, теори ймо-в!рностей та математично! статистики, матрич-но! алгебри, частотного анатзу динам!чних систем. Грунтуючись на р!вняннях динамши ею-пажу, дослщжувались властивосп його р!зних елеменпв, головним чином, !х частотш характеристики, як! важлив! при виршенш завдань, пов'язаних з випадковими коливальними про-цесами [1, 15, 23].
За допомогою р!вняння Лагранжа II роду було складено систему диференщальних р!в-нянь коливань елеменпв екшажно! частини локомотива, за якими були визначеш власш резо-нансш частоти. На !хнш основ! було розрахо-вано й дослщжено ампл!тудш частотш характеристики, серед яких шерцшш коефщенти йш з р!вняння для кшетично! енерги були визначе-ш за такими залежностями: - для кузова локомотива:
й, = т,
ay = m,
точками кршлення до кузова люлечних пщв!-сок; кко - висота центру мас кузова над точками кршлення люлечних шдвюок до кузова; 50 - кут нахилу люлечно! шдвюки;
йф = Iу +
де 1у - момент шерци кузова вщносно ос! у; Iпz - момент шерци пром!жно! балки вщносно ос! г;
= 4;
де 12 - момент шерци кузова вщносно ос! г;
для рами в1зка:
ax, = тт +
2тд '1 у о —-—L + 2тп
2тд
ayi = тт +-
- 2тп
2m„ • j
f
= m + -
- + 2тп •
У
1 --
де m - маса кузова;
де тт - маса рами в!зка; тд - маса ТЕД (тягового двигуна); £ у - вщстань в поздовжньому
напрямку м1ж центром мас колюно! пари ! пру-жним упором; £д - вщстань в поздовжньому
напрямку м1ж центром мас колюно! пари ! вю-сю маятниково! шдвюки;
% = 1тх ,
4 / 2 \
йz = т + Ь7 "(тп ' Ьсп + 1пх)
де тп - маса пром!жно! балки; Ьп - вщстань в поперечному напрямку вщ ос! кршлення пром!жно! балки до вертикальних пружин; Ьсп - вщстань в поперечному напрямку вщ ос! кр> плення пром!жно! балки до !! центру мас; 1пх -момент шерци пром!жно! балки вщносно ос! х;
йе = 1х + ЬГ(Ьк0 - ^ 50 )(тпЬСп + 1пх )
де I, - момент шерци кузова вщносно ос! х; 2Ько - вщстань в поперечному напрямку м!ж
де 1тх - момент шерци рами в1зка вщносно ос х;
a9i = 1 ту
2тд • ^у
£ • £2 1 д 1 п
де 1ту - момент шерци рами в1зка вщносно ос у; 2£ п - вщстань в поздовжньому напрямку м1ж осями маятниково! шдвюки ТЕД одного
в1зка;
% = 4
2m„
о • /2
-д 1 п
-2I п
де Ixz - момент шерци рами в1зка вщносно ос z; - для колюних пар:
д
д
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
m
axim = mK +-
•(<д -<y)
де mK - маса колiсноï пари (без TEД); ( ' д - 'y )
m
ayim = ^ +
- +
+mz •(tan aim12 + tan aim22 ),
azim = +-
m- •(iд - i y)
- 2mz
ayim
m
m
•('д - 'y )
дк RZ ДZ '
де адк - вщстань м!ж центрами мас колюнох пари ! колюно-моторного блоку; Iкz - момент ше-рщ! колюно! пари вщносно ос! г; I - момент
шерщ! ТЕД (тягового двигуна) вщносно ос! г; - для тягових двигушв колюних пар:
m
a = -
фдт
•(fд -fy)•
ду '
де I - момент iнерцiï ТЕД (тягового двигуна)
вщносно ос у.
