Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и сравнительный анализ методов и технических средств виброизоляции грузов, транспортируемых по железной дороге 13
1.1. Анализ способов размещения и крепления грузов, транспортируемых по железной дороге ..13
1.2. Амплитудно-частотный спектр динамических нагрузок при транспортировке объектов железнодорожным транспортом 18
1.3. Виброзащитные системы и устройства с функционально-изменяемой жесткостью 27
1.4. Расчет жесткости многозвенных виброизоляторов, управляемых цифровым кодом 33
1 .5 Выводы по главе 1 39
ГЛАВА 2. Разработка и исследование системы виброизоляции с переменной загрузкой 42
2.1. Выбор и обоснование конструктивной схемы виброизоляции с переменной загрузкой 42
2.2. Разработка алгоритма микропроцессорного устройства для автоподстройки жесткостных параметров виброизоляции 49
2.3. Анализ характера изменения собственной частоты системы виброизоляции в процессе ее загрузки 56
2.4. Структурная схема микропроцессорного устройства для управления жесткостью виброизоляции 60
2.5. Математическая модель динамического нагружения адаптивной системы виброизоляции 61
2.6. Исследование эффективности работы системы виброизоляции в режимах ударного и вибрационного нагружений 67
2.7. Выводы по главе 2..78
ГЛАВА 3. Разработка базиса конструкционных элементов для систем виброизоляции грузов при железнодорожных перевозках 80
3.1. Общая методология разработки элементов виброизоляции с заданными динамическими характеристиками 81
3.2. Принципы построения конструкционных элементов для внутренней виброзащиты транспортируемых грузов 95
3.3. Принципы построения конструкционных элементов для обеспечения внешней виброзащиты
транспортируемых грузов 108
3.4. Выводы по главе 3 117
ГЛАВА 4. Методика и аппаратура для экспериментальных исследований системы виброизоляции 120
4.1. Общие требования к датчиковой аппаратуре для экспериментальных исследований системы виброизоляции 120
4.2. Разработка волоконно-оптического датчика измерения ьускорения транспортируемых грузов 122
4.3. Допусковый расчет волоконно-оптических датчиков ускорения и перемещения 132
4.4. Обеспечение устойчивости к внешним воздействиям волоконно-оптических датчиков 142
4.5. Методика проведения и результаты экспериментальных исследований макетного образца адаптивной системы виброизоляции 148
4.6. Выводы по главе 4 156
5.Заключение. Основные результаты и выводы по работе 158
Литература 161
Приложения 171
Приложение 1.1,- Тексты основных программных продуктов, используемых в системе 171
Приложение 1.2. - Пример численного интегрирования уравнений динамики (2.10) в среде Mathcad 177
Приложение 1.3 - Компьютерная программа на языке Delphi для расчета функций влияния отклонений параметров измерительного тракта волоконно-оптических преобразователей
на статистические характеристики и их результирующие погрешности 196
- Анализ способов размещения и крепления грузов, транспортируемых по железной дороге
- Выбор и обоснование конструктивной схемы виброизоляции с переменной загрузкой
- Общая методология разработки элементов виброизоляции с заданными динамическими характеристиками
- Общие требования к датчиковой аппаратуре для экспериментальных исследований системы виброизоляции
Введение к работе
Современное состояние железнодорожного транспорта характеризуется, с одной стороны, неуклонным возрастанием массы и скоростей движения поездов, а с другой - увеличением протяженности участков железной дороги с повышенным износом рельсового пути и подвижного состава [42,43,63,94]. Это приводит к возникновению неблагоприятных режимов эксплуатации железнодорожного транспорта, усугубляющихся при переходных процессах формирования и движения подвижного состава (спуск вагонов с горки, движение по криволинейному пути, трогание состава и набор скорости).
В этих условиях особое значение приобретает проблема сохранности железнодорожных грузов ответственного назначения (фрагменты аэрокосмической техники, ядерные установки, прецизионные станки и механизмы, радионавигационное оборудование с оптико-электронной аппаратурой и пр.). Это определяет необходимость разработки специальных методов и технических средств виброизоляции грузов, а также средств контроля допустимого уровня силовых и кинематических нагрузок как на объекты транспортировки, так и на применяемую аппаратуру контроля. Зачастую механические повреждения в процессе доставки по железной дороге столь существенны, что их последствия выявляются по окончанию транспортирования в виде отказов и поломок, в других случаях происходит скрытое накопление повреждений, сказывающееся в процессе дальнейшей эксплуатации транспортируемых устройств.
