Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса. цель и задачи исследований 6
1.1. Состояние вопроса 6
1.2. Разновидности современных поглощающих аппаратов 9
1.3. Обзор современных исследований. Цель и задачи исследований 24
2. Оценка эффективности работы поглощающих аппаратов 33
2.1. Основные показатели работоспособности поглощающих аппаратов и их нормирование 33
2.2. Технико-экономические критерии эффективности работы поглощающих аппаратов 39
2.3. Расчетная оценка критериев эффективности с использованием методики имитационного моделирования нагруженности вагона 49
2.3.1. Методика расчета критериев эффективности 49
2.3.2. Математическое моделирование маневровых операций 52
2.3.3. Особенности математического моделирования переходных режимов движения поезда 62
2.3.4. Математические модели различных типов вагонов, оборудования и перевозимых грузов 66
2.3.5. Основы построения физических и математических моделей поглощающих аппаратов автосцепки 71
2.3.5.1. Фрикционные поглощающие аппараты 71
2.3.5.2. Резинометаллические поглощающие аппараты 92
2.3.5.3. Полимерные амортизаторы 97
2.3.5.4. Гидропружинные и гидрогазовые поглощающие аппараты 98
2.3.5.5. Эластомерные поглощающие аппараты 102
2.3.5.6. Комбинированные фрикционные амортизаторы 105
2.3.5.7. Гидрополимерные амортизаторы 111
2.4. Совершенствование методики оптимизации поглощающих аппаратов 113
2.4.1. Структурная и параметрическая оптимизация поглощающих аппаратов 113
2.4.2. Выбор критериев оптимизации 115
2.4.3. Разработка алгоритмов оптимизации с использованием современных численных методов 121
3. Проектирование поглощающих аппаратов авто сцепки 126
3.1. Фрикционные поглощающие аппараты 126
3.1.1. Использование современных фрикционных материалов 127
3.1.2. Разработка новых конструкций аппаратов 134
3.1.2.1. Модификация аппарата ПМК-110 с автоматической компенсацией износа 134
3.1.2.2. Использование полимерного возвратно-подпорного устройства 137
3.1.2.3. Гидрофрикционные поглощающие аппараты 142
3.1.2.4. Фрикционный амортизатор с эластомерной вставкой 145
3.1.2.5. Аппараты с объемным распором 147
3.1.3. Особенности математического моделирования работы фрик ционных аппаратов 151
3.1.3.1. Фрикционно-полимерный аппарат ПМКП-110 151
3.1.3.2. Гидрофрикционный аппарат ПМКГ-110 158
3.1.3.2. Фрикционно-эластомерный аппарат ПМКЭ-110 168
3.1.3.3. Расчет характеристик аппаратов с объемным распором 170
3.1.4. Оптимизация параметров фрикционных поглощающих аппаратов 180
3.1.4.1. Пружинно-фрикционные поглощающие аппараты 181
3.1.4.2. Фрикционно-полимерные поглощающие аппараты 190
3.1.4.3. Гидрофрикционные поглощающие аппараты 193
3.1.4.4. Фрикционно-эластомерные поглощающие аппараты 200
3.1.5. Экспериментальные исследования фрикционных погло
щающих аппаратов 204
3.1.5.1. Испытания поглощающих аппаратов ПМКП-ПО 204
3.1.5.2. Экспериментальные исследования гидрофрикционных поглощающих аппаратов ПМКГ-ПО 223
3.1.5.3. Экспериментальные исследования фрикционно-эластомерных поглощающих аппаратов ПМКЭ-110 229
3.2. Эластомерные поглощающие аппараты 244
3.2.1. Основные положения конструирования эластомерных поглощающих аппаратов 245
3.2.2. Разработка математических моделей эластомерных поглощающих аппаратов 248
3.2.3. Оптимизация параметров эластомерных поглощающих аппаратов 250
3.2.4. Экспериментальные исследования эластомерных поглощающих аппаратов 254
3.3. Гидрополимерные аппараты 263
3.3.1. Особенности конструирования гидрополимерных аппаратов...263
3.3.2. Расчет характеристик и оптимизация параметров гидрополимерных поглощающих аппаратов 270
