Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние парка электропоездов ЭР2 и анализ работ по исследованию динамики подвижного состава 9
1.1 Анализ повреждаемости электропоездов ЭР2 9
1.2 Анализ работ по исследованию динамики подвижного состава 14
2 Концепция модернизации ходовой части моторного вагона электропоезда ЭР2 27
2.1 Общие требования для модернизации моторных тележек 27
2.2 Предварительный выбор параметров гидрофедера для модернизации буксового узла моторной тележки электропоезда ЭР2 33
2.3 Динамическое моделирование колебаний экипажа моторного вагона электропоезда ЭР2 с гидрофедерами модели 230303В-1 42
3 Модернизация буксовых узлов моторных тележек электропоезда ЭР2. экспериментальные исследования 88
3.1 Модернизация рамы тележки на МЛРЗ 88
3.2 Оборудование моторного вагона электропоезда ЭР2 № 121912 для проведения динамико-прочностных испытаний 91
3.3 Статические испытания моторного вагона электропоезда ЭР2 98
3.4 Ходовые динамико-прочностные испытания 106
4 Выбор рациональных параметров первой (буксовой) ступени подвешивания электропоезда ЭР2 для модернизации 121
4.1 Сравнение экспериментальных данных и результатов теоретических исследований 121
4.2 Вариантные исследования на математической модели системы «экипаж-путь» влияния жесткостных и диссипативных связей колесных пар с рамой тележки на показатели динамики вагона 138
4.3 Выбор характеристик гидрофедеров для модернизации первой (буксовой) ступени подвешивания 157
5 Экономическая эффективность применения гидрофедеров на электропоездах ЭР2 162
Заключение 171
Список литературы 173
- Анализ работ по исследованию динамики подвижного состава
- Предварительный выбор параметров гидрофедера для модернизации буксового узла моторной тележки электропоезда ЭР2
- Оборудование моторного вагона электропоезда ЭР2 № 121912 для проведения динамико-прочностных испытаний
- Вариантные исследования на математической модели системы «экипаж-путь» влияния жесткостных и диссипативных связей колесных пар с рамой тележки на показатели динамики вагона
Введение к работе
Актуальность работы. Изменения, происходящие в настоящее время в
российском обществе, затрагивают все сферы деятельности, в том числе и транспортную. Возрастает мобильность населения, растут требования к качеству предоставляемых транспортных услуг.
На этом фоне все заметнее проявляется разрыв между современными требованиями, предъявляемыми к пригородному подвижному составу и его реальным состоянием.
В этих условиях становится актуальным поиск дополнительных путей повышения технического уровня и потребительских качеств существующего отечественного моторвагонного подвижного состава.
На Российских железных дорогах более 40% от совокупного пробега электропоездов постоянного тока составляет пробег электропоезда ЭР2 и его модификаций. Поэтому показатели работы электропоезда ЭР2 играют определяющую роль при оценке работы пригородного подвижного состава сети ж.д. Также электропоездам этой серии принадлежит и лидерство по количеству неисправностей, в том числе механического оборудования.
На стоимость жизненного цикла этих поездов в наибольшей степени влияют повреждения колесно-моторного блока, связанные с конструкцией буксовых связей колесных пар с рамой тележки. Фрикционные гасители колебаний первой ступени подвешивания обладают крайне неопределенными характеристиками энергопоглощения, что усугубляется массовым выходом из строя их шарниров и потерей функциональной работоспособности гасителей. Отказ механизмов демпфирования колебаний первой ступени рессорного подвешивания приводит к увеличению амплитуд галопирования и подпрыгивания тележки, что вызывает значительное повышение нагрузок в узлах и деталях колесно-моторного блока и рамы тележки.
В связи с изложенным, работа по модернизации узлов связей колесных пар с рамой тележки (первой ступени подвешивания) с целью обеспечения динамических показателей экипажа моторных вагонов электропоездов ЭР2 в соответствии с требованиями норм безопасности НБ ЖТ ЦТ 03-98, стабильности этих показателей между плановыми ремонтами и сокращения
эксплуатационных расходов на обслуживание и ремонт является актуальной.