Коефщенти жорсткостi Cü визначались з рiвнянь Лагранжа II роду та вщповщно дорiв-нюють:
для кузова локомотива:
Cx = 8KKx + 2KTx,
де mz - приведена маса коли у вертикальнш пло-щинi; aimk - кут нахилу площини, дотичноï до по-верхш кочення колеса в точцi контакту, що зале-жить вщ вщсташ м1ж гребенем колеса i колieю в горизонтальному поперечному напрямку;
a9im = 1 кх + 1дх + mz (bim1 + bim2 ), Ь1тк = (-1) • Ь2 - Г • tan aimK ,
де 1кх - момент шерци колiсноï пари вщносно ос х; 1дх - момент шерци ТЕД (тягового двигуна) вщносно ос х; 2b2 - вщстань в поперечному напрямку мiж колами катання колю; r -радiус колеса по колу катання;
i in „ W
a2 I„ +1
де Ккх - жорсткiсть люлечного пiдвiшування при згиш вiдносно осi х; Ктх - жорсткють по-хилих тяг, прикршлених до кузова i до рам вiз-кiв, в напрямку ос х;
Cy = 8Ky +12KKZ • tan2 S0,
де Кку - жорсткiсть люлечного пiдвiшування при згиш вщносно ос у; Ksz - жорсткють люлечного пщвшування при стисканш вiдносно осi z; S0 - кут нахилу люлечноï пiдвiски;
Cz = 12KKz + 2 Kгz,
де Кгz - жорсткють похилих тяг, прикрiплених до кузова i до рам вiзкiв, в напрямку ос z;
Ce = 12KKZ -(bK0 - hm • tan So )2 + 2h2 • K^,
h - висота центру мас кузова над точкою кр> плення до кузова похилоï тяги; Кту - жорсткють похилих тяг, прикрiплених до кузова i до рам вiзкiв, в напрямку ос у;
Сф = 4KKZ \3f2 + 2ап2 ) + 8hK20 • K„ + 2h2 • Kгх,
де 21 - база кузова; 2ап - вiдстaнь в поздовжньому напрямку мiж точками крiплення до кузова похилих тяг;
Сф = 4KKZ •(3£2 + 2ап2 )• tan2 So +
+8£2 • ^ + 8Ьк2о • K2х + 2^,
де Ккх, Кку, К2z, Kw - жорсткостi люлечного пщвшування при згинi ( Ккх, Кку ), стискaннi
( ^zX скPУчУвaннi ( Кщ ); - для рами вiзкa:
Cx = 4 K„ + K,, + 4 K,
xi ^ тx
6x '
де K6x - жоpсткостi мiж рамами вiзкiв i буксами вiдносно ос х;
Cyi = 4K^ + 6KKZ • tan2 Sq + 4Kбy + 2Kдy,
д
д
д
д
Наука та прогрес транспорту. Вкник Днiпропетровського нацiонального унiверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
де Кбу - жорсткосп м1ж рамами в1зюв { буксами вщносно ос у; Кду - жорсткосп м1ж рамами в1зюв 1 ТЕД вщносно ос у;
С* = 6 Ккх + 4^ + 2Кда,
Кб2 - жорсткосп м1ж рамами в1зюв { буксами вщносно ос г; Кд2 - жорсткосп м1ж рамами в1зюв 1 ТЕД вщносно ос г;
С91 = 6Ккг • Ьп2 + 4Кб,
4Кбг • Ь/ + 2Кду • й2,
де Ьп - в1дстань в поперечному напрямку вщ ос кршлення пром1жно! балки до вертикальних пружин; Иб - висота центру мас рами в1зка над р1внем осей колюних пар; 2Ь1 - в1дстань в поперечному напрямку до буксових пружин; Ип -висота центру мас рами в1зка над точкою кршлення пщвюки ТЕД до рами в1зка;
Сф1 = 4Ккг • «п2 + 4Ккх • - Ктх • И2 +
+4Кбх • ¿б2 + 4Кбг • ¿2 + 2Кдг • £п ,
де Ито - висота точок кршлення до в1зка люле-чних пщвюок над центром мас рами в1зка; -висота центру мас рами в1зка над точкою кршлення похило! тяги до в1зка; 211 - база в1зка;
С* = 4 К кг • «2 • 1ап2 5о + 4Кку • «2 +
+4 ККх • Ьт2 + Кк* + 4 Кбх • Ь2
+4Кбу • ¿2 + 2Кду • ^,
де 2«о - вщстань в поздовжньому напрямку м1ж точками кршлення до кузова люлечних пщвюок в1зка; 2Ьто - вщстань в поперечному напрямку м1ж точками кршлення до в1зка люлечних пщвюок;
- для колюних пар:
С = 2 К
Су1ш = 2Кбу + Kдy,
Стш = 2 Кбх + Кдг + 2 Кх ,
де Ку - приведена жорстюсть коли вщносно ос у;
С01Ш = 6 к кг • Ь + 2 кг • Ь2,
С*1Ш = 2Кбх •(Ь2 + Ьд2м ) + 2Кду • «д2к +
+Кду •(Iд - «дк )2,
де 2Ь1 - вщстань в поперечному напрямку до буксових пружин; 2Ь2 - в1дстань в поперечному напрямку м1ж колами катання колю; Ьдм -
вщстань в поперечному напрямку в1д ос крш-лення пром1жно! балки до маятниково! пщвю-ки; «дк - вщстань м1ж центрами мас колюно!
пари { колюно-моторного блоку;
- для тягових двигушв колюних пар:
С = К • /2 + К • /2
фд1ш дг * * ц'
де Кд2 - жорсткост м1ж рамами в1зюв I ТЕД вщносно ос г; Км2 - жорсткосп муфти блоку «редуктор - колюна пара» в1дносно ос г; I ц -вщстань в поздовжньому напрямку м1ж центром мас колюно! пари { якорем ТЕД.
Парщальш частоти елеменпв локомотива визначались за допомогою таких залежностей:
ю„
; = сй/ а
де С11 - коефщ1енти жорсткосп; ап1 - шерцшш коефщенти;
/ш = ®ш/2п.
