Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Поглощающие аппараты с резинометаллическими и полимерными элементами 11
1.1 Конструкции поглощающих аппаратов и принцип их работы 12
1.1.1 Фрикционные амортизаторы 12
1.1.2 Резинометаллические и полимерные амортизаторы 15
1.1.3 Комбинированные фрикционно-полимерные амортизаторы 17
1.1.4 1 Конструкции и принцип работы поглощающего аппарата ПМКП-110 18
1.2 Физические и математические расчетные схемы амортизатора удара 21
1.3 Требования, предъявляемые к поглощающему аппарату ПМКП-110 и полимерным элементам 25
ГЛАВА 2. Разработка полимерного элемента. расчетное и экспериментальное обоснование конструкции 32
2.1. Выбор материала для упругих элементов 32
2.1.1 Общие сведения о ТЭП 34
2.2 Проектирование подпорного комплекта поглощающего аппарата 37
2.2.1 Проектирование упругого элемента. 37
2.2.2 Математическое моделирование сжатия полимерного элемента 44
2.3 Экспериментальные исследования полимерных элементов 55
2.3.1 Получение элемента 55
2.3.2 Статические испытания 56
2.3.3 Влияние трения. Конструкция пластин-прокладок 61
2.3.4 Оценка временных свойств 64
2.3.5 Влияние температуры 65
2.3.6 Температурные исследования полимерного комплекта в целом 71
2.3.7 Динамические испытания подпорного комплекта 76
2.4 Математическое моделирование статических характеристик 79
2.4.1 Математическое моделирование во всем диапазоне температур... 79
2.4.2 Учет динамической силовой характеристики подпора в математической модели аппарата 80
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования ПМКП-110 86
3.1 Стендовые испытания 87
3.2 Ресурсные испытания 91
3.3 Испытания при соударении вагонов 100
ГЛАВА 4. Математическая модель аппарата и ее анализ .. 105
4.1 Идентификация математической модели ПМКП-110 105
4.2 Математическое моделирование с учетом эксплуатационных факторов .. 112
4.3 Расчетные характеристики работы аппарата при соударении большегрузных вагонов 118
Общие выводы и результаты 127
Литература
- Резинометаллические и полимерные амортизаторы
- Проектирование подпорного комплекта поглощающего аппарата
- Ресурсные испытания
- Математическое моделирование с учетом эксплуатационных факторов
Введение к работе
В связи с потребностью улучшения качества железнодорожных перевозок необходимо обеспечить совершенствование подвижного состава. Для решения этой задачи нужно, в частности, повысить требования и к амортизаторам удара (поглощающим аппаратам), основным назначением которых является снижение сил ударов, передающихся на подвижной состав.
Правилами технической эксплуатации при маневровых операциях допускаются скорости соударения, не превышающие 5км/ч, однако фактические скорости значительно выше. Тенденция к увеличению скоростей маневровых соударений характерна и для зарубежных дорог [14]. Так, если в начале 60-х гг они в среднем не превышали 5 км/ч, то в 1970 г. средняя скорость соударения составляла 6,6, а к 80-м - 7-8 км/ч. В настоящее время наибольшие скорости составляют 15-16 км/ч, при этом на механизированных горках со скоростями более 7,5 км/ч происходит уже до 60-70% соударений вагонов. Вероятность соударений с повышенными скоростями последнее время постоянно повышается [24]. Опасны также аварийные ситуации в поезде, возникающие вследствие значительных продольных нагрузок (разрывы автосцепок и рам вагонов).
В результате — рост поступления грузовых вагонов в ремонт. При рассмотрении данных [1, 24] можно заключить, что на устранение повреждений, вызванных продольными нагрузками, за срок службы вагона затрачиваются средства, по меньшей мере, равные его первоначальной стоимости.
Форсирование режимов эксплуатации вагонов может привести к существенному увеличению повреждения вагонов и грузов, если своевременно не будут разрабатываться и осуществляться мероприятия по снижению продольных нагрузок. В связи с этим становится особенно актуальной проблема совершенствования межвагонных амортизирующих устройств.
В решении вопросов продольной динамики и вопросов конструирования и расчета амортизирующих устройств, способных поглощать энергию соударяющихся вагонов, в разное время внесли значительный вклад исследования [18, 20, 21, 25, 27, 31]. Коллективом ЦНИИ МПС (ВНИИЖТ) был создан пру жинно-фрикционный аппарат Ш-1-Т, который устанавливался на всех отечественных грузовых вагонах; незначительно измененный аппарат Ш-1-ТМ и его модификации (Ш-2-В, Ш-2-Т) устанавливались на вагоны вплоть до восьмидесятых годов прошлого столетия.