Возникающие на переходных режимах движения нестационарные ударные нагрузки могут достигать значительных величин, зависящих, в первую очередь, от скорости соударения вагонов [91]. Осциллограммы реальных нагрузок при продольном взаимодействии вагонов имеют сложный вид, в связи с чем также используют нормированные характеристики импульсов.
Отрицательное влияние вибрационных и ударных перегрузок при транспортировании можно уменьшить следующими мероприятиями [7]: снижением уровней динамического воздействия, возбуждаемого транспортером ( снижением виброактивности источника за счет повышения эффективности работы упругодемпфирующих элементов в подвеске и сцепке вагонов или введением скоростных ограничений при движении или формировании составов); установкой между грузом и транспортером системы виброизоляции, защищающей грузы в целом от нежелательных воздействий.
Виброизоляция- наиболее универсальный метод, обеспечивающий более высокие показатели снижения виброударного воздействия в широком диапазоне частот. Примером универсальных систем виброизоляции такого рода могут служить конструкции, описанные в работах [3,7,91,96]. В них использованы виброизоляторы с переключаемой жесткостью. Система, описанная в работе [3] предназначена для объектов массой до 2000 кг, в работе [91] - до 10000 кг. Существенным недостатком этих систем является громоздкость, необходимость перестройки виброизоляции при изменении масс защищаемых объектов.
Вопросы теоретического обоснования, экспериментальных исследований и практического применения виброизоляционной техники нашли отражение в работах известных отечественных и зарубежных ученых: Н.Д. Кузнецова, К.С. Колесникова, Г .Я. Пановко, К.В. Фролова, Р.Ф. Ганиева, М.Д. Генкина, В.П. Шорина, Д.Е. Чегодаева, А.И. Станкевича, Е.В. Шахматова, СВ. Вершинского, Л.С. Ушакова, М.Ф. Вериго, А.А. Долматова, Н.Н. Кудряшова, А.Е. Жуковского, В.П. Рослякова, Ю.П. Смирнова, А.К. Трике, Д.Е. Ружичка, Д.С. Карнопа, P.P. Аллена, В.И. Чернышева, СВ. Елисеева, Ю.В. Шатилова, А.Г. Гимадиева, С.Ф. Яцуна и др.
В указанных работах рассматриваются принципы расчета, конструирования и технической эксплуатации виброзащитных систем с постоянной и изменяемой жесткостью упругих элементов. Особенность известных систем заключается в том, что они рассчитаны на применение в транспортных средствах, предназначенных для перевозки однотипных грузов с фиксированными массой, габаритами и пространственным положением их центра масс. Однако такие системы не позволяют эффективно эксплуатировать дорогостоящие железнодорожные вагоны в тех случаях, когда необходимо производить частичную разгрузку или догрузку платформы в пути следования поезда. В этих случаях происходит дискретное изменение массы и смещение центра масс транспортируемого груза, что приводит к изменению частоты собственных колебаний системы виброизоляции и, как следствие, к недопустимому снижению уровня ее эффективности.
Для повышения эффективности известных систем виброизоляции можно либо догружать вагоны полезными или балластными грузами на станции отправления, либо осуществлять погрузку нескольких грузов ответственного назначения на одну платформу для транспортировки в попутном направлении. Однако частичная разгрузка или догрузка вагонов в пути следования приводит, как указывалось выше, к уменьшению эффективности системы виброизоляции. Использование балластных грузов приводит к нежелательному снижению коэффициента использования грузоподъемности вагонов и ускоряет износ системы виброизоляции. Кроме того, при транспортировке сравнительно легких и крупногабаритных объектов это не всегда возможно из-за ограниченности полезного объема виброизолированных вагонов. Поэтому наиболее рациональным выходом из указанной ситуации является создание систем виброизоляции, обладающих свойствами адаптации к изменению массы транспортируемого груза.
В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной разработке принципов построения элементов и систем виброизоляции с переменной загрузкой (массой защищаемого груза), математическому моделированию, расчетному и экспериментальному обоснованию технических возможностей системы в заданном диапазоне изменения масс транспортируемых грузов ответственного назначения представляется актуальной, имеющей важное значение для повышения технико-экономической эффективности процессов эксплуатации специализированного подвижного состава железных дорог.