Як ведомо, резонанс - це явище стр1мкого зростання амплггуди змушених коливань систе-ми, яке настае шд час наближення частоти зов-шшньо! ди до певних значень (резонансних частот), зумовленим властивостями системи. Причиною резонансу е збпання зовшшньо! (збудли-во!) частоти 1з внутршньою (власною) частотою коливально! системи. Для вилучення резонансу елеменпв конструкци рухомого складу потяг мае рухатися з1 швидюстю, що виключае збп частоти удар1в колю по стиках рейок ¡з власною частотою коливань окремих елеменпв конструкци, для чого обчислюеться Урез:
^рез = 3,6 • /п • Ь,
де Ь - довжина ланки стиково! коли, м.
Отриман1 значення були зведеш до табл. 1.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
Таблиця 1
Результати розрахунку власних частот коливань елеменпв локомотива
Table 1
The results of calculation of the natural oscillation frequency of locomotive elements
Перемщення Cii ani rom, рад/с /ni, Гц Крез > км/год
L = 12,5 м L = 25 м
X 20 705,12 48 20,77 3,31 148,8 297,6
y 1 818 48 6,15 0,98 44,1 88,2
z 3 996 48,38 9,1 1,95 65,25 130,5
0 2 727,3 93,82 5,39 0,86 38,7 77,4
Ф 125 542,58 835,064 12,26 1,95 87,86 175,72
V 24 190,13 819 5,43 0,86 38,7 77,4
xi 290 352,6 9,86 171,6 27,3 1 228,5 2457
yi 21 044,89 9,86 46,2 7,36 331 662
zi 2 4238 9,65 50,12 7,38 360 720
0i 12 907,23 5,3 49,35 7,86 353,7 707,4
Фl 34 418,64 114 17,4 2,8 126 252
Vi 381 746,62 119,13 56,6 9,01 405,6 811,2
Xim 140 000 6,2 150,3 23,9 1 075, 5 2 151
У im 10 068 6,2 40,3 6,42 288,9 577,8
Zim 98 880 7,52 114,67 18,26 821,7 1 643,4
0im 59 514,22 4,24 110,9 17,66 794,6 1 589,2
Vim 170 636,74 4,75 189,54 30,2 135,8 271,6
Фд1m 10 893 1,41 87,9 14 630 1 260
Результати
Джерелами в!брацш е р!зш двигуни ! меха-шзми, функцюнуюч! у великш кшькосп на вех шдприемствах, що обслуговують експлуатацш-ний процес та безпосередньо рухомий склад затзниць. В!бращя, що виникае при д1! цих установок, може сприйматися безпосередньо д!ючим органом (так звана мюцева в!бращя) або передаватися через перекриття (в!бращя загального д!!' або в!бращя робочого мюця). На
виробницга нaйчaстiше дiють склaднi перюди-чш коливання, пов'язaнi в основному iз серед-ньо1' частиною звукових частот. Однак в сучас-нiй промисловосп можуть виникати вiбрaцiï i значно бшьших частот. За цieю характеристикою вс мехaнiчнi коливання подшяють на три групи: вiбрaцiя шфразвуковий частоти - вiд 1 до 16 гц; вiбрaцiя звуково1' частоти - вщ 16 до 20 000 гц та вiбрaцiя ультразвуково1' частоти -понад 20 000 Гц [6, 7].
Наука та прогрес транспорту. Вкник Днi2ро2етровського нацiонального унiверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
Джерелами в1брацн на рухомому склад1 е двигуни { власш коливання окремих складо-вих частин самого рухомого складу. Спостер> гаються як перюдичш, так { поштовхопод1бш коливання. Взагат, на затзничному транспорт! переважають вертикальш в1брацн низьких частот в межах в1д 2-3 до 10 гц. Характер коли-вань, величина поштовх1в, !х жорстюсть зале-жать вщ типу та завантаженосп машини або вагона, характеру покриття дороги або стану рейкового шляху, швидкост руху { т.п.
Величина в1броколивань в зал1зничних вагонах залежить в1д багатьох фактор1в, напри-клад, вагоме значення мае мюце розташування вагона, оскшьки в1бращя помггно збшьшуеться в м1ру вщдалення вщ локомотива, при цьому значно посилюються горизонтальш коливання. В той же час вертикальш коливання однаково проявляються по всш довжиш рухомого складу. Вщповщно до вим1р1в, в1бращя пасажирсь-ких вагошв характеризуеться ампттудою 0,1-5,0 мм при частот 1,5-4 Гц { прискоренш 12-130 см/с2 [6, 7, 17].
Вплив окремих характеристик в1брацн в патогенез! р1зних ф1зюлопчних { патолопчних порушень, що виникають в оргашзм1 тд впли-вом цього чинника, не однакова. Так, напри-клад, для виникнення в1брацшно! хвороби ви-ршальне значення мае частота коливань, в той час як вестибулярний апарат найбшьше чутли-вий до змш величини прискорення. Труднощ1 встановлення на практищ переважного значення в етюлогн спостережуваних патолопчних змш кожно! з зазначених ф1зичних величин, що характеризують в1бращю, полягае ще й у тому, що в виробничих умовах доводиться мати справу не з простими гармоншними коливан-нями, а з в1бращями бшьш складного характеру, що являють собою довшьну комбшащю р1-зних частот. Тому для оцшки в1брацш р1зного характеру повинш бути правильно вибраш р1зш поеднання показниюв та коефщ1енпв, що характеризують !х ф1зичш величини [20-22].