Целью настоящей работы является повышение эксплуатационных свойств и снижение стоимости жизненного цикла моторных вагонов электропоездов ЭР2 и их модификаций введением в первую ступень подвешивания упру го-демпфирующих элементов типа гидрофедер.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Разработана концепция и общие требования по модернизации
экипажной части моторного вагона электропоезда ЭР2.
Усовершенствован комплексный расчетно-экспериментальный подход к анализу динамических качеств системы "экипаж-путь" с математическим моделированием динамики движения вагона как пространственной колебательной системы, учитывающей изменения характеристик связей колесных пар с рамой тележки при применении в качестве упруго-демпфирующих элементов гидрофедеров.
Изготовлен опытный моторный вагон электропоезда ЭР2 с буксовым подвешиванием с гидрофедерами. Проведены экспериментальные исследования динамических свойств вагона и прочностных характеристик вновь созданных элементов конструкции рамы тележки и корпуса буксы.
4. На основе полученных экспериментальных данных выполнена
идентификация параметров расчетной модели динамической системы
«экипаж-путь».
5. Выполнен комплекс многовариантных расчетов на
идентифицированной модели и определено влияние изменения жесткостных и
диссипативных характеристик гидрофедеров на показатели динамики вагона.
6. Разработаны технические требования для проектирования и
изготовления гидрофедеров, обеспечивающие соответствие динамических
качеств вагона нормативным требованиям применительно к установке
гидрофедеров в конструкцию экипажа ЭР2.
Объектом исследования является модернизированный моторный вагон с гидрофедерами в буксовой ступени подвешивания.
Предметом исследования является взаимосвязь между характеристиками
гидрофедеров и показателями динамических качеств вагона электропоезда при движении в заданном диапазоне скоростей по реальным неровностям пути. Методы исследования;
в работе применен итерационный метод с использованием математической модели движения моторного вагона (на примере электропоезда ЭР2) по рельсовой колее с учетом особенностей упруго-демпфирующих характеристик элементов рессорного подвешивания;
- использован метод итерационной коррекции модели по результатам
ходовых динамико-прочностных испытаний физической модели (прототипа
вагона);
- сформирована структурная модель экипажа, заданы нелинейные
характеристики элементов, силовых и кинематических воздействий. Расчет и
отображение параметров динамических процессов осуществлялись в научно-
техничском центре «Скоростной подвижной состав» (НТЦ СПС) при МИИТе
средствами специального программного комплекса ДИНА, ориентированного
на решение подобных задач;
на основе анализа специальной литературы и ранее проведенных исследований динамики моторных вагонов электропоездов получены исходные данные для создания математической модели;
экспериментальные исследования выполнялись с развитием основных положений «Типовой методики динамико-прочностных испытаний электропоездов и дизель-поездов СТ ССФЖТ ЦТ 16-98» и включали в себя комплекс статических и ходовых динамико-прочностных испытаний.
Научная новизна работы заключается в следующем: Предложена методика расчета динамических показателей моторвагонного подвижного состава с упруго-демпфирующими элементами на основе гидрофедеров, представляющих собой совокупность упруго-диссипативных элементов с нелинейными характеристиками связей и элемент, подобный гидравлическому гасителю колебаний. Разработана математическая модель вагона электропоезда с гидрофедерами в буксовой ступени как пространственная колебательная система. На основании выполненного комплекса опытно-теоретических исследований установлена адекватность
модели реальному экипажу, движущемуся по пути и в результате многовариантных расчетов выбраны рациональные параметры упруго-демпфирующих устройств, обеспечивающих улучшение динамических качеств электропоездов.
Практическая ценность и результаты работы:
Сформулированы технические требования для выполнения расчетов жесткостных и диссипативных характеристик гидрофедеров с целью проектирования их применительно к использованию в первой ступени подвешивания моторных вагонов электропоезда ЭР2. Примененный при разработке технических требований подход для проектирования гидрофедеров может рассматриваться как алгоритм действий при их использовании в конструкции других типов подвижного состава.