Работа выполнялась в рамках государственной Программы по повышению безопасности движения поездов (Постановление Правительства Российской Федерации от 29.10.92 г. № 833) и хозяйственного договора № 27-00 от 20.06.2000 г.
СамГАПС с Куйбышевской железной дорогой, включенного в Основные направления научных исследований СамГАПС на 2000 - 2005 годы.
Целью диссертационной работы является разработка, теоретическое и экспериментальное обоснование адаптивной системы виброизоляции разновесных грузов ответственного назначения, обеспечивающей повышение эксплуатационных характеристик специализированного подвижного состава железных дорог.
Задачи исследования: анализ технических требований к средствам виброизоляции для различных категорий и способов крепления транспортируемых грузов; обзор и сравнительный анализ существующих методов и технических средств обеспечения виброзащиты грузов ответственного назначения, транспортируемых по железной дороге; разработка принципов построения адаптивной системы виброизоляции грузов на основе многозвенных виброизоляторов, управляемых цифровым кодом; разработка и исследование математической модели системы виброизоляции, отображающей характер ее функционирования в различных режимах динамического нагружения; разработка алгоритма функционирования и структурной схемы микропроцессорного устройства для автоподстройки частоты собственных колебаний системы виброизоляции; - разработка базиса конструктивных элементов системы виброизоляции для обеспечения внутренней и внешней зашиты транспортируемых грузов; - разработка методики и специализированной аппаратуры для экспериментальных исследований адаптивной системы виброизоляции с использованием средств волоконной оптики и микропроцессорной техники.
Методы исследования
При решении поставленных задач в работе использованы математический аппарат теории автоматического регулирования и управления, интегрального и дифференциального исчисления, теории механических колебаний, теории точности и методы численного анализа. На защиту выносятся: - расчетная схема и уравнения движения двухкоординатнои системы виброизоляции с многозвенными управляемыми гасителями колебаний; - аналитические выражения для расчета суммарной жесткости многозвенных виброизоляторов, управляемых цифровыми двоичными кодами; - результаты исследования характера изменения частоты собственных колебаний при непрерывном изменении массы и дискретном изменении ее жесткости системы виброизоляции; - алгоритм функционирования и структурная схема микропроцессорного устройства для автоподстройки жесткостных параметров двухкоординатнои системы виброизоляции, обеспечивающие постоянство частоты собственных колебаний системы при изменении массы защищаемых грузов; уравнения преобразования и методики расчета специализированной волоконно-оптической датчиковой аппаратуры для экспериментальной проверки разработанной системы виброизоляции; результаты экспериментальных исследований макетного образца разработанной системы виброизоляции.
Достоверность полученных результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований макетного образца адаптивной системы виброизоляции с цифровым управлением жесткостью упругих элементов, созданной с использованием разработанных математических моделей и алгоритмов управления, а также совпадением полученных результатов с экспериментальными и расчетными данными других авторов. Научная новизна работы: предложена расчетная схема и разработана математическая модель двухкоординатнои системы виброизоляции с управляемыми гасителями колебаний, отображающая процессы функционирования системы в режимах гармонического, ударного и вибрационного (полигармонического) нагружения; получены аналитические выражения для расчета суммарной жесткости многозвенных виброизоляторов с последовательным, параллельным и комбинированным соединением элементов, управляемых цифровыми двоичными кодами; получены расчетные соотношения, отображающие характер изменения погрешности автоподстройки собственной частоты системы при дискретном изменении ее жесткости и непрерывном изменении массы защищаемого груза; разработаны алгоритм функционирования и структурная схема микропроцессорного устройства для автоподстройки жесткостных параметров двухкоординатной системы виброизоляции, обеспечивающие постоянство частоты собственных колебаний системы за счет реализации процедур выбора необходимого количества виброизоляторов и определения их пространственного положения на опорных рамах системы; - разработаны уравнения преобразования и методики допускового расчета специализированных волоконно-оптических преобразователей информации.