Вплив в1брацп на людину-оператора (локо-мотивна бригада) класиф1кують за такими по-казниками: за способом передач1 в1брацн на людину, за напрямком дн в1брацн та за часовою характеристикою в1брацн.
Таким чином, показники в1брацшного нава-нтаження на оператора повинш формуватися з таких параметр1в:
- в1броприскорення (в1брошвидюсть);
- д1апазон частот;
- час впливу в1брацн.
Отже, показник перевищення в1брацшного навантаження на оператора - е р1зниця логари-фм1чних р1вшв, сшввщношення абсолютних значень спектральних або скоригованих за частотою показниюв в1брацшного навантаження на оператора в конкретних виробничих умовах 1 гранично допустимих значень, встановлених саштарними нормами для цих умов, з тривалю-тю робочо! змши 8 годин [11, 12].
Величина, взаемозв'язок та сшввщношення зазначених показниюв можуть бути отримаш за допомогою досл1джень динамши взаемодп в систем1 «кол1я - рухомий склад».
Наукова новизна та практична значимкть
Сукупшсть розроблених положень й отри-маних результапв е практичним ршенням ви-бору рацюнальних параметр1в в1зюв вантажно-го мапстрального електровоза для затзниць Укра!ни. Сформульовано концепщю вибору конструктивно! схеми й рацюнальних парамет-р1в перспективного локомотива. Розроблено методику розрахунку просторових коливань електровоза для визначення його динам1чних показниюв. Впроваджено програмний комплекс обробки даних експериментальних досл1-джень динам1чних показниюв електровоза та пор1вняння результапв теоретичних розрахун-юв з даними натурних випробувань.
Виконане теоретичне дослщження дозволило об'ективно оцшити вплив парщальних частот елеменпв електровоза як на рацюнальш значення параметр1в його екшажно! частини, так { на працездатшсть та ф1зюлопчний стан локомотивно! бригади.
Таким чином, практична цшшсть всього комплексу теоретичного досл1дження полягала в розробленш алгоритму й програми, вибор1 рацюнальних параметр1в та розрахунково! схе-ми ходово! частин електровоза. Використання програмного комплексу для досл1дження прос-торових коливань електровоза дозволило з до-статньою для практичних задач точшстю ощ-нити динам1чш показники екшажно! частини електровозу.
Результати дослщжень знайшли свое науко-ве використання в низщ публiкaцiй aвторiв в спещальних та наукових виданнях, виступах на наукових конференщях.
Висновки
Ефективне зниження рiвня негативного впливу об'ектiв зaлiзничного транспорту на людину i навколишне природне середовище можливе тiльки при цшеспрямованому впрова-дженнi спецiaльних, технолопчно обгрунтова-них зaходiв. Особливостi i тенденцп розвитку сучасного рухомого складу визначають необ-хiднiсть удосконалення методолопчного i ма-тематичного апарату дослщження вiльних та вимушених коливань конструктивних елемен-тiв сучасно1' техшки з урахуванням 1'х фiзико-мехашчних властивостей.
Перш за все, мова повинна йти про реатза-щю принципiв системного пiдходу при вирь шеннi проблем ергономiки, безпеки i охорони навколишнього середовища на затзничному трaнспортi.
Результати, отримaнi в процес динaмiчних ходових випробувань, дозволяють моделювати рaцiонaльнi характеристики вибору конструктивно!' схеми ходових частин локомотива, що в перспективi дозволить знизити рiвень негативного впливу вiброколивaнь на локомотивш бригади та покращити екологiчнi показники в питaннi вiброaкустичноï безпеки на затзнич-ному транспорт в цiлому, що узгоджуеться з виконанням вiдповiдних директив Свропейсь-кого союзу.
Виконаш в подальшому динaмiчнi ходовi випробування показали, що даш розрaхункiв, одержaнi з використанням теоретичних досл> джень, досить добре вщповщають результатам випробувань, що свiдчить про вдалий вибiр конструктивноï схеми ходових частин.
Таким чином, отримаш результати розраху-нкiв дозволяють об'ективно оцшити вплив ше-рцiйних та квaзiупружних коефiцiентiв на ди-нaмiчнi якост вантажного локомотива.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Вериго, М. Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава / М. Ф. Вериго, А. Я. Коган. -Москва : Транспорт, 1986. - 560 с.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
2. Динамика грузовых вагонов с учетом поперечного смещения тележек / Н. И. Луханин, С. В. Мямлин, Л. А. Недужая, А. А. Швец // Зб. наук. пр. / Донец. ш-т залiзн. трансп. - До-нецьк, 2012. - Вип. 29. - С. 234-241.
3. Динамические характеристики и рациональные значения параметров ходовых частей электровоза ДЭ1 / Е. П. Блохин, В. Д. Данович, М. Л. Коротенко [и др.] // Транспорт : зб. наук. пр. / Дшпропетр. ш-т залiзн. трансп. -Дншропетровськ, 2002. - Вип. 11. - С. 8-16.