Испытаны тележки с гидрофедерами модели 230303В-1 в процессе опытной эксплуатации на вагоне № 121912. Испытания показали, что изменения жесткостных характеристик гидрофедеров, при работе их в течении шести лет незначительны. Полученные данные свидетельствуют о высокой долговечности и возможности использования гидрофедеров для эксплуатации в условиях железных дорог Российской Федерации.
3. Обоснована технико-экономическая эффективность повышения
эксплуатационных свойств моторвагонного подвижного состава за счет
уменьшения стоимости жизненного цикла экипажной части вагона.
4. Тележка модернизированного вагона электропоезда ЭР2 с
гидрофедерами в буксовой ступени рессорного подвешивания может быть
рекомендована для широкого внедрения.
5. Методика выбора параметров гидрофедеров применима при разработке
перспективного подвижного состава.
Апробация работы
Основные материалы диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях:
Научно-практическая конференция "Новые технологии -
железнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств", Омск, ОмГУПС в 2000 г.; Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы Транссиба на рубеже веков», Чита, 2000 г.; Третья научно-практическая конференция «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», Москва, 2000 г.; Вторая, четвертая и девятая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов», Москва, МИИТ, 2003, 2005, 2008, 2009 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ [87; 95; 96; 97; 106; 109], получен патент № 2327587 от 27.06.2008г.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, пять глав основного текста, заключение и список литературы.
Объем работы составляет 179 страниц, включая 72 рисунка, 14 таблиц, 110 наименований списка литературы.
Анализ работ по исследованию динамики подвижного состава
В процессе эксплуатации подвижного состава изменяются параметры рессорного подвешивания, связанные с износом контактирующих поверхностей элементов экипажа, изменением характеристик демпфирующих устройств, появлением дополнительных зазоров и т.д., что зачастую значительно ухудшает динамические качества и нагруженность несущих элементов экипажной части.
Основы теории взаимодействия подвижного состава и пути были заложены в начале XX столетия в трудах Н.Е. Жуковского [1], A.M. Годыцкого-Цвирко [2], К.Ю. Цеглинского [3], Г.Марье [4], Н.П. Петрова [5], Ф. Картера [6,7] и других ученых.
Поиск наилучших решений по совершенствованию функциональных качеств подвижного состава основывается на теоретических и экспериментальных методах исследований динамики экипажа и его взаимодействия с путем. Этим проблемам посвящены работы СМ. Андриевского [8], И.В. Бирюкова [9], Е.П. Блохина [10], М.Ф. Вериго [11], СВ. Вершинского [12], В.Н.Данилова [13], О.П. Ершкова [14], Н.А.Ковалева [15], А.Я.Когана [16,17], В.М. Кондрашова [18], К.П.Королева [19], Н.Н. Кудрявцева [20, 21], В.А. Лазаряна [22 - 25], А.А. Львова [26], В.Б. Меделя [27], Г.С Михальченко [28, 29], Ю.С.Ромена [30], А.Н. Савоськина [31 - 34], М.М.Соколова [35], Т.А. Тибилова [36, 37], В.Ф.Ушакова [38, 39], В.Д. Хусидова [40, 41] и многих других ученых.
Исследования динамики подвижного состава и его воздействие на путь можно разделить на следующие основные направления: эмпирический, графический, аналитический и численные методы.
Современный уровень развития вычислительной техники привел к широкому распространению численных методов решения задач динамики, прочности и воздействия на путь подвижного состава; при этом значительно возросли возможности более подробного и детального изучения сложных инженерных конструкций, к числу которых относится экипажная часть железнодорожного подвижного состава.
Для изучения динамики взаимодействия железнодорожного подвижного состава и пути в мире разработано ряд математических моделей. Построение универсальной математической модели, в которой всесторонне учитывались бы все аспекты этого взаимодействия было бы невыполнимой или крайне громоздкой задачей. Однако, с помощью всевозможных упрощений, можно изучить сложные динамические явления, возникающие вследствие этих взаимодействий.