Практическая ценность работы: - на основе полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны предложения по внесению дополнений и изменений в нормативно-техническую документацию, регламентирующую технологию эксплуатации специализированных вагонов на железных дорогах Российской Федерации, позволяющие повысить технико-экономическую эффективность перевозок грузов ответственного назначения в 1,5-2 раза; предложен базис конструкционных элементов для создания унифицированного ряда упругодемпферных элементов для системы внутренней и внешней виброзащиты транспортируемых грузов с требуемыми показателями качества; разработаны конструкции цифровых управляемых виброизоляторов, которые могут найти широкое практическое применение при создании интеллектуальных электромеханических систем различного назначения; разработаны методика и создана специализированная датчиковая аппаратура для натурных испытаний системы виброизоляции, основанные на использовании средств волоконной оптики и микропроцессорной техники.
Работа выполнена на кафедре «Прикладная механика» Орловского государственного технического университета (ОрелГТУ) и на кафедре «Технология грузовой и коммерческой работы, станции и узлы» Самарской государственной академии путей сообщения (СамГАПС).
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю диссертации Л.С.Ушакову, а также всем сотрудникам ОрелГТУ и СамГАПС за ценные замечания и помощь при выполнении работы.
Анализ способов размещения и крепления грузов, транспортируемых по железной дороге
Зафиксировано, что перевозка грузов по железной дороге может осуществляться повагонними, мелкими, малотоннажными, групповыми или маршрутными отправками по плану и в порядке, установленном Правилами планирования перевозок грузов по железным дорогам РФ. Там же отмечается, что грузы ответственного назначения, нуждающиеся в таре для предохранения от их утраты, недостачи, порчи и повреждения при перевозке, должны предъявляться к перевозке в исправной таре, соответствующей государственным стандартам, а грузы, на тару и упаковку которых стандарты не установлены - в специализированной таре, обеспечивающей их полную сохранность. Кроме того, погрузка и крепление грузов на открытом подвижном составе узкой колеи производятся в соответствии с техническими условиями, которые разрабатываются применительно к Техническим условиям, действующим для данного состава широкой колеи и утверждаются начальником дороги, в введении которой находятся участки узкой колеи.
Констатируются основополагающие требования к техническим условиям погрузки и крепления грузов;
а) размещение и крепление грузов на открытом подвижном составе должно выполняться в точном соответствии с действующими Техническими условиями и чертежами, утвержденными порядком, установленным МПС РФ для скоро стей движения грузовых поездов до 100 км/ч.
б) для размещения и крепления груза на открытом подвижном составе при меняются растяжки, обвязки, упорные и распорные бруски, стойки, подкладки, прокладки, щиты, турникеты и другие приспособления, а также стандартное крепление многократного использования.
Выбор и обоснование конструктивной схемы виброизоляции с переменной загрузкой
Разработка систем виброизоляции объектов, транспортируемых по железной дороге, представляет собой достаточно сложную техническую задачу [7,37,56]. Это обусловлено тем, что транспортирование грузов сопровождается широкополосными по частотному спектру (от единиц до сотен Гц) вибрационными воздействиями в сочетании с импульсными (ударными) перегрузками большой амплитуды. К тому же воздействия со стороны транспортеров носят многокомпонентный (пространственный) характер.
Коэффициент динамичности системы виброизоляции JUL, определяющий ее эффективность, зависит от соотношения частоты внешнего воздействия ю и частоты собственных колебаний 0 изолируемого объекта [5,18,29]. Известно, виброизоляция выполняется только на частотах CO поскольку на частотах 2а)й ее применение бесполезно. Следовательно, для обеспечения эффективной виброизоляции собственная частота системы должна выбираться из соотношения/о упг, где/, - низкочастотная граница спектра динамических воздействий. В соответствии с диаграммой на рисунке1.2 низкочастотная граница спектра динамических воздействий на защищаемый груз со стороны вагона равна приблизительно 2 Гц, поэтому расчетное значение собственной частоты необходимо выбрать равным 1,5 Гц. В данной работе исследуется динамика системы виброизоляции грузоподъемностью от 2 до 10 тонн. Следовательно, для обеспечения заданного уровня эффективности разрабатываемая система должна обеспечивать постоянство собственной частоты во всем диапазоне изменения ее массы. Выполнение указанных требований можно реализовать за счет дискретного изменения жесткости системы в процессе изменения ее массы. Это, в свою очередь, предопределяет необходимость использования в системе многозвенных виброизоляторов, управляемых цифровым кодом, которые позволяют получать необходимое число дискретных значений жесткости в заданном динамическом диапазоне ее изменения (см. раздел 1.4). В общем случае система виброизоляции должна выполнять функции:
- направляющего устройства, задающего определенные ограничения на траекторию движения защищаемого объекта;
- упругих элементов или собственно виброизоляторов;
- демпфирующих элементов, необходимых для рассеивания энергии в переходных и резонансных режимах, а также для повышения энергоемкости виброизоляции при ударных воздействиях.