4. Евстратов, А. С. Экипажные части тепловозов / А. С. Евстратов. - Москва : Машиностроение, 1987. - 136 с.
5. Загальнодержавна програма адаптацп законо-давства Украши до законодавства £вро-пейського Союзу [Електронний ресурс] : затв. Законом Украши №1629-IV вщ 18.03.2004 р. -Режим доступу: http://search.ligazakon.-ua/l_doc2.nsf/link1/T041629.html. - Назва з ек-рана. - Перевiрено : 27.04.2016.
6. Зеленько, Ю. В. Розробка принцишв i методiв оцшки еколопчних ризишв виникнення над-звичайних ситуацiй на залiзничному транс-портi / Ю. В. Зеленько, А. Л. Лещинська, С. В. Бойченко // Вюн. Днiпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. -Дншропетровськ, 2010. - Вип. 35. - С. 177-180.
7. Зеленько, Ю. В. Современные подходы к контролю шума от подвижного состава и созданию шумовых карт железных дорог / Ю. В. Зе-ленько, С. В. Мямлин, Л. А. Недужая // Транспорт Российской Федерации. - 2015. - № 3 (58). - С. 50-53.
8. Конструкция, расчет и проектирование локомотивов / под ред. А. А. Камаева. - Москва : Машиностроение, 1981. - 350 с.
9. Мировой рынок локомотивов // Железные дороги мира. - 2010. - № 3. - С. 34-35.
10. Мировой рынок электровозов // Железные дороги мира. - 2012. - № 6. - С. 44-46.
11. Мiжнародна оргашза^ зi стандартизаци (ISO/ТС 108/SC 2) ISO 14837-1:2005. Мехашчна вiбрацiя. Шум i вiбрацiя, що вини-кають в землi при руа залiзничного транспорту. Ч. 1. Загальне керiвництво. - Надано чинносл 2014-09-19. - Кшв : Держспожив-стандарт Украши, 2014. - 45 с.
12. Мiжнародна оргашза^ зi стандартизаци (ISO/ТС 108/SC 4) ISO 2631-4:2001. Вiбрацiя та удар мехашчш. Оцшка впливу вiбрацil всього тiла на оргашзм людини. Ч. 4. Настанови щодо оцiнки впливу вiбрацil i обертального руху на комфортний стан пасажирiв та бригади на залiзничному транспортi. - Надано чинностi
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
2016-01-15. - Ки!в : Держспоживстандарт Укра!ни, 2016. - 9 с.
13. Мямлин, С. В. Оптимизация параметров рессорного подвешивания рельсовых экипажей / С. В. Мямлин, А. Н. Пшинько // Вюн. Сх1дноукр. нац. ун-ту 1м. В. Даля. - Луганськ, 2003. - Вип. 9 (67). - С. 79-85.
14. Мямлин, С. В. Перспективы развития рынка локомотивов и их ходовых частей / С. В. Мямлин, Л. А. Недужая // Локомотив-информ. -2014. - № 8. - С. 4-8.
15. Мямлин, С. В. Программа моделирования пространственных колебаний подвижного состава / С. В. Мямлин // Зал1зн. транспорт Укра!ни. -2000. - № 3. - С. 52-54.
16. Мямлин, С. В. Совершенствование конструкции ходовых частей локомотивов / С. В. Мям-лин, Л. А. Недужая // Наука та прогрес транспорту. - 2013. - № 5 (47). - С. 124-136. аок 10.15802^2013/17977.
17. Мямлш, С. В. Параметрична еколопя на зал1зничному транспорт!. Принципи, оцшка, контроль, безпека : монограф1я / С. В. Мямлш, Ю. В. Зеленько, Л. О. Недужа. - Дшпропет-ровськ : Лггограф, 2014. - 203 с.
18. Олешкевич, Л. А. Шум и вибрация как неблагоприятные факторы внешней среды / Л. А. Олешкевич, В. В. Липовой // Киев : Обво «Знание», 1980. - 24 с.
19. Про затвердження Програми оновлення локомотивного парку зал1зниць Укра!ни на 2012-
Ю. В. ЗЕЛЕНЬКО1*, Л. А. НЕДУЖАЯ2*, А. А. ШВЕЦ3*
1 Каф. «Химия и инженерная экология», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010 ,тел. +38 (056) 373 15 77, эл. почта ^е1епко@таП.га, ОЯСГО 0000-0001-5551-0305
2*Каф. «Строительная механика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (067) 810 51 65, эл. почта п1огИеп@1.иа, ОЯСГО 0000-0002-7038-3006
3*СКТБ МСУБ, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (050) 214 14 19, эл. почта а^е1а_8Ьуе1з@иа.1т, ОЯСГО 0000-0002-8469-3902
ВЛИЯНИЕ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ХОДОВОЙ ЧАСТИ ЛОКОМОТИВА
Цель. Успех перевозок на железных дорогах Украины зависит от количества и эксплуатационного парка электровозов. Сегодня в локомотивных депо эксплуатируют физически и морально устаревшие электровозы, которые имеют низкую надежность. Модернизация этих электровозов экономически не оправдана. Целью исследования является повышение безопасности тягового подвижного состава путем частотного анализа динамических систем, который позволяет проводить расчет собственных (резонансных) частот конструкции и соответствующих форм колебаний. Методика. Исследование проводилось методами аналитической механики и математического моделирования эксплуатационных нагрузок грузового
2016 pp. : nocraHOBa KMy Big 01.08.2011 p. № 840. [EœKrpoHHHH pecypc]. - Pe^HM gocry-ny: http://zakon4.rada.gov.ua/laws/show/840-2011-%D0%BF 7. - Ha3Ba 3 eKpaHa. - nepeBipe-HO : 27.04.2016.