3.3.3. Экспериментальные исследования аппарата ГП-120А 280
4. Эффективность применения современных поглощающих аппаратов для различных эксплуатационных режимов 284
4.1. Сравнительная оценка эффективности работы поглощающих аппаратов при маневровых соударениях для различных типов вагонов 284
4.1.1. Грузовые вагоны 284
4.1.2. Контейнерные платформы 287
4.1.3. Цистерны 292
4.2. Особенности работы поглощающих аппаратов при поездных режимах эксплуатации 295
4.2.1. Расчет характеристик при трогании поезда 296
4.2.2. Расчеты торможения поезда 299
4.2.3. Исследование работы поглощающих аппаратов в длинносос-тавных и наливных поездах 301
4.2.4. Влияние начальной затяжки поглощающих аппаратов на продольную нагруженность вагона 305
4.3. Статистические распределения продольных сил, действую щих на грузовой вагон в эксплуатации 310
5. Общие результаты и выводы. Пути повышения эффективности поглощающих аппаратов автосцепки. 316
Литература
- Разновидности современных поглощающих аппаратов
- Технико-экономические критерии эффективности работы поглощающих аппаратов
- Модификация аппарата ПМК-110 с автоматической компенсацией износа
- Особенности работы поглощающих аппаратов при поездных режимах эксплуатации
Введение к работе
Железнодорожный транспорт России переживает сейчас достаточно ответственный период реформирования. Наблюдающийся в последние годы рост экономики и, соответственно, объемов перевозок требует от перевозчиков обеспечить своевременную и качественную доставку грузов. Это может быть достигнуто при условии эксплуатации современных надежных грузовых вагонов, удовлетворяющих возросшим требованиям народного хозяйства. Специалисты ОАО "РЖД" и ведущих научных организаций отрасли разработали Программу развития грузового вагоностроения на 2004 — 2010 гг. Она предусматривает создание вагонов нового поколения с улучшенными потребительскими свойствами и технико-экономическими параметрами [79]. Одно из направлений при проектировании таких конструкций - повышение надежности и долговечности автосцепного устройства, в том числе за счет применения высокоэнергоемких поглощающих аппаратов, позволяющих обеспечить сохранность перевозимого груза и самого вагона.
Разновидности современных поглощающих аппаратов
По основным рабочим элементам и принципу поглощения энергии амортизаторы удара обычно подразделяют на пружинные, пружинно-фрикционные (фрикционные), резиновые (резинометаллические), полимерные, эластомерные, гидравлические, а также комбинированные, включающие различные виды рабочих элементов (резинофрикционные, гидрофрикционные, гидрополимерные).
В настоящее время наибольшее применение на отечественном и зарубежном подвижном составе нашли фрикционные, гидрофрикционные, эластомерные, резинометаллические и гидрополимерные амортизаторы удара.
Фрикционные поглощающие аппараты. Благодаря простоте конструкции, низкой стоимости изготовления, а также неприхотливости в эксплуатации они получили самое широкое распространение. Во фрикционных амортизаторах при ударном сжатии основная часть воспринятой амортизатором удара энергии затрачивается на работу сил трения.
В настоящее время в России на грузовых вагонах различных лет постройки установлены шестигранные фрикционные поглощающие аппараты Ш-1-ТМ, Ш-2-В90, Ш-2-Т, Ш-6-Т04, пластинчатые поглощающие аппараты ПМК-110А, ПМК-110К-23. На грузовых вагонах железных дорог США [171] широко применяются шестигранные аппараты фирмы "Miner" ("Майнер"), пластинчатые фирм "Keystone" ("Кейстоун") и "Westinghouse" ("Вестингауз").