Сложные динамические процессы системы «экипаж - путь» с точки зрения снижения временных и финансовых затрат целесообразно наряду с экспериментальными исследованиями изучать на моделях. При этом применяется физическое и математическое моделирование [12]. Первое основано на исследовании модели, содержание и функции которой имеют одинаковую физическую сущность с реальной системой, но отличающиеся параметры, второе - имеет различную физическую сущность, но уравнения, описывающие протекающие процессы, имеют одинаковый вид и отличаются только значениями коэффициентов и размерностями величин. Моделирование позволяет в лабораторных условиях, еще до разработки проекта и постройки опытного образца, изучить его основные динамические особенности и внести необходимые уточнения в конструкцию на стадии технического задания. При выборе параметров модели необходимо стремиться к простому ее исполнению, а также возможности изменения параметров при расчетах и экспериментальных исследованиях. Это задача идентификации, на основе которой сопоставляются структура и параметры реального объекта и модели, обеспечивая их необходимую адекватность.
Одной из основных задач исследования динамических процессов в системе «экипаж - путь» является определение рациональных параметров этой систем (массы, жесткости, демпфирование, габаритные размеры и т.д.), при которых снижаются взаимные перемещения и силы, отрицательно влияющие на конструкцию подвижного состава и воздействие его на путь.
Ранее в научной литературе много внимания уделялось оптимизации функционалов. Описано множество поисковых методов, из которых можно выделить наиболее распространенные группы численных методов параметрической оптимизации, а именно: градиентные методы [42-44], методы случайного поиска [45], методы Монте-Карло [46]. Следует отметить, что термин «численные методы» свидетельствует о том, что оптимизация по отдельному критерию достигается путем реализации некоторого заранее заданного вычислительного процесса, т.е. фактически - математический (вычислительный) эксперимент.
Во второй половине XX века в практике математического моделирования получили развитие методы планируемого эксперимента [47, 48], которые впервые с применением ЭВМ начали внедряться на территории бывшего СССР в середине 60 - начале 70-х годов прошлого столетия после появления работ В.В. Налимова и Н.А. Чернова [49, 50].
Общие вопросы проектирования рациональных систем нашли свое отражение в работах Д.И. Батищева [51], В.В. Болотина [52], Г.Г. Турецкого [53], Л.А. Расстригина [54], И.М. Соболя [55], Р.Б. Статникова [55, 90, 91], Р.И. Фурунжиева [56] и других ученых.
Вопросами оптимизации параметров подвешивания железнодорожных экипажей посвящены работы Г.П. Бурчака [9, 33], Н.М. Ершовой [36, 57], В.А. Камаева [89], Л.М.Резникова [38], А.Н. Савоськина [9, 33, 34], Т.А. Тибилова [36, 37], В.Ф. Ушкалова [38, 39] и других авторов [40, 57-61].
В работе В.А. Камаева [89] оптимальные параметры подвешивания определяются из условия минимума функционала от нормируемых критериев качества, характеризующих силовое воздействие на кузов подвижного состава, элементы тележек, пути с учетом основных функциональных и параметрических ограничений.
Минимизируя среднее число положительных выбросов процесса за допустимый уровень в единицу времени автором работы [60] В.В. Хусидовым предложено осуществлять выбор параметров системы подвешивания исходя из условия обеспечения максимальной вероятности невыхода критерия качества из области допустимых состояний.
Предварительный выбор параметров гидрофедера для модернизации буксового узла моторной тележки электропоезда ЭР2
Штатное буксовое рессорное подвешивание моторной тележки электропоезда состоит из комплекта пружин и фрикционного гасителя колебаний, корпус которого расположен на раме тележки и с помощью поводка с резинометаллическими шарнирами связан с буксой.
На рисунке 2.1 приведены силовые характеристики штатного буксового подвешивания и одного гидрофедера (на одну буксу приходится два гидрофедера). Как видно из сравнения характеристик площади, ограниченные характеристиками, характеризуют рассеиваемую гасителями энергию колебаний экипажа. В процессе эксплуатации резинометаллические шарниры изнашиваются, появляются зазоры и фрикционный гаситель становиться неработоспособным. Его силовая характеристика превращается в наклонную линию, показывающую характеристику пружин рессорного подвешивания. Гидрофедер, как элемент практически не имеющий изнашиваемых частей и обладающий свойствами гидравлического демпфера без механических изнашиваемых частей, может быть применен для модернизации буксового подвешивания моторной тележки электропоезда. Однако необходимо учитывать ряд особенностей применения гидрофедеров в рессорном подвешивании, которые требуют тщательного предварительного изучения. Среди механических свойств эластомеров, вызывающих сомнения в целесообразности их использования для подрессоривания, необходимо отметить увеличение их жесткости при понижении температуры.
