Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии со «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» (№ 877-р от 17 июня 2008 г.), предусматривается увеличение общей протяженности скоростного полигона железных дорог России (160…200 км/ч) до 11 тыс. км, при этом предусматривается увеличение пассажирских перевозок в 1,4 – 1,6 раза по основным направлениям.
Для обеспечения возрастающего пассажиропотока необходимо в кратчайшие сроки разработать и внедрить в серийное производство двухсистемные скоростные пассажирские электровозы, оснащенные асинхронным тяговым приводом (АТП) с увеличенными сроками межремонтных пробегов, в частности средний ремонт через 1 млн. км пробега, а капитальный ремонт через 3 млн. км. Сроки разработки и подготовки производства новых электровозов должны быть значительно сокращены, при этом должна быть обеспечена максимальная унификация оборудования электровозов различных типов и назначения.
Применение АТП существенным образом влияет на основные показатели локомотивов. Как следствие, возникает целый комплекс проблем, связанных с необходимостью создания экипажной части, способной в полной мере реализовать преимущества АТП.
Прежде всего, асинхронные тяговые двигатели (АТД) имеют гораздо бльшую единичную мощность (в 1,5 раза больше, чем коллекторные ТЭД), при существенно меньшем весе. Однако устройства преобразования электроэнергии, размещаемые в кузове (трансформаторы, тяговые и вспомогательные преобразователи и т.п.), имеют значительный вес и объем. В результате центр масс электровоза оказывается расположенным на бльшей высоте, что крайне нежелательно с точки зрения динамики и требует принятия специальных решений.
Значительное увеличение момента на валу тягового двигателя предъявляет повышенные требования к прочности и ресурсу силовой механической передачи (тяговой муфты, зубчатой передачи, подшипников тягового двигателя и редуктора и т.п.). Соответствующие узлы должны иметь увеличенный запас прочности – по сравнению с узлами, применявшимися на локомотивах с коллекторными тяговыми двигателями.
Также требует обоснованного решения задача выбора осевой формулы (30–30 или 20–20–20) шестиосных скоростных пассажирских электровозов с АТП.
Решение обозначенных проблем требует, опираясь на имеющийся опыт, дальнейшего развития научного обеспечения разработок скоростного подвижного состава нового поколения, что позволит исследовать сложные процессы в экипажной части электровоза на ранних стадиях проектных работ и по возможности избежать изготовления дорогостоящих макетных образцов. Применение современных методов динамических и прочностных расчетов позволит сократить сроки проектных работ и повысить эксплуатационную надёжность экипажной части электровоза.
Целью работы является разработка экипажной части скоростных шестиосных пассажирских электровозов с асинхронным тяговым приводом, что позволит, на основе накопленного опыта и применения современных достижений в области динамики сложных механических систем, прочностных расчетов и компьютерного моделирования, значительно улучшить их технико-экономические и эксплуатационные показатели.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Сформулированы и защищены пятью патентами РФ основные концептуальные решения ходовой части скоростного шестиосного электровоза с АТП, где объединены в одно целое требования заказчика, современные мировые тенденции разработки скоростных электровозов, опыт проектирования и реальные возможности производства.
2. С использованием полноразмерных твердотельных моделей, созданных в ПК «Универсальный механизм», методами компьютерного моделирования исследованы динамические процессы в экипажной части скоростного электровоза для различных скоростных режимов, при прохождении прямых и кривых участков, стрелочных переводов и т.п.
3. Выполнена структурная оптимизация экипажной части шестиосного скоростного пассажирского электровоза с АТП: сделан научно обоснованный выбор осевой формулы 2о-2о-2о для нового электровоза.
4. Создана конечно-элементная модель рамы двухосной тележки с прогнутыми боковинами в комплексе с пружинами буксовой подвески. Исследовано напряженно-деформированное состояние рамы при различных режимах нагружения: удар, эксплуатационные нагрузки, а также под действием динамических нагрузок, полученных на твердотельной модели.
5. Выполнено сравнение результатов компьютерного моделирования динамических процессов в ходовой части и воздействия на путь с результатами натурных испытаний.
6. Выполнено сравнение результатов испытаний перспективного шестиосного скоростного пассажирского электровоза с АТП и его ближайшего прототипа – электровоза ЭП10.
7. Для проверки достоверности полученных результатов, выполнено сравнение значений коэффициентов запаса сопротивления усталости для рамы тележки с прогнутыми боковинами, полученными по результатам расчета методом конечных элементов, а также по итогам стендовых и натурных испытаний электровоза.
Методы исследования. Модель экипажной части электровоза разработана на основе формального метода Ньютона-Эйлера. Для решения поставленных задач были применены методы компьютерного моделирования взаимодействия экипажной части и пути на основе методов динамики систем твердых тел с помощью модуля УМ-Локо программного комплекса «Универсальный механизм», разработанного проф. Д.Ю. Погореловым при участии сотрудников кафедры «Локомотивы» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» под руководством проф. Г.С. Михальченко и ОАО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (ОАО «ВНИКТИ») под руководством проф. В.С. Коссова. При выполнении прочностных расчетов применялись пакеты программ, реализующие метод конечных элементов (МКЭ).
