Введение к работе
Актуальность темы. Одним из основных требований, предъявляемых к тяговому подвижному составу, является снижение воздействия на путь за счет снижения неподрессоренных масс при относительном росте осевой мощности тяговых двигателей. Одним из путей решения этой задачи является применение тяговых приводов с подрессоренными не только тяговыми двигателями, но и редукторами. При этом так же решается задача повышения надёжности элементов тяговых электрических двигателей и редукторов за счет снижения действующих на них динамических нагрузок при движении экипажа по железнодорожному пути.
Электропоезда, спроектированные в 1957-1958 гг. и построенные на Рижском вагоностроительном заводе, уже не удовлетворяют современным требованиям эксплуатации. Они имеют малые межремонтные пробеги, большие затраты на обслуживание и ремонт. Демиховский машиностроительный завод (ЦМЗ) построил электропоезд нового поколения с тяговым приводом класса III, имеющим асинхронные тяговые двигатели (АТД).
Однако динамические испытания нового электропоезда с этим классом тягового привода выявили ряд недостатков, заключающиеся в появлении повышенных вибраций в кузове при скоростях движения 80, 90, ПО, 120 км/ч с преобладающими частотами вибрации 36,5 Гц, 41,5 Гц, 44,5 Гц.
Анализ зависимостей среднеквадратичных значений вибраций кузова и корпусов тяговых двигателей показал резонансный характер этих зависимостей со значительным уровнем вибраций в полосе частот от 30 до 55 Гц.
Анализ результатов динамической балансировки роторов тяговых двигателей прототипа электропоезда показал превышение нормы по точности балансировки в несколько раз. В данном случае это нарушение технологии производства тяговых двигателей.
При существующей технологии проектирования и изготовления тяговых
двигателей для электропоездов периодические возмущения за счет только
остаточных дисбалансов вращающихся частей тягового двигателя могут
занимать диапазон возмущений с частотами от 20 до 80 Гц при скоростях
движения экипажа от 40 до 160 км/ч. Кроме этих возмущений, возникают
| СОС. НАЦИОНА.. .«л*
І БИБЛИОТЕКА
возмущения от зубчатой передачи, которые занимают более высокий диапазон частот от 250 до 2500 Гц при учете трех гармоник частот пересопряжения зубьев Таким образом, задача разработки научных положений для проектирования тяговых приводов подвижного состава с улучшенными динамическими качествами, с учетом специфических требований, является актуальной, и может быть решена с использованием современных компьютерных технологий в проектировании и расчетах механических конструкций, в частности, с помощью численного эксперимента по программам, реализующим алгоритмы метода конечных элементов.
Цель исследования. Учитывая, что при эксплуатации электропоезда, кроме остаточных дисбалансов, возможна разбалансировка роторов, была поставлена цель, которая состоит в повышении безопасности движения поездов путем улучшения динамических качеств электропоезда, имеющего тележки с рамным подвешиванием тягового двигателя и редуктора (тяговый привод класса III). Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
оценить возможные возмущающие факторы, действующие на элементы привода и возникающие в самом приводе;
исследовать взаимосвязи между рамой тележки и элементами тягового привода как системы с сосредоточенными параметрами;
исследовать взаимосвязи между рамой тележки и элементами тягового привода как системы с распределенными параметрами;
разработать принципы компоновки тягового привода на раме тележки для достижения требуемых динамических качеств электропоезда.
Методика исследований. В работе использованы методы теории колебаний, математического моделирования, конечных элементов, численного эксперимента, численного решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Численный эксперимент проводился с использованием программного комплекса на базе пакетов программ CAD/CAE MSC/NASTRAN и Solid Works. Численное решение дифференциальных уравнений проводилось с использованием программы MathCad.
Экспериментальные исследования проводились на натурном объекте с использованием современной системы регистрации и анализа вибраций конструкций на базе переносного компьютера с пакетом обработки сигналов (ПОС) НПО «Мера».
Научная новизна. В диссертации представлены новые научные результаты, определяющие направления в разработке и технической реализации конструкций тяговых приводов с подрессоренными тяговым двигателем и редуктором, а также схем их опирання на раму тележки.
Научная новизна состоит в следующем:
- разработаны принципы проектирования тяговых приводов класса III на
основе дискретных математических моделей и моделей с распределенными
параметрами;
- установлены причины повышенных ускорений кузова моторного вагона
электропоезда, рамы тележки и элементов тягового привода класса III;
- предложена методика выбора параметров устройств связи моторно-
редукторных блоков с рамой тележки.
Основные результаты:
- выполнен анализ неисправностей тяговых приводов существующих
серий электропоездов, эксплуатирующихся на железных дорогах России,
который показал, что имеется необходимость в применении тягового привода
класса III с асинхронными тяговыми двигателями;
- установлен основной возмущающий фактор, вызывающий вибрации
кузова - вращение неуравновешенного ротора тягового двигателя;
- выполнен анализ методов моделирования, применяемых для
исследования колебаний тяговых приводов, и установлено, что описание
тяговых приводов класса III дискретными динамическими моделями
недостаточно, особенно когда массы тягового привода и рамы тележки
соизмеримы. Для анализа совместных колебаний рамы тележки и тяговых
приводов необходимо использовать конечно - элементные модели;
- показано, что первые четыре формы колебаний системы «рама тележки -моторно-редукторные блоки» в прототипе электропоезда определяются
колебаниями масс моторно-редукторных блоков на раме тележки как на эквивалентном упругом элементе, что является особенностью тележек с тяговым приводом класса III;
- для устранения воздействий, передающихся на раму тележки от дисбаланса ротора, необходимо в опорах моторно-редукторного блока на раме тележки применять резинометаллические элементы с коэффициентами жесткости, устраияющими взаимосвязь форм колебаний МРБ и создающими эффект виброизоляции рамы тележки от воздействий неуравновешенного ротора.
Практическая ценность. Обоснованы принципы и даны рекомендации по компоновке тягового привода на раме тележки для достижения требуемых динамических качеств электропоездов, имеющих тележки с тяговым приводом класса III.
Реализация работы. Разработанные принципы и возможные технические решения переданы Демиховскому машиностроительному заводу для модернизации существующего прототипа моторной тележки электропоезда с тяговым приводом класса III, а также для учета рекомендаций при разработке новых тележек для электропоездов.
Апробация работы выполнена путем публикации основных положений, рекомендаций, выводов и представления докладов на научно - практических конференциях в ВЭлНИИ и в представительстве компании MSC - Software в 2002 - 2004 гг., а также на заседании секции «Динамика и прочность» Научно-технического семинара кафедры «Электрическая тяга» МИИТа.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 95 наименований и семи приложений. Объем основного текста - 169 страниц, включая 10 таблиц и 119 рисунков.