На степень изменения жесткости изделий из резины при таком температурном режиме влияет вид каучука и ингредиентов, вводимых в него. Большинство зарубежных и отечественных производителей используют резины из натурального каучука или смеси на основе натурального и изопренового или бутадиенового каучука. Для резин из этих каучуков характерно три температурных диапазона: А - зона стабильности, в которой модуль упругости резины изменяется незначительно; Б — зона интенсивного роста модуля упругости; В — зона, в которой резина ведет себя как твердый материал (зона стеклования). Подробно этот вопрос был рассмотрен в работе [96]. Зона А для различных резин может находиться в диапазоне от плюс 80 С до минус 45 С. Выше верхнего предела температуры резина теряет свои прочностные свойства, становится мягким пластичным материалом. В этой зоне стабильны не только упругие, но и диссипативные свойства резины, которые характеризуются тангенсом угла потерь. В зависимости от состава резины могут начинать кристаллизоваться, одновременно медленно повышается их модуль упругости. Кристаллизация проявляется у резин на основе натурального и изопренового каучуков. Она возникает при температуре ниже 5 С.
Переход от зоны А к зоне Б носит условный характер для различных резин он может быть в диапазоне температур от + 25 С до минус 45С. Для зоны Б характерен не только интенсивный рост модуля упругости, но и тангенса угла потерь. Благодаря высокой демпфирующей способности резины в этой зоне не могут находиться длительное время при динамической нагрузке, т.к. происходит их разогрев. При дальнейшем понижении температуры совершается переход резины из эластичного в твердое состояние (стеклование). Для натурального и изопренового СКИ-3 обычный диапазон температур - от плюс 68С до минус 71 С. Исследованиями влияния низких температур на жесткость элементов рессорного подвешивания из эластомеров (как резин, так и полиуретана) в нашей стране занимались ученые ВНИКТИ. Ими подтвержден разогрев эластомеров и снижение их жесткости при воздействии динамической нагрузки, рисунок 2.2.
Минимальные температуры, при которых подвижной состав должен обеспечивать безопасную эксплуатацию, регламентируются ГОСТ 15150. В нем приводятся границы климатических зон, характерный для них диапазон температур и экстремальные температуры. Согласно ГОСТ 15150, часть железно дорожных участков находится в зоне с холодным климатом: ст. Микунь - Воркута - Лабытнанги, Северная ж.д., 1440 км; ст. Салым — Нижневартовск - Нижний Уренгой - Ямбург, Свердловская ж.д.,
Совокупная длина этих участков составляет около 7 тыс. км, что менее 10% протяженности железных дорог России. Нижнее рабочее значение температуры воздуха для них устанавливается минус 60С. Большая часть оставшейся сети железных дорог расположена в умеренном климате, нижнее рабочее значение температуры воздуха здесь устанавливается минус 50 С.
В Европейской части РФ за 27 лет наблюдений зафиксировано лишь трехсуточное понижение температуры ниже минус 50 С в районе Печоры. Таким образом, нижний предел рабочего температурного диапазона резин (температуры стеклования) и минимальные температуры окружающей среды на сети железных дорог не входят в противоречие, что позволяет сделать вывод о возможности использования резины в рессорном подвешивании. При этом не следует исключать и такую меру, как снижение скорости при начале движения поезда на отдельных участках, где возникает экстремальное понижение температуры.
Из сопоставления результатов испытаний при динамическом нагружении гидрофедера, полученных при 20 С и минус 20 С, видно, что при понижении температуры увеличивается площадь петли гистерезиса и количество рассеиваемой энергии, которая переходит в тепло. В результате повышается температура и снижается жесткость резины. Происходит саморегуляция упругих свойств гидрофедера.