В послевоенные годы проводились работы по совершенствованию пружинно-фрикционных аппаратов, создавались новые типы аппаратов: резиноме-таллические, гидравлические, гидрогазовые; разрабатывались конструкции вагонов с подвижной хребтовой балкой. В этих работах приняли участие отечественные ученые Е.П. Блохин, СВ. Вершинский, .Л.Н. Никольский и другие [16-19,23,26,29,40,50].
Под руководством профессора Л.Н. Никольского были разработаны математические модели соударения вагонов, учитывающие особенности процессов трения при ударном сжатии фрикционных аппаратов. На основе таких моделей Л.Н. Никольским создана методика расчета и проектирования фрикционных амортизаторов удара [46, 47], впервые поставлена и приближенно решена задача об эксплуатационной нагруженности вагона продольными силами, предложены стохастические оценки работы амортизирующих устройств.
Эти работы были продолжены и развиты Б.Г. Кеглиным, разработавшим основные принципы оптимизации межвагонных амортизирующих устройств на основе обобщенных критериев эффективности и исследовавшим параметрическую надежность поглощающих аппаратов автосцепки [32, 35, 39, 48].
Исследованию силовых характеристик пружинно фрикционных поглощающих аппаратов, отличающихся скачками и срывами, посвящены работы [18, 21, 31]. Рассмотрены и исследованы усовершенствованные конструкции характеристик пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов, корпус которых объединен с хомутом. В трудах А.Т. Харитонова, Ю.В. Игнатенко, Б.Г. Кеглина [30, 35, 64, 65, 66] изложены принципы конструирования и расчета ре-зинометаллических поглощающих аппаратов.
Значительный вклад в развитие исследований динамики подвижного состава, а также в совершенствование методики экспериментальных исследований различных межвагонных амортизирующих устройств внесен работами СВ. Вертинского, Г.В. Костина, П.Т. Гребенюка, Г.И. Богомаза, Н.М. Хачапуридзе, Ю.М. Черкащина, Л.А. Манашкина [20, 21, 43, 45, 67].
В последнее десятилетие ряд исследований поглощающих аппаратов, и разработке их математических моделей выполнили А.В. Иванов, Д.А. Ступин, И.Б. Феоктистов [61, 63].
Последние годы также отмечены повышенным вниманием организаций железнодорожного транспорта и вагоностроительных заводов к совершенствованию поглощающих аппаратов автосцепки, проблеме повышения их энергоемкости, долговечности и стабильности. Более того, пришло давно ожидаемое признание Министерством путей сообщения и его научными организациями, прежде всего, ВНИИЖТ, того факта, что поглощающие аппараты должны быть специализированными, различающимися по своим характеристикам в зависимости от того, на каком объекте они будут эксплуатироваться.
В результате совместной работы ряда организаций был введен в действие отраслевой стандарт [51], который предусматривает подразделение поглощающих аппаратов по основным техническим показателям на 4 класса - ТО, ТІ, Т2, ТЗ (Табл. 1).
В нормативной документации оговорены области применения аппаратов различных классов:
- ТО - в исключительных случаях, например на вагонах, следующих в ремонт;
- ТІ - на вагонах, перевозящих обычные грузы;
- Т2 - на новых вагонах-цистернах для перевозки опасных грузов (нефть и нефтепродукты, химические вещества);
- ТЗ - на вагонах для перевозки грузов высокой степени опасности (сжиженный газ, ядовитые вещества).
большей силы при полном ходе, что увеличило энергоемкость. Однако низкая морозостойкость и невысокая деформативность не дали желаемых результатов и выявили ряд недостатков, решить которые было предложено использованием другого материала - полиуретана СКУ-ПФЛ. В отличие от резины, он не подвержен воздействию агрессивных сред, работает в более широком интервале температур, его характеристики близки к линейным даже при значительных деформациях. Также были выявлены и недостатки: частый выход из строя по-лиуретановых элементов - отрыв полиуретана от металла, а также разрушение материала при больших деформациях, объясняемое несовершенством конструкции, низкая морозостойкость, все еще недостаточная энергоемкость.
