Введение к работе
Актуальность работы. Опыт эксплуатации показывает, что существующая традиционная схема опирання кузова грузового вагона на тележки не обеспечивает безопасную эксплуатацию грузовых вагонов, что проявляется в склонности к самовозбуждению колебаний виляния и потере устойчивости во время движения на прямых участках пути и в кривых большого радиуса. Это явление оказывает негативное влияние на безопасность движения, а в некоторых случаях приводит к сходу подвижного состава с рельсов. В практике эксплуатации имеются факты сходов исправных порожних грузовых вагонов на исправной рельсовой колее, при отсутствии нарушений в режимах вождения поездов из-за повышенной извилистости колесных пар.
Вагоностроительная промышленность пытается решить данную проблему путем внедрения в конструкцию грузовых вагонов боковых скользунов постоянного контакта, которые способствуют увеличению момента сил трения между кузовом и тележкой. Внедрение боковых скользунов постоянного контакта, сопряжено с необходимостью исследования влияния опор данного типа на показатели динамики, безопасность движения и износ колеса и рельса, а также выбора рациональных значений параметров упругих боковых скользунов с учетом особенностей конструкции тележки. В настоящее время, большинство применяющихся на практике отечественного вагоностроения вариантов конструкций упругих скользунов постоянного контакта являются, в основном, разработками зарубежных фирм. При этом, не смотря на наличие теоретических исследований и результатов испытаний параметры упругих элементов часто выбираются идентичными своим зарубежным аналогам. Это связано с тем, что в настоящее время не существует универсальной математической модели грузового вагона, оборудованного упругими скользунами постоянного контакта, которая позволяла бы на стадии проектирования определять диапазоны рациональных значений основных характеристик скользунов данного типа при минимальных затратах времени и средств на экспериментальные исследования, выполнять оценку динамических характеристик эксплуатируемых грузовых вагонов.
Исходя из вышеизложенного, вытекает необходимость в разработке универсальной математической модели движения грузового вагона, оборудованного скользунами постоянного контакта по пути с произвольным очертанием и определения с ее помощью рационального диапазона параметров упругих скользунов, с учетом особенностей конструкции, эксплуатации и норм
содержания грузовых вагонов и пути отечественных железных дорог исходя из обеспечения наилучших динамических показателей и уменьшения износа колеса и рельсов.
Цели и задачи работы. Цель данной диссертационной работы заключалась в исследовании показателей динамики, безопасности движения и износа колеса и рельсов при наличии упругих скользунов постоянного контакта, а также в определении диапазона рациональных значений параметров упругих скользунов.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие научные задачи:
проведен анализ конструкций современных боковых упругих скользунов постоянного контакта;
разработана уточненная математическая модель движения грузового вагона, оборудованного упругими скользунами постоянного контакта, по прямым и кривым участкам железнодорожного пути;
разработана математическая модель упругого скользуна постоянного контакта, позволяющая учитывать геометрические, упруго-диссипативные и трибологические параметры опоры, а также с высокой точностью моделировать упругокатковые скользуны.
для проверки адекватности и точности предложенной уточненной математической модели автором проведены сравнительный анализ полученных расчетных данных и сопоставление их с экспериментальными данными;
проведен системный анализ влияния параметров упругих боковых скользунов постоянного контакта на динамические характеристики грузового вагона и параметры износа в системе колесо - рельс;
на основании численных экспериментов определен диапазон рациональных величин параметров скользунов постоянного контакта по условию получения наилучших динамических параметров грузового вагона.
Общая методика исследований построена на методах планирования экспериментов, аналитической механики, имитационного моделирования и положений теории взаимодействия подвижного состава и пути. В качестве математического аппарата использована аналитическая программная среда синтеза уравнений движения «Универсальный механизм».
Научная новизна работы заключается в разработке уточненной, параметризированной математической модели движения грузового вагона, оборудованного упругими скользунами постоянного контакта по прямым и криволинейным участкам пути. Разработанная модель позволяет:
проводить широкий спектр исследований динамических характеристик грузовых вагонов основных типов, оборудованных упругими скользунами постоянного контакта при движении по участкам железнодорожного пути с произвольным очертанием с учетом воздействия неровностей рельсовых нитей;
оценивать влияние отклонений в размерах деталей вагона и износов отдельных элементов ходовых частей на динамические показатели и безопасность движения грузовых вагонов;
оценивать влияние отклонений в техническом состоянии рельсовой колеи в прямых и криволинейных участках пути на динамические показатели грузового вагона;
осуществлять подбор рациональных параметров геометрических, инерционных, жесткостных и демпфирующих характеристик элементов грузового вагона и тележки.
Основные положения, выносимые на защиту:
математическая модель движения грузового вагона, оборудованного упругими скользунами постоянного контакта;
верификация разработанной модели, в частности связи кузова с тележкой и клиновой системы гашения колебаний;
оценка влияния основных параметров упругих боковых скользунов постоянного контакта на безопасность движения и износ колеса и рельса;
результаты исследований по выбору рациональных параметров упругих скользунов постоянного контакта;
оценка влияния каткового механизма упругокаткового скользуна на безопасность движения и износ колеса и рельса.
Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обусловлена корректностью применяемых автором математических методов, обоснованностью принятых допущений, большим объемом имитационных экспериментов и обоснованием адекватности разработанных математических моделей, выполненным путем сравнения расчетных и экспериментальных данных.
Практическая ценность проведенных исследований.
Разработанная в работе уточненная математическая модель грузового вагона, оборудованного упругими боковыми скользунами постоянного контакта, позволяет уже на стадии проектирования определять диапазоны рациональных значений основных характеристик опор данного типа при минимальных затратах времени и средств на экспериментальные исследования, выполнять оценку динамических характеристик грузовых вагонов, оборудованных скользунами постоянного контакта, а также проведение мероприятий по модернизации.
Методами компьютерного моделирования выполнены исследования влияния параметров упругих скользунов постоянного контакта на ходовые качества грузовых вагонов, безопасность их движения и износ в системе «колесо-рельс», а также выбраны значения параметров боковых скользунов постоянного по условиям получения наилучших оцениваемых показателей.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на IX-KXII Международной научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» МИИТ, 2008-К2011 гг., г. Москва; заседаниях кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» МГУПСа в 2008-2011 гг., г. Москва.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе три работы входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК России.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов по результатам исследований, 4-х приложений и списка использованной литературы, включающего 246 наименований, изложена на 142 страницах и поясняется 120 рисунками, 24 таблицами.
Автор выражает признательность научному руководителю Г.И. Петрову за помощь и поддержку в работе, а также сердечно благодарит профессоров П.С. Анисимова, В.Н. Филиппова, Д.Ю. Погорелова за ценные научные консультации при подготовке работы.