В предыдущих разделах работы показана принципиальная конструктивная возможность применения гидрофедеров для модернизации буксового рессорного подвешивания моторного вагона электропоезда ЭР2. Также обоснована возможность их применения в климатических условиях практически всей сети железных дорог России.
В данном разделе приведены некоторые особенности проектирования гидрофедеров применительно к конкретному типу подвижного состава (моторный вагон электропоезда ЭР2) с точки зрения выбора рациональных характеристик жесткостных и диссипативных связей буксовой ступени рессорного подвешивания.
Оборудование моторного вагона электропоезда ЭР2 № 121912 для проведения динамико-прочностных испытаний
В испытаниях регистрировались следующие процессы, характеризующие динамические качества экипажа: горизонтальные поперечные перемещения букс относительно рамы тележки (Ур); вертикальные прогибы упругих элементов буксовой ступени подвешивания (Пб); вертикальные прогибы пружин кузовной ступени подвешивания (Пц); вертикальные и горизонтальные поперечные ускорения в центре вагона и над шкворнем тележки Z"n Y"; напряжения в тензометрических схемах изгиба, установленных на верхнем и нижнем поясе рамы первой тележки над центрами букс для определения коэффициентов вертикальной динамики буксовой ступени подвешивания на первой правой (о_]п ) и второй левой (сг2ІЛ) буксами; напряжения в тензометрических схемах изгиба, установленных на вертикальных стенках рамы первой тележки над центрами букс для определения рамных сил: над буксами 1-ой (oj) и 2-ой (оу2) колесных пар.
Для измерения вертикальных и горизонтальных перемещений букс относительно рамы тележки и прогибов пружин второй ступени рессорного подвешивания применялись датчики линейных перемещений, изготовленные с использованием балочных прогибомеров. В таких прогибомерах первичными датчиками являются тензорезисторы, наклеенные на алюминиемую балочку в определенном сечении и соединенные в схему изгиба. Такая схема соединения тензорезисторов исключает возможность регистрации каких-либо видов деформации кроме изгиба балочки в определенной плоскости. Точность измерения датчиков перемещений не ниже 0,05 мм при линейном диапазоне измерений не менее 15 мм. Линейный диапазон измерений при применении различных беззазорных рычажных приводов может значительно увеличиваться. При этом точность измерений пропорционально снижается.
Для измерения ускорений применялись индуктивные датчики типа KWS В12/200 и В12/1000 фирмы НВМ (Германия), имеющие линейный диапазон измерений 0-100 Гц.
Принцип измерений, выполняемых с помощью таких схем тензодатчиков, аналогичен применяемому на балочных прогибомерах: тензорезисторы, установленные на двух противолежащих листах боковины рамы, соединяются в схему изгиба. При расположении тензорезисторов вблизи центральной линии сечения боковины рамы схемы изгиба позволяют регистрировать деформации боковины раздельно в вертикальной и горизонтальной плоскости. Точность установки тензорезисторов и отсутствие влияния горизонтальнызх сил на показания схем вертикального изгиба боковины (и наоборот) контролируется при проведении статических испытаний. В этих же испытаниях выполняется силовая тарировка схем изгиба, что позволяет при проведении ходовых испытаний весьма точно регистрировать процессы, которые в дальнейшем используются для оценки Кд И Ур.
Схема оборудования экипажной части моторного вагона электропоезда ЭР2 динамическими приборами и силовыми тензометрическими схемами представлена на рисунках 3.4, 3.5.
Для оценки соответствия модернизированной конструкции рамы тележки и корпусов букс требованиям норм безопасности по показателям прочности несущие элементы моторной тележки были оборудованы тензорезисторами. Схемы оборудования корпуса буксы и рамы тележки представлены на рисунках 3.6 -3.8.
Измерение и регистрация статических и динамических процессов всех измерительных точек осуществлялась с помощью измерительно-вычислительного комплекса на базе тензоусилителей KWS3073 фирмы НВМ (Германия), имеющих линейный диапазон измерений 0-100 Гц.