Особая роль в компоновочной схеме отводится расположению направляющих элементов и виброизоляторов. В многокомпонентной виброзащите компоновка должна удовлетворять требованиям малой связанности колебаний по различным координатам, что устраняет возникновение нежелательных дополнительных колебаний, например, крутильных вокруг оси Z.
Общая методология разработки элементов виброизоляции с заданными динамическими характеристиками
Транспортируемые грузы ответственного назначения включают в себя системы, агрегаты и составляющие их узлы и элементы пониженной жесткости (клапанные пружинные механизмы и устройства, аппаратура контроля и диагностики параметров объектов и пр.), пневмогидротопливные комплексы, емкости (баки) и агрегаты с легковоспламеняющимися и токсичными компонентами, пиротехнические устройства повышенной пожаро-, взрывоопасности и др., сохранение работоспособности которых при экстремальных режимах движения железнодорожного транспорта сопряжено со значительными сложностями.
Представленные ниже научно обоснованные положения и практические рекомендации нацелены на достижение следующих результатов: 1. Выработка единой позиции и объединение усилий отправителей грузов и служб железной дороги в выборе и обосновании принятых способов и средств сохранности транспортируемых объектов ответственного назначения в зависимости от реального амплитудно - частотного спектра транспортных нагрузок по двум направлениям (или их комбинации):
- оснащение транспортируемых объектов (систем, емкостей, агрегатов и их элементов) встроенными в них механизмами управления, включая демпферы различной физической природы, в соответствии с действующей у отправителя грузов конструкторской документацией (внутренняя защита транспортируемого объекта);
- крепление транспортируемого объекта с виброактивным основанием вагонной платформы через упругодемпфирующую подвеску по специальным техническим условиям отправителя груза, согласованным со службами железной дороги в развитие (дополнение) действующих в МПС Правил технической эксплуатации железных дорог /71 /, упаковки и транспортировки грузов /86/, правил перевозок грузов /72/ и технических условий их погрузки и крепления (внешняя защита транспортируемого объекта).
2. Разработка и усовершенствование действующих конструкторско-технологических и эксплуатационных принципов (приемов) сохранности грузов ответственного назначения при экстремальных режимах движения, нарушении теплового режима в вагонах подвижного состава, наведении зарядов статического электричества на поверхностях транспортируемого объекта и прочих неблагоприятных ВВФ.
3. Создание высокоэффективных конструкций средств внутренней и внешней защиты транспортируемых объектов ответственного назначения от динамических нагрузок на базе виброизоляторов и демпфирующих устройств различной физической природы, в том числе с регулируемой жесткостью и демпфированием, под конкретные условия транспортировки грузов по Российским железным дорогам.
4. Разработка высоконадежных устройств и систем контроля и диагностики порога силовых и кинематических параметров виброактивных оснований вагонов и транспортируемых в них грузов, включая перспективные системы бесконтактного типа на основе оптико-волоконных следящих устройств.
Общие требования к датчиковой аппаратуре для экспериментальных исследований системы виброизоляции
Важным этапом создания системы виброизоляции является экспериментальная оценка ее эффективности. Эффективность виброзащиты можно оценить по коэффициенту снижения динамической нагруженности транспортируемого груза до и после включения системы. При этом в качестве динамических параметров могут использоваться ускорение, сила, скорость или перемещение груза в направлении координатных осей.
Независимо от вида выбранного динамического параметра, технические средства для его измерения могут быть представлены в виде сейсмо-чувствительной схемы, показанной на Конструкция сейсмочувствительного преобразователя:
Сейсмопреобразователь преобразует абсолютное перемещение корпуса, укрепленного на объекте измерения, в перемещение инерционной массы относительно корпуса. Выбирая определенным образом конструктивные параметры схемы т, с, к, можно обеспечить заданное соотношение между частотой собственных колебаний системы и граничными (верхней и нижней) частотами спектра возмущающего воздействия, необходимое для измерения либо силы, либо ускорения, либо перемещения транспортируемого груза.