Система производства, ремонта и эксплуатации таких аппаратов хорошо отлажена, имеются успехи в повышении ресурса и надежности их работы. Переход от одного типа фрикционного аппарата к другому обычно не вызывает значительных капиталовложений или перестройки производства. Основной недостаток фрикционных аппаратов - относительно низкие значения коэффициента полноты силовой характеристики 0,23 + 0,32 и, соответственно, энергоемкости; меньшие значения - для аппаратов с парой трения сталь-сталь, большие значения - для пары трения сталь-металлокерамика. При применении пары трения сталь-сталь наблюдается специфический скачкообразный характер изменения продольных сил и склонность к заклиниванию.
Другим известным недостатком серийных фрикционных аппаратов является невыгодная для условий работы в поезде силовая характеристика: высокое начальное усилие и значительная зона застоя (анкилозис) приводят к слабой связи силы и хода аппарата; поэтому большую часть времени переходного процесса аппараты практически не работают, а динамические процессы поезда определяются в основном упругодиссипативными свойствами системы вагон-груз.
Таким образом, совершенствование конструкции аппаратов фрикционного типа, методики их расчета и оптимального проектирования имеет большое значение. Результаты эксплуатации и экспериментальных исследований, проводившихся в нашей стране и за рубежом, позволяют определить наиболее рациональные конструктивные схемы, которые могут быть практически осуществимы. Можно выделить следующие признаки апробированных современной практикой конструкций фрикционных поглощающих аппаратов (рис. 1.1): - тип возвратно-подпорного устройства амортизатора; - способ создания давления на поверхностях трения; - используемая пара трения; - связь с тяговым хомутом.
Для фрикционных амортизаторов в качестве возвратно-подпорного устройства используются пружины (рис. 1.2, а -ж); применение для большинства современных аппаратов заневоленных пружин из высокопрочных сталей марок 60С2ХФА, 60С2ХА позволяет получить значительную энергоемкость комплекта при линейной характеристике подпорной части.
Наиболее распространенным способом создания давления на поверхностях трения является клиновой распор (рис. 1.2, а, в - ж), позволяющий получать большие нормальные нагрузки и регулировать их значение путем изменения геометрических параметров клиновой системы аппарата. Принципиально различные конструкции аппаратов с клиновым распором отражают схемы на рис. 1.2, а, в, г. Наиболее простая односекционная схема (аппараты Ш-1-ТМ, Ш-2-Т, Ш-2-В, Ш-6-ТО-4 и т. п.) позволяет разместить пружины максимальной для заданных размеров аппарата [88] высоты и, соответственно, энергоемкости.
Секционные аппараты (рис. 1.2, в) дают возможность получить высокие значения коэффициентов передачи при относительно небольших величинах угла а в каждой секции, что способствует большей стабильности их работы. В амортизаторах, названных пластинчатыми (рис. 1.2, г, д), того же эффекта удается добиться путем увеличения числа параллельно работающих поверхностей трения (аппараты типа ПМК, аппарат ПФ - 4 ВНИИЖТ [2, 25], аппараты фирм "Майнер" и "Вестингауз"). Большим преимуществом пластинчатой схемы является возможность освободить корпус аппарата от функции трения и сделать его практически неизнашиваемым при использовании съемных фрикционных вкладышей.
Технико-экономические критерии эффективности работы поглощающих аппаратов
Для наиболее полной оценки свойств амортизирующего устройства с позиций его основного назначения необходимо использовать критерий экономической эффективности, учитывающий затраты на ремонт поврежденных продольными нагрузками грузовых вагонов, ущерб от отцепок и простоев вагонов и аварийных поездных ситуаций, возникающих вследствие неудовлетворитель ной работы поглощающего аппарата, а также затраты на производство, эксплуатацию и ремонт поглощающего аппарата.