20. Definition of wheel maintenance measures for reducing ground vibration [E^eKrpoHHHH pecypc] : Project co-funded by the European Commission within the Seventh Framework Programme / R. Muller, P. Gratacos, P. Mora [et al.]. - Pe^HM gocryny : http : //www. rivas -proj ect. eu/fileadmin/-documents/D2.7-Defini. - Ha3Ba 3 eKpaHa. - ne-peBipeHO : 27.04.2016.
21. Factors affecting the perception of whole-body vibration of occupational drivers: an analysis of posture and manual materials handling and muscu-loskeletal disorders / N. Raffler, R. Ellegast, T. Kraus, E. Ochsmann // Ergonomics. - 2016. -Vol. 59. - Iss. 1. - P. 48-60. doi: 10.1080/00140139.2015.1051598.
22. Gabriel, E. J. Vibration Analysis of In-coach Rail Travel and its Effects on Health / E. J. Gabriel, U. P. Chhatre // Intern. J. of Scientific & Engineering Research. - 2013. - Vol. 4, № 4. - P. 764-769.
23. Myamlin, S. Construction Analysis of Mechanical Parts of Locomotives / S. Myamlin, M. Luchanin, L. Neduzha // TEKA Commission of Motorization and Power Industry in Agriculture. - 2013. - Vol. 13, № 3. - P. 162-169.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
локомотива при движении с различными скоростями по прямым и кривым участкам пути. Теоретическую ценность работы составляет разработанная методика выбора конструктивной схемы и рациональных параметров перспективного электровоза с учетом инерционных коэффициентов и коэффициентов жесткости уравнений Лагранжа II рода. Результаты. Решены задачи теоретических исследований и разработки математической модели пространственных колебаний электровоза. Приведены теоретические исследования влияния инерционных коэффициентов и коэффициентов жесткости на динамические показатели и значения параметров ходовых частей электровоза. Научная новизна. Совокупность разработанных положений и полученных результатов является практичным решением выбора рациональных параметров тележек грузового магистрального электровоза для железных дорог Украины. Сформулирована концепция выбора конструктивной схемы и рациональных параметров перспективного локомотива. Разработана методика расчета пространственных колебаний электровоза для определения его динамических показателей. Внедрен программный комплекс обработки данных экспериментальных исследований динамических показателей электровоза и сравнение результатов теоретических расчетов с данными натурных испытаний. Практическая значимость. Проведенное теоретическое исследование позволило объективно оценить влияние парциальных частот элементов электровоза как на рациональные значения параметров его экипажной части, так и на работоспособность и физиологическое состояние локомотивной бригады. Таким образом, практическая ценность всего комплекса теоретического исследования заключается в разработке алгоритма и программы, выборе рациональных параметров и расчетной схемы ходовой части электровоза. Использование программного комплекса для исследования пространственных колебаний электровоза позволило с достаточной (для практических задач) точностью оценить динамические показатели экипажной части электровоза.