Более эффективным решением оказалось использование полимерных материалов из класса полиэфирных термоэластопластов, которые обладают высокими эластическими свойствами и достаточной морозостойкостью. Другим важным свойством термопластов является высокий коэффициент трения при контакте с металлом, благодаря чему нет необходимости обеспечивать жесткую связь полимерного элемента с металлической подкладкой, а также низкая чувствительность материала к концентраторам напряжений.
Однако до настоящего времени отсутствовали методы расчета и проектирования элементов из этих специальных материалов, адекватные математические модели поглощающих аппаратов и обоснование их параметров.
Целью данного исследования является разработка конструкции и методов расчета фрикционно-полимерных поглощающих аппаратов класса ТІ. Для достижения данной цели исследования необходимо решить следующие задачи:
а) Разработать требования, предъявляемые к аппаратам и упругому комплекту подпорно-возвратного устройства, соответствующие ОСТу на поглощающие аппараты. Обосновать конструкцию проектируемого поглощающего аппарата.
б) Разработать требования, предъявляемые к полимерам для амортизаторов удара. Обоснованно ограничить поиск применяемых материалов классом полиэфирных термоэластопластов.
В соответствии с ОСТ на вагонах этих типов должны устанавливаться аппараты класса ТІ, но до настоящего времени в России отсутствовал экономичный и относительно простой поглощающий аппарат, отвечающий требованиям, предъявляемым к аппаратам этого класса.
С конца 80-х годов прошлого столетия потребность в поглощающих аппаратах для вагонов неспециального назначения удовлетворялась за счет пластинчатых металлокерамических аппаратов ПМК-110А, ПМК-110К-23; для вагонов постройки УВЗ с рядом ограничений после значительной модернизации конструкции была разрешена установка аппарата Ш-6-Т0-4. Установка устарелых аппаратов типов Ш-1-ТМ, Ш-2-Т и Ш-2-В90 на новые вагоны запрещена. Но аппараты типа ПМК и Ш-6-Т0-4, и сейчас являющиеся базовыми для неспециализированного подвижного состава, не вполне отвечают требованиям, предъявляемым к аппаратам класса ТІ; их номинальная энергоемкость менее 65 кДж, а максимальная энергоемкость (при силе до З МН) ниже регламентируемой величины 80 кДж. Работы по созданию поглощающих аппаратов класса ТІ ведутся в России в Брянске (ООО НЛП «Дипром»), Москве (ФГУП ВНИИЖТ), Нижнем Тагиле (УВЗ).
Опыт исследований последних лет [7, 10, 23, 36, 37, 38, 63] показывает, что определяемые ОСТом нормативные показатели могут быть получены в аппарате типа ПМК, в котором вместо пружинного комплекта используется значительно более энергоемкий упругий массив, состоящий из полимерных блоков. Практикой доказано, что, оставляя в качестве базовой пластинчатую схему поглощающего аппарата, зарекомендовавшую себя как достаточно надежную, поиск возможностей улучшения его характеристик следует вести в направлении использования новых материалов для возвратного устройства.
По согласованию с ЦВ МПС (см приложение) работа в этом направлении была начата с 1998 года. На первых этапах в качестве упругих материалов использовались различные типы морозостойких резин. Так, в частности, коллективом кафедры ДПМ БГТУ был спроектирован и исследован поглощающий аппарат ПМКР-120, в котором в качестве подпорно-возвратного устройства использовался пакет резинометаллических элементов. Это позволило добиться большей силы при полном ходе, что увеличило энергоемкость. Однако низкая морозостойкость и невысокая деформативность не дали желаемых результатов и выявили ряд недостатков, решить которые было предложено использованием другого материала - полиуретана СКУ-ПФЛ. В отличие от резины, он не подвержен воздействию агрессивных сред, работает в более широком интервале температур, его характеристики близки к линейным даже при значительных деформациях. Также были выявлены и недостатки: частый выход из строя по-лиуретановых элементов - отрыв полиуретана от металла, а также разрушение материала при больших деформациях, объясняемое несовершенством конструкции, низкая морозостойкость, все еще недостаточная энергоемкость.
Более эффективным решением оказалось использование полимерных материалов из класса полиэфирных термоэластопластов, которые обладают высокими эластическими свойствами и достаточной морозостойкостью. Другим важным свойством термопластов является высокий коэффициент трения при контакте с металлом, благодаря чему нет необходимости обеспечивать жесткую связь полимерного элемента с металлической подкладкой, а также низкая чувствительность материала к концентраторам напряжений.