Оценка критерия экономической эффективности при проектировании амортизатора удара - достаточно сложная задача прогнозирования связи указанных затрат со свойствами поглощающего аппарата. Задача определения связи свойств аппарата с нагруженностью вагона в эксплуатации продольными силами с достаточной точностью решается с помощью экспериментальных данных и усовершенствованных математических моделей, имитирующих работу межвагонной связи при соударениях на маневрах и движении поезда. Более трудной является другая часть общей задачи - установление связи нагруженно-сти вагона с ремонтными и прочими затратами. Даже приближенное ее решение вызывает необходимость проведения детального анализа данных о физической природе отказов элементов вагона.
Решение задачи осложнено тем, что в некоторых случаях трудно разграничить повреждения, вызванные продольными или другими силами; повреждения различной физической природы могут быть взаимосвязаны; связь между нагрузками и вызываемыми ими повреждениями имеет стохастический характер. Кроме того, необходимо учитывать различный частотный состав нагрузки, технологические отклонения и нестабильность свойств материала при действии одинаковых нагрузок на различные образцы вагонов одного и того же типа. В последнем случае различными окажутся повреждения даже у вагонов одного и того же типа в зависимости от срока их службы или температуры окружающей среды.
Установление связи продольных нагрузок и вызываемых ими повреждений вагона, принимая во внимание перечисленные факторы, затруднительно. Поэтому при разработке критериев эффективности поглощающих аппаратов, использующихся в основном для сравнения различных конструкций, можно ограничиться рассмотрением некоторых моделей, которые отражают наиболее важные стороны процесса разрушения [214].
Усталостные повреждения. При оценке усталостных повреждений дета лей вагона, вызванных продольными силами, принято основное допущение: для вагона как системы, состоящей из многих элементов, справедлива кривая усталости, аналогичная кривой усталости отдельных его деталей. Связь между продольными силами Р и числом циклов нагружения до разрушения N описывается формулой P = P6(N6/N),/m , где Рв - разрушающая нагрузка при базовом числе циклов нагружений N6;m -параметр кривой усталости.
С использованием гипотезы о линейном суммировании повреждений об щая усталостная повреждаемость конструкции определяется: 1 п- 1 1 где и, - число нагружений продольными силами Р,.
Так как изменяющееся во времени продольное усилие Р представляет собой нестационарный случайный процесс, для определения Pt используют различные методы схематизации нагрузок [169].
Исключая в последней зависимости постоянные, получаем условную усталостную повреждаемость Jycm (в относительных единицах), которая может быть представлена, как один из критериев повреждаемости вагона
Впервые критерий такого типа был предложен в работе [206]. Ущерб Uycm от усталостных повреждений отдельных элементов вагона можно считать пропорциональным условной усталостной повреждаемости "уст ССуст Jycm где (ХуСт - коэффициент пропорциональности.
Повреждения от единичных перегрузок. По данным эксплуатации вагонов на сортировочных горках большая доля ущерба обусловлена повреждениями вагона, связанными с действием однократных, но значительных нагрузок [27, 97, 217, 250, 257]. Повреждающее действие отдельных перегрузок для кон 42 струкции или оборудования вагона начинается с некоторых пороговых сил Рп, которые зависят от типа вагона, характера перевозимого груза и его закрепления, температурных условий и т.п. По данным [214] Рп обычно принимается 1,8 -г 2,2 МН. При дальнейшем увеличении ударных нагрузок ущерб значительно возрастает. Даже однократное действие усилий, равных 3,0 -г 3,5 МН, приводит к повреждениям, вызывающим необходимость немедленного ремонта; усилия, превышающие 3,5 4- 4 МН, как правило, приводят к авариям и значительному разрушению вагона.