Достоверность научных результатов обеспечена корректностью формулировок математических задач и компьютерных моделей, адекватностью примененных методов динамики систем твердых тел (формальный метод Ньютона-Эйлера) и метода конечных элементов, специализированных программных комплексов, и подтверждается результатами экспериментальных исследований, выполненных автором, а также опытом эксплуатации и итогами ходовых испытаний электровозов ЭП10 и ЭП20.
Основные научные результаты и положения, выносимые автором на защиту:
1. Концепция экипажной части шестиосного скоростного пассажирского электровоза, которая учитывает особенности применения АТП. Двухосные и трехосные тележки новой конструкции.
2. Компьютерные модели экипажной части скоростного пассажирского шестиосного электровоза с АТП для двух вариантов осевой формулы (30–30 и 20–20–20), имеющей новые конструктивные решения: интегрированный тяговый привод III класса, одноповодковые буксы, цельнокатаные колеса, дисковый тормоз и т.д.
3. Решение задачи структурной оптимизации, полученное по итогам компьютерного моделирования: сделан научно обоснованный выбор осевой формулы 2о-2о-2о для нового электровоза. Решение задачи параметрической оптимизации (с учетом ограничений, найдены оптимальные параметры упругих и диссипативных связей).
4. Результаты теоретических исследований и компьютерного моделирования процессов взаимодействия экипажной части и пути и сил взаимодействия между элементами экипажной части при движении по прямым и кривым участкам пути, по стрелочным переводам, свидетельствуют о высоких динамических качествах экипажа, пригодного для реализации скоростного движения. Теоретические результаты показали хорошее совпадение с данными ходовых испытаний электровоза вплоть до скорости 220 км/ч.
5. Предложена конструкция рамы двухосной тележки с прогнутыми боковинами, для которой методом МКЭ выполнен расчет напряженно-деформированного состояния и усталостной прочности (для рамы в комплексе с пружинами буксовой подвески). Результаты прочностного расчета практически совпали с данными стендовых и динамико-прочностных испытаний.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
-
Сформулирована концепция и выполнена разработка экипажной части шестиосного скоростного пассажирского электровоза с АТП.
-
Созданы компьютерные модели экипажной части скоростного пассажирского шестиосного электровоза с АТП в двух вариантах: с осевыми формулами 30–30 и 20–20–20, имеющие общие конструктивные решения (интегрированный тяговый привод III класса, одноповодковые буксы, дисковый тормоз, подвешивание кузова «флексикойл», передача силы тяги и торможения от тележки к кузову при помощи наклонных тяг).
-
Решена задача структурной оптимизации, по итогам компьютерного моделирования сделан научно обоснованный выбор осевой формулы 2о-2о-2о для нового электровоза, которая по совокупности критериев превосходит экипаж 3о-3о.
-
Решена задача параметрической оптимизации экипажной части с учетом ограничений, обосновано применение упругих и диссипативных связей с найденными параметрами.
-
Для расчета прочности рамы двухосной тележки с прогнутыми боковинами в комплексе с пружинами буксовой подвески создана конечно-элементная модель. Прочностные показатели рамы подтверждены стендовыми и динамико-прочностными испытаниями.
Практическая ценность заключается в создании и начале серийного выпуска электровоза ЭП20, при разработке экипажной части которого были применены следующие основные результаты работы:
- выбор конструктивного решения экипажной части на стадии проектирования, без изготовления натурного макета и проведения его испытаний, что позволило значительно сократить сроки и уменьшить стоимость проектно-конструкторских и доводочных работ;
- методика сквозного проектирования, при которой силы, полученные в результате компьютерного моделирования взаимодействия экипажа и пути, применены для прочностных расчетов несущих конструкций экипажной части (в первую очередь рам тележек). Расчетные результаты подтверждены в ходе стендовых и динамико-прочностных испытаний. Рама принята в производство без доработок;
- согласно итогам проведенных испытаний, разработанная экипажная часть удовлетворяет всем требованиям вплоть до скоростей 200–220 км/ч и может найти применение на перспективных скоростных локомотивах.
Результаты диссертации реализованы в виде компьютерных моделей, которые использовались:
- при выполнении работ по обоснованию параметров и конструктивных решений экипажной части электровоза ЭП20 в ОАО «ВЭлНИИ» и ООО «ТРТранс»;
- при выполнении прочностных расчетов несущих конструкций экипажной части.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на конференциях, в том числе:
- III Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава», 27-29 июня 2000 г. Новочеркасск;
- Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2008», РГУПС, Ростов н/Д, 2008 г;
- Международной научно - практической конференции «Наука и производство – 2009», 19-20 марта, г. Брянск, 2009г;
- Всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы Сибири», г. Новосибирск, 2009 г.;
- Всероссийской научно-практической конференции, РГУПС, Ростов н/Д, апрель 2009г;
- Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство», РГУПС, Ростов н/Д, 2009г.;
- Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт - 2010», Ростов н/Д: РГУПС, 2010г.
Работа полностью доложена и обсуждена на расширенном совместном заседании кафедр «Локомотивы и локомотивное хозяйство» и «Электрический подвижной состав» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» 14 июня 2013 г.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 23 печатные работы, из них 7 статей в журналах, входящих в перечень ВАК. Получено 5 патентов на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа общим объемом 157 страниц состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы.