Для оценки соответствия весовых параметров моторного вагона электропоезда ЭР2 с модернизированным буксовым подвешиванием нормам поколесной развески на весовом агрегате 74А-320 Экспериментального кольца ВНИИЖТ было проведено поколесное взвешивание.
Данные о поколесной развеске, массах тележек и кузова в порожнем и груженом состоянии использованы также для определения фактической статической вертикальной жесткости гидрофедеров. Взвешивание проводились в порожнем и груженом состояниях кузова.
Для определения фактической загрузки кузова был проведен расчет максимальной населенности вагона пассажирами согласно п.3.4.3.3 «Норм...» [99]. Расчетная масса пассажиров составила 20012 кг. Для имитации веса пассажиров вагон загружался мерным грузом (чугунными отливками по 40 и 50 кг). После загрузки вагон был подвергнут поколесному взвешиванию.
Результаты поколесного взвешивания груженого моторного вагона приведены в таблице 3.1. В период подготовки моторного вагона электропоезда ЭР2 к испытаниям проведено также взвешивание выкаченных тележек. Масса первой и второй тележек составила 14800 кг (каждой). Фактическая полезная нагрузка составляет разницу между массами груженого и порожнего вагона: 74700 - 55133 = 19567 кг, что менее чем на 3% отличается от расчетной.
Учитывая, что линейные эксплуатационные предприятия ОАО «РЖД», как правило, не имеют устройств для поколесной развески и используют только линейные размеры элементов экипажа, в эксплуатации возможны перекосы осевых нагрузок. Поэтому при подготовке и проведении испытаний зафиксированный перегруз первого левого колеса 6,5% был оставлен без регулировки поколесной развески.
Вариантные исследования на математической модели системы «экипаж-путь» влияния жесткостных и диссипативных связей колесных пар с рамой тележки на показатели динамики вагона
На основании предварительных расчетов по определению характеристик гидрофедеров с учетом их нагружения, а также математического моделирования движения вагона электропоезда ЭР2 в рельсовой колее, позволившего оценить показатели динамики при его движении со скоростями до 120 км/ч с установленными гидрофедерами в первой ступени подвешивания, была выполнена модернизация первой ступени подвешивания вагона электропоезда ЭР2 №121912 (см. главу 3).
На этапе подготовки ходовых динамико-прочностных испытаний были выполнены статические испытания по определению жесткости первой ступени подвешивания в вертикальном и в горизонтальном поперечном направлениях (см.подраздел 3.2). Эти испытания показали, что статическая жесткость гидрофедеров превышает заявленную фирмой-производителем в вертикальном направлении на -30% и в горизонтальном поперечном направлении в -1,7 раза для порожнего вагона и в -2,25 раза для груженого.
При анализе результатов ходовых динамических испытаний установлено, что в структуре экипажа вагона электропоезда ЭР2 динамическая жесткость гидрофедера превышает статическую, определенную экспериментально, в вертикальной плоскости на - 35%. Таким образом, для проведения расчетов для сравнения результатов экспериментальных и теоретических исследований и идентификации модели следует принять вертикальную жесткость гидрофедеров, в 1,76 раза превышающую паспортные данные фирмы-производителя.
Результаты экспериментальных исследований таюке показали, что значения экспериментально определенной статической и динамической жесткости в горизонтальном поперечном направлении совпадают.
Выполнение экспериментальных исследований позволило откорректировать параметры экипажа для выполнения следующего этапа теоретических исследований. С этой целью были изменены параметры жесткостей буксовой связи в вертикальном и горизонтальном поперечном и продольном направлениях. Значения откорректированных жесткостей приведены в таблице 4.1. При этом неизменными остаются характеристики неровностей, принятые в соответствии с [104,105] (см. подраздел 2.5.1).
Сопоставление результатов этого этапа расчетов на динамической модели с экспериментальными данными должно определить необходимость корректировки принятых в расчетах неровностей пути и, при необходимости, выполнить их корректировку для обеспечения сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Результаты теоретических исследований (см. подраздел 2.5.2) свидетельствуют о том, что показатели динамики экипажа, отвечающие требованиям НБ ЖТ ЦТ 03-98 [100], могут быть достигнуты путем выбора рациональных жесткостных и диссипативных характеристик гидрофедеров при выполнении динамического моделирования системы «экипаж-путь».