Модификация аппарата ПМК-110 с автоматической компенсацией износа
Модификация аппарата ПМК-110 с автоматической компенсацией износа Пластинчатые фрикционные поглощающие аппараты, несмотря на сравнительно высокие по сравнению с шестигранными схемами показатели, имеют нестабильные силовые характеристики, что связано с особенностью возврата в исходное положение подвижных фрикционных пластин. Пластины возвращаются в исходное положение опорой, поджатой комплектом пружин. При этом между ребрами подвижных пластин и выступами опоры предусмотрен компенсационный зазор "а" (равный соответственно ходу первой ступени), уменьшающийся по мере износа деталей аппарата (рис. 3.5). Несмотря на выбор величины зазора, достаточной для всего срока эксплуатации, возможны ситуации, когда при интенсивной выработке поверхностей трения зазор "а" уменьшается до нуля. В этом случае нагрузка от автосцепки непосредственно воспринимается пружинами, распорное _ усилие резко уменьша ется, фрикционная часть практически выключается из работы, и энергоемкость аппарата резко падает, приближаясь к энергоемкости пружинного комплекта.
Для устранения этого недостатка с участием автора была разработана и защищена авторским свидетельством [14] конструкция фрикционного поглощающего аппарата ПМК-110Б с автоматической компенсацией износа.
Поглощающий аппарат ПМК-11 ОБ (рис. 3.6) содержит полый корпус 1, в котором размещены нажимной клин 2, фрикционные клинья 3, контактирующие с поджатой пружинами 4 опорой 5, подвижные фрикционные пластины 6 и неподвижные фрикционные пластины 7 с износоустойчивыми металлокерами-ческими элементами 11. Подвижные фрикционные пластины 6 снабжены выступами 9, а нажимной клин 2 выполнен с тягами 10, контактирующими с выступами 9 подвижных фрикционных пластин 6. Стяжной болт 8 удерживает аппарат в сборе. При необходимости обеспечения хода первой ступени "а" тяги 10 нажимного клина углубляют на соответствующую величину.
Техническим преимуществом поглощающего аппарата ПМК-ИОБ является использование нажимного клина для возврата в исходное положение после ударного сжатия подвижных фрикционных пластин. Положение пластин фиксируется однозначно и определяется положением нажимного клина независимо от износа деталей аппарата. При восстановлении аппарата после ударного сжатия нажимной клин 2 под действием выталкивающей силы подпорно-возвратных пружин 4 перемещается в исходное положение, увлекая за собой подвижные пластины 6 с выступами 9.
После изготовления опытных образцов и проведения испытаний [100] конструкция аппарата была рекомендована к внедрению.
Описанное изобретение послужило прототипом при создании другого поглощающего аппарата (конструкция также защищена авторским свидетельством [16]), детали которого удерживаются в сборе без болта. Поглощающий аппарата ПМК-110В (рис. 3.7) содержит корпус 1, в котором размещен нажимной клин 2 с тягами 3, неподвижные фрикционные пластины 4, подвижные фрикционные пластины 5 с ребрами 6, взаимодействующими с тягами 3 нажимного клина 2, фрикционные клинья 7, расположенные в контакте с поджатой пружинами 8 опорой 9. В стенках 10 и 11 нажимного клина 2 выполнены отверстия 12, в которых установлены тяги 3, фиксирующиеся выступами 13 и шплинтами 14. Неподвижные фрикционные пластины 4 снабжены боковыми выступами 15, а подвижные фрикционные пластины 5 - зацепами 16, взаимодействующими с выступами 15.
Работает аппарат следующим образом. Под действием сжимающей нагрузки упорная плита автосцепного устройства перемещает нажимной клин 2, подвижные фрикционные пластины 5 с зацепами 16, фрикционные клинья 7, одновременно сжимая пружины 8. После окончания ударного сжатия нажимной клин 2 под действием пружин 8 возвращается в исходное положение, увлекая за собой подвижные пластины 5 с ребрами 6 посредством тяг 3.
Особенности работы поглощающих аппаратов при поездных режимах эксплуатации
Гидрофрикционные поглощающие аппараты Рассмотрим в качестве объекта параметрической оптимизации пластинчатый аппарат ПМКГ-110 (рис. 3.9, 3.10), созданный на базе серийного аппарата ПМК-110А, внутренняя пружина которого заменена гидровставкой клапанного типа (обоснование выбора такой конструкции изложена п. 3.2.2.). Аппарат проектировался для рефрижераторных вагонов постройки БМЗ.