Ключевые слова: инерционные коэффициенты; квазиупругие коэффициенты; уравнения Лагранжа II рода; грузовой электровоз; динамические показатели; динамическая нагрузка; пространственные колебания; рациональные значения параметров
YU. V. ZELENKO1*, L. O. NEDUZHA2*, A. O. SHVETS3*
1 Dep. «Chemistry and Environmental Engineering», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St. 2, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 77, e-mail j.zelenko@mail.ru, ORCID 0000-0001-5551-0305
2*Dep. «Building Mechanics», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St. 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (067) 810 51 65, e-mail nlorhen@i.ua, ORCID 0000-0002-7038-3006 3 EDSD MBCSS, Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St. 2, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (050) 214 14 19, e-mail angela_shvets@ua.fm, ORCID 0000-0002-8469-3902
INFLUENCE OF ROLLING STOCK VIBROACOUSTICAL PARAMETERS ON THE CHOICE OF RATIONAL VALUES OF LOCOMOTIVE RUNNING GEAR
Purpose. The success of the traffic on the railways of Ukraine depends on the number and the operational fleet of electric locomotives. Today, the locomotive depot exploit physically and morally outdated locomotives that have low reliability. Modernization of electric locomotives is not economically justified. The aim of this study is to improve the safety of the traction rolling stock by the frequency analysis of dynamical systems, which allows conducting the calculation of the natural (of resonant) frequencies of the design and related forms of vibrations. Methodology. The study was conducted by methods of analytical mechanics and mathematical modeling of operating loads of freight locomotive when driving at different speeds on the straight and curved track sections. The theoretical value of the work is the technique of choice of constructive schemes and rational parameters of perspective electric locomotive taking into account the electric inertia ratios and stiffness coefficients of Lagrange second-order equations. Findings. The problems of theoretical research and the development of a mathematical model of the spatial electric vibrations are solved. The theoretical studies of the effect of inertia ratios and stiffness coefficients on the dynamic values and the parameter values of electric locomotive undercarriages are presented. Originality. The set of developed regulations and obtained results is a practical solution to selecting rational parameters of bogies of the freight mainline locomotive for railways of Ukraine. A concept of choice of constructive scheme and rational parameters of perspective locomotive is formulated. It is developed the method of calculation of spatial electric locomotive oscillations to determine its dynamic performance. The software complex for processing the data of experimental studies
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
of dynamic parameters of electric locomotive and comparing the results of the theoretical calculations with the data of full-scale tests is implemented. Practical value. The theoretical study allows objectively assessing the impact of the partial frequency of electric locomotive elements on both the rational parameters of its underframe, and the performance and physiological condition of the locomotive crew. Thus, the practical value of the whole complex of theoretical research was to develop an algorithm and program, choosing rational parameters and design scheme of electric locomotive running gear. Using a software package for the study of spatial fluctuations of electric locomotive made it possible to evaluate the dynamic performance of the electric locomotive underframe with sufficient accuracy for practical problems.
Keywords: inertial coefficients; stiffness coefficients; the Lagrange equations of second-order; freight electric locomotive, dynamic performance; dynamic load; spatial fluctuations; rational parameters
REFERENCES
1. Verigo M.F., Kogan A.Ya. Vzaimodeystviye puti i podvizhnogo sostava [The interaction of track and rolling stock]. Moscow, Transport Publ., 1986. 560 p.
2. Lukhanin N.I., Myamlin S.V., Neduzhaya L.A., Shvets A.A. Dinamika gruzovykh vagonov s uchetom pop-erechnogo smeshcheniya telezhek [Freight cars dynamics, taking into account transversal displacement of the bogies]. Zbirnyk naukovyykh prats Donetskoho instytutu zaliznychnoho transportu [Proc. of Donetsk Institution of Railway Transport], 2012, issue 29, pp. 234-241.
3. Blokhin Ye.P., Danovich V.D., Korotenko M.L., Litvin V.A., Neduzhaya L.A., Reydemeyster O.G. Di-namicheskiye kharakteristiki i ratsionalnyye znacheniya parametrov khodovykh chastey elektrovoza DE1 [Dynamic characteristics and rational parameters of running parts of electric locomotive DE1]. Zbirnyk naukovykhprats: «Transport» [Proc. «Transport»], 2002, issue 11, pp. 8-16.
4. Yevstratov A.S. Ekipazhnyye chasti teplovozov [Vehicle-parts for locomotives]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1987. 136 p.
5. Zahalnoderzhavna prohrama adaptatsii zakonodavstva Ukrainy do zakonodavstva Yevropeiskoho Soiuzu [The nationwide program of adaptation of Ukrainian legislation to EU legislation]. Available at: http://search.ligazakon.ua/l_doc2.nsf/link1/T041629.html (Accessed 27 April 2016).
6. Zelenko Yu.V., Leshchynska A.L., Boichenko S.V. Rozrobka pryntsypiv i metodiv otsinky ekolohichnykh ryzykiv vynyknennia nadzvychainykh sytuatsii na zaliznychnomu transporti [Principles and estimation methods development of ecological risks initiation of emergency situations at railway transport]. Visnyk Dnipropet-rovskoho natsionalnoho uniersytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dni-propetrovsk National University named after Academician V. Lazaryan], 2010, issue 35, pp. 177-180.
7. Zelenko Yu.V., Myamlin S.V., Neduzhaya L.A. Sovremennyye podkhody k kontrolyu shuma ot podvizhnogo sostava i sozdaniyu shumovykh kart zheleznykh dorog [Modern approaches to the control of noise from rolling stock and the creation of noise maps of railways]. Transport Rossiyskoy Federatsii - Transport of Russian Federation, 2015, no. 3 (58), pp. 50-53.
8. Kamayev A.A. Konstruktsiya, raschet i proyektirovaniye lokomotivov [Design, calculation and design of locomotives]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1981. 350 p.
9. Mirovoy rynok lokomotivov [The global market for locomotives]. Zheleznyye dorogi mira - Railways of the World, 2010, no. 3, pp. 34-35.
10. Mirovoy rynok lokomotivov [The global market for electric locomotives]. Zheleznyye dorogi mira - Railways of the World, 2010, no. 6, pp. 44-46.