В данном разделе приведен сравнительный анализ результатов математического моделирования движения вагона электропоезда с экспериментально определенными характеристиками первой ступени подвешивания с результатами ходовых динамико-прочностных испытаний.
Сравнительный анализ экспериментальных данных и результатов математического моделирования выполнялся по значениям показателей динамики: максимальные величины исследуемого показателя динамики при различных скоростях движения; средние квадратические отклонения (СКО), характеризующие степень разброса максимальных величин показателей динамики от их средних значений; средние значения максимальных амплитуд определяемых по методу наименьших квадратов.
На рисунках 4.1-4.5 представлены расчетные и экспериментальные зависимости показателей динамики вагона электропоезда ЭР2 от скорости движения в груженом режиме, полученные в теоретических исследованиях с характеристиками жесткости гидрофедеров, определенными по результатам ходовых динамико-прочностных испытаний и результаты экспериментальных исследований динамики вагона на участке Нахабино-Волоколамск-Нахабино Московской железной дороги.
На рисунке 4.1 представлены зависимости максимальных значений, средние значения и СКО рамных сил от скорости движения вагона электропоезда. Из представленных данных видно, что максимальные значения рамных сил, полученные в результате моделирования, находятся в непосредственной близости от максимальных значений экспериментальных данных во всем диапазоне скоростей. Максимальный уровень рамных сил, полученных при моделировании (зависимость 1) составляет 44 кН при скорости движения 120 км/ч. Максимальный уровень рамных сил, зафиксированный в испытаниях на этой же скорости, составляет 42 кН.
Средние значения максимумов, полученных при моделировании (зависимость 4), лежат несколько ниже средних значений максимумов для экспериментальных данных. Разница в этих величинах не превышает 10% во всем диапазоне скоростей. СКО максимальных значений рамных сил, полученных при моделировании, лежат несколько выше аналогичных данных, полученных в испытаниях. Максимальное превышение на 25% для скорости 60 км/ч постепенно падает до 6% для скорости 120 км/ч.
Тенденция роста максимальных значений рамных сил, средних значений и СКО с ростом скорости движения, полученная при математическом моделировании, аналогична полученной в испытаниях. Превышения в отдельных случаях уровня экспериментальных значений над расчетным уровнем являются единичными и могут быть отнесены к случайным, вызванным техническим состоянием конкретного участка пути.
Аналогичные явления наблюдаются на рисунке 4.2, где представлены зависимости коэффициента вертикальной динамики первой ступени подвешивания (Кд0 от скорости движения вагона. С ростом скорости прослеживается рост максимальных значений, средних значений и СКО этого показателя.
Из приведенного рисунка следует, что средние расчетные значения лежат несколько выше аналогичного показателя, полученного экспериментально. При этом максимальная разница в их величинах не превышает 0,04. Разница СКО для расчетных и экспериментальных данных во всем диапазоне скоростей не превышает 0,005.
Это свидетельствует об адекватности модели, подтверждаемой идентичностью зависимостей средних значений и СКО, полученных экспериментальным и расчетным путем. Однако, при максимальной, зафиксированной в ходовых динамико-прочностных испытаниях величине Кді=0,43, максимальная расчетная величина этого показателя достигает Кді=0,6.
Учитывая, что оценка динамических качеств вагона в соответствии с принятыми методиками выполняется по максимальным значениям показателя, расчетная модель должна быть откорректирована с целью получения достаточно близкого совпадения расчетных данных с экспериментальными.
Графики зависимости средних значений и СКО динамических показателей от скорости движения вагона наглядно показывают отсутствие выраженных резонансных явлений в системе «экипаж-путь» во всем исследуемом диапазоне скоростей движения. Для показателей динамики характерен практически линейный рост их значений при возрастании скорости движения. В связи с этим в дальнейших разделах при представлении графического материала приводятся только максимальные значения контролируемых показателей динамики. Полученные графики зависимостей средних значений и СКО динамических показателей в текст не включены.