Характеристики поглощающего аппарата можно менять в широких пределах, варьируя параметрами гидровставки, в то же время изменение размеров элементов гидровставки практически не сказывается на цене ее изготовления. Поэтому параметры фрикционной части при оптимизации можно считать постоянными, задав лишь достаточное для стабильной работы поверхностей трения значение управляющего угла а клиновой системы (в нашем случае а 38). Такой угол обеспечивает достаточную энергоемкость аппарата даже в случае отказа гидровставки.
Таким образом, в качестве управляющих параметров в задаче оптимизации были выбраны: Si - площадь постоянных дроссельных отверстий; S2 - площадь дроссельных отверстий клапана высокого давления; с,,,, - жесткость пружины клапана; zo - начальная затяжка пружины клапана. Исходя из конструктивных соображений и учитывая реальные физические процессы, происходящие при ударном сжатии гидровставки, на управляющие параметры были наложены ограничения: 3 мм Si 50 мм ; 10мм2 S2 400 мм2; 2 кН/м ст 60 кН/м ; 0 zo 50 мм. Наряду с указанными ограничениями оптимальный вектор проверялся на превышение допустимых по соображениям прочности значений давления в гидровставке (70 -г 80 МПа).
Для объекта оптимизации - гидрофрикционного поглощающего аппарата ПМКГ-110 - был выбран вектор управляющих параметров ( Sj , S2 , с , z0 ), определена область вариации параметров. Задача оптимизации сводится к минимизации целевой функции J06 путем соответствующего выбора управляющего вектора, удовлетворяющего наложенным ограничениям.
В связи с громоздкостью вычислений целевой функции (многократное интегрирование системы существенно нелинейных дифференциальных уравнений) ограничимся рассмотрением маневровых соударений рефрижераторного вагона. При этом используются две расчетные модели маневровой операции: простейшая - удар рефрижераторного вагона в жесткий упор, имитирующая соударение двух одинаковых вагонов (рис. 2.7 б), и более сложная - удар гру зового вагона в неподвижно стоящий рефрижераторный (рис. 3.35) - наиболее часто встречающаяся в эксплуатации ситуация. В первом приближении задача оптимизации решается для упрощенной модели, затем результаты уточняются для второй расчетной модели. Целевая функция - условная повреждаемость J06 вычислялась в соответствии с зависимостью (2.13) без учета повреждаемости оборудования и грузов и повреждений от аварийных ситуаций: J об Jycm Уп.в п.в ІУ "7 JycmK Jneопределялись по формулам (2.1) и (2.5).
На каждом шаге оптимизации проводились расчеты процессов соударения в соответствии со статистическими распределениями масс и скоростей для перспективных условий эксплуатации [272, 273].
Необходимо отметить, что в представленных моделях повреждаемость вагона, оборудования и груза определяется продольной нагрузкой на вагоне. Однако, хотя такая связь и есть, повреждения грузов в рефрижераторных вагонах чаще всего связаны с выходом из строя холодильного оборудования из-за больших смещений при ударах. Поэтому одним из этапов оптимизации является расчет повреждаемости на уточненной математической модели рефрижераторного вагона, рассматривающей колебания различных деталей холодильного оборудования (третья расчетная модель соударения, имитирующая удар вагона в упор, приведена на рис. 3.36). Дифференциальные уравнения, описывающие процесс соударения для такой расчетной модели, имеют вид: mj x} +P]-Fj-F2= 0; m2x2-P1+P2=0; m3x3 +Fj = 0; m4x4 +F2-F3 -F4 -F5= 0; (3.45) m5x5 +F3= 0; m6x6+F4=0; m7x7 +F5=0. где mi - масса рефрижераторного вагона; / -приведенная масса автосцепного устройства, гпз, т4, т me,mj - массы, имитирующие холодильное оборудование; Pi - сила на вагоне; Р2 - сила сопротивления аппарата ПМКГ-110;; Fi -F5 - силы в связях между массами оборудования и кузовом вагона.