Однако до настоящего времени отсутствовали методы расчета и проектирования элементов из этих специальных материалов, адекватные математические модели поглощающих аппаратов и обоснование их параметров.
Целью данного исследования является разработка конструкции и методов расчета фрикционно-полимерных поглощающих аппаратов класса ТІ. Для достижения данной цели исследования необходимо решить следующие задачи:
а) Разработать требования, предъявляемые к аппаратам и упругому комплекту подпорно-возвратного устройства, соответствующие ОСТу на поглощающие аппараты. Обосновать конструкцию проектируемого поглощающего аппарата.
б) Разработать требования, предъявляемые к полимерам для амортизаторов удара. Обоснованно ограничить поиск применяемых материалов классом полиэфирных термоэластопластов.
в) Разработать методику проектирования полимерных блоков. На основе конечно-элементного анализа определить рациональную форму и число элементов в упругом комплекте.
г) Комплексными экспериментальными исследованиями оценить упруго- пластические свойства полимерных элементов, а также влияние на силовые характеристики элементов температуры окружающей среды. Рассмотреть возможности применения различных материалов для различных условий. Исследовать влияние низких температур на упругий комплект в целом.
д) Разработать математическую модель упругого подпора из полимерных элементов, опираясь на данные, полученные из эксперимента.
е) Провести идентификацию математической модели ПМКП-110 по результатам натурных испытаний и расчетов соударения сцепов, откорректировать ее параметры.
ж) Выполнить экспериментальные исследования фрикционного поглощающего аппарата, по результатам которых будут определяться номинальная и максимальная энергоемкость, номинальная и максимально допустимая скорость соударения. Откорректировать геометрические параметры клиновой системы аппарата.
з) Оценить ресурс поглощающего аппарата путем проведения соответствующих испытаний.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, доктору технических наук профессору Б.Г. Кеглину за консультации и помощь в выполнении работы, а также коллективу кафедры ДПМ в лице кандидатов наук, доцентов Т.Н. Прилепо и В.А. Алдюхова, старшего лаборанта И.Н. Евтюхова за помощь в организации и совместном проведении многочисленных экспериментов.
Резинометаллические и полимерные амортизаторы
Преимущества резинометаллических амортизаторов удара (простота конструкции, относительно стабильная силовая характеристика, эффективная работа при движении поезда) обусловили их широкое использование. Аппараты Р-2П и Р-5П устанавливают на пассажирских вагонах и в электро- и дизельпо-ездах. Наряду с этим, резинометаллические амортизаторы удара имеют недостатки, главный из которых - относительно малая энергоемкость аппаратов с ходом хп = 70 мм (Э = 40 кДж) и невозможность увеличить ход до 100 - 120 мм без значительного увеличения размеров амортизатора.
Особенности свойств резины как конструкционного материала обусловливают изменчивость свойств амортизатора: в первую очередь это связано с рассеиванием твердости резинометаллических элементов и с влиянием на упругие свойства резины внешней температуры и процессов старения. Некоторые отмеченные недостатки могут быть устранены выбором целесообразной марки резины и рациональных параметров конструкции амортизатора.
Принципиальные схемы резинометаллических амортизаторов удара отличаются многообразием, однако среди конструкций, в которых резинометаллические элементы работают на сжатие, сдвиг и сжатие со сдвигом, нашли применение лишь те конструкции, в которых элементы работают на сжатие. В аппарате Р-4П (рис. 1.3 а) нажимная крышка одновременно служит упорной плитой, воспринимающей нагрузку от хвостовой части корпуса автосцепки. Аппарат Р-2П (рис. 1.3 б) имеет облегченный корпус в форме хомута, отличается конструктивной простотой и малой массой, его энергоемкость Э = 22,5 кДж при усилии 1,3 МН. Применение аппарата Р-5П (рис. 1.3 в), корпус которого выполнен совместно с тяговым хомутом, позволило несколько увеличить объем резинометаллических элементов и снизить расход металла. Расчетная энергоемкость этого аппарата Э = 45 кДж при Р = 1,5МН.
Недостатков резинометаллических аппаратов, связанных со свойствами резины как конструкционного материала, в значительной степени лишены полимерные аппараты, использующие упругие элементы из полиэфирных термо-эластопластов. Такие полимеры позволяют получить требуемое сочетание податливости и диссипативных свойств при высокой технологичности и возможности утилизации элементов, исчерпавших свой ресурс.