11. Mizhnarodna orhanizatsiia zi standartyzatsii (ISO/TS 108/SC 2) ISO 14837-1:2005. Mekhanichna vibratsiia. Shum i vibratsiia, shcho vynykaiut v zemli pry rusi zaliznychnoho transportu. Chastyna 1. Zahalne kerivnytstvo [International Organization for Standardization (ISO/TC 108/SC 2). ISO 14837-1:2005. Mechanical vibration. Noise and vibrations arising in the land at the motion of railway transport. Part 1. General guidance]. Kyiv, Derzhpozhyvstandart Ukrainy Publ., 2014. 45 p.
12. Mizhnarodna orhanizatsiia zi standartyzatsii (ISO/TS 108/SC 4) ISO 2631-4:2001. Vibratsiia ta udar mekhanichni. Otsinka vplyvu vibratsii vsoho tila na orhanizm liudyny. Chastyna 4. Nastanovy shchodo otsinky vplyvu vibratsii i obertalnoho rukhu na komfortnyi stan pasazhyriv ta bryhady na zaliznychnomu transporti [International Organization for Standardization (ISO/TC 108/SC 4) ISO 2631-4:2001. Vibration and impact mechanical. Evaluation of vibration influence of the whole body on the human organism. Part 4. Guidelines for assessing the impact of vibration and rotational motion on the comfortable condition of passengers and crew on the railway transport]. Kyiv, Derzhpozhyvstandart Ukrainy Publ., 2016. 9 p.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 3 (63)
13. Myamlin S.V., Pshinko A.N. Optimizatsiya parametrov ressornogo podveshivaniya relsovykh ekipazhey [Optimization of parameters of spring suspension of railway vehicles]. Visnyk Skhidnoukrainskoho natsionalnoho universytetu imeni V. Dalia [Bulletin of East Ukrainian National University named after V. Dahl], 2003, no. 9 (67), pp. 79-85.
14. Myamlin S.V., Neduzhaya L.A. Perspektivy razvitiya rynka lokomotivov i ikh khodovykh chastey [Prospects for the development of the market of locomotives and their undercarriages]. Lokomotiv-inform - Locomotive-Inform, 2014, no. 8, pp. 4-8.
15. Myamlin S.V. Programma modelirovaniya prostranstvennykh kolebaniy podvizhnogo sostava [The simulation program of spatial fluctuations of rolling stock]. Zaliznychnyi transport Ukrainy - Railway Transport of Ukraine, 2000, no. 3, pp. 52-54.
16. Myamlin S.V., Neduzhaya L.A. Sovershenstvovaniye konstruktsii khodovykh chastey lokomotivov [Improving the design of running parts of locomotives]. Nauka ta prohres transportu - Science and Transport Progress, 2013, no. 5 (47), pp. 124-136. doi: 10.15802/stp2013/17977.
17. Myamlin S.V., Zelenko Yu.V., Neduzha L.O. Parametrychna ekolohiia na zaliznychnomu transporti. Prynt-sypy, otsinka, kontrol, bezpeka [Parametric environment in railway transport. Principles, assessment, monitoring, security]. Dnipropetrovsk, Litohraf Publ., 2014. 203 p.
18. Oleshkevich L.A., Lipovoy V.V. Shum i vibratsiya kak neblagopriyatnyye faktory vneshney sredy [Noise and vibration as adverse environmental factors]. Kyiv, Znaniye Publ., 1980. 24 p.
19. Postanova KMU «Prohrama onovlennia lokomotyvnoho parku zaliznyts Ukrainy na 2012-2016 roky» [Resolution of the Cabinet of Ministers in Ukraine «Program of updates of Locomotive Park of railways of Ukraine for 2012-2016»]. Available at: http://zakon4.rada.gov.ua/laws/show/840-2011-%D0%BF 7 (Accessed 27 April 2016).
20. Roger Muller, Pau Gratacos, Pablo Mora. Definition of wheel maintenance measures for reducing ground vibration. Project co-funded by the European Commission within the Seventh Framework Programme. Available at: http://www.rivas-project.eu/fileadmin/documents/D2.7-Defini (Accessed 27 April 2016).
21. Raffler N., Ellegast R., Kraus T., Ochsmann E. Factors affecting the perception of whole-body vibration of occupational drivers: an analysis of posture and manual materials handling and musculoskeletal disorders. Ergonomics, 2016, no. 1 (59), pp. 49-60. doi: 10.1080/00140139.2015.1051598.
22. Gabriel E.J., Chhatre U.P. Vibration Analysis of In-coach Rail Travel and its Effects on Health. Intern. Journal of Scientific & Engineering Research, 2013, no. 4 (4), pp. 764-769.
23. Myamlin S.V., Luchanin M.I., Neduzha L.A. Construction Analysis of Mechanical Parts of Locomotives. TEKA Commission of Motorization and Power Industry in Agriculture, 2013, no. 3 (13), pp. 162-169.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н., проф. В. Л. Горобцем (Украта); д.т.н., проф.
С. О. Вамболем (Украта)
Надшшла до редколегп: 10.02.2016
Прийнята до друку: 01.06.2016