За рубежом применяются амортизаторы такого типа - фирмы «Майнер» (США, материал «хайтрел»), фирмы ELH (Германия, материал «дюрел»). Однако их энергоемкость редко превышает 45 кДж, что недостаточно для аппаратов класса ТІ.
В связи с этим наиболее рациональным является применение комбинированных поглощающих аппаратов, совмещающих в себе положительные черты фрикционных и полимерных узлов.
В последнее время такие конструкции получают все большее распространение. Основное поглощение энергии в них происходит на поверхностях трения, однако использование современных высокоэффективных полимерных материалов позволяет улучшить энергетические характеристики аппарата и повысить его стабильность. Это достигается увеличением доли энергии, поглощенной упругим комплектом.
Известны конструкции резинофрикционных амортизаторов РФ1 и РФ2 [35] (рис. 1.4 а). Использование комплекта резинометаллических элементов позволяет получить высокую энергоемкость возвратно-подпорного устройства и снизить коэффициент передачи фрикционной Клиновой, системы. Вследствие значительной относительной деформации резины силовая характеристика подпорной части существенно нелинейна - «жесткая» [48]. В аппаратах типа РФ с ходом 70 мм относительная деформация достигла предельных значений є = 25 - 27 %. Использование резинового подпора для аппаратов с ходом, превышающим 100 мм, без значительного увеличения размеров практически неосуществимо.
Проектирование подпорного комплекта поглощающего аппарата
Одной из главных задач проектирования подпорного комплекта является выбор оптимальной формы и размеров элементов упругого блока. Высоту элементов, а по сути - их число в подпорном комплекте, определим расчетно-экспериментальным путем, исходя из требований, предъявляемых к поглощающим аппаратам класса ТІ и ограничений, налагаемых размерами корпуса самого аппарата. Согласно стандарту усилие начальной затяжки аппарата должно составлять не менее 0,1 МН.
При расчетах и конструировании полимерных элементов, естественно, должен учитываться режим их деформации. При статических или эпизодических динамических нагрузках, которым и подвергается поглощающий аппарат, могут быть допущены сравнительно большие деформации деталей, а такое явление, как теплообразование вследствие действия внутренних сопротивлений, в этом случае практически не имеет значения.
При проектировании полимерного элемента будем исходить из требований, предъявляемых к поглощающему аппарату и описанных в последнем параграфе предыдущей главы. На первом шаге проектирования определим примерную высоту одного полимерного элемента для различного их числа в упругом подпоре.
Обозначим: Уі - количество полимерных элементов упругого пакета; h - суммарная толщина разделительных пластин (их количество на один меньше, чем элементов) при толщине одной пластины 5-6мм; Нап - размер места в аппарате для упругого блока - от днища корпуса до нажимной плиты (в состоянии поставки); Хц.з. -расчетная величина начальной затяжки одного элемента в собранном состоянии; Хх - абсолютная деформация элемента при максимальном ходе; #! - высота элемента в поджатом состоянии; Я2 -высота элемента при полном ходе; Н - расчетная высота элемента в свободном состоянии; Н - высота элемента в свободном состоянии с учетом добавки (до 15 мм) на износ фрикционных деталей поглощающего аппарата;
Для ограничения максимальной относительной деформации термопластового элемента зададимся значением [є] = 0.5 - эта величина получена из анализа напряженно-деформационного состояния термопластовых образцов различной формы на основе эксперимента [10, 37].
В итоге получим ограничения «сверху» для начальной затяжки и, как следствие, для высоты Н элемента в свободном состоянии, т.е.: Х„, +Xt [е) Хн.з. + Н\
На стадии проектирования были рассмотрены варианты с различным количеством элементов: от трёх до шести. Результаты сведены в таблицу 2.1, из которой следует, что высота одного элемента (без начального сжатия) должна быть не более величины, указанной в последнем столбце..
Основным критерием, позволяющим формировать подпорную часть, является энергоемкость пакета, значит, оценивать пригодность элемента для использования его в поглощающем аппарате будем по силовой характеристике, а именно по коэффициенту ее полноты, стабильности в процессе многократных нагружений, максимумам силы и деформации. Коэффициент полноты П представляет собой - по аналогии с аппаратом в целом [48] - отношение фактической энергии сжатия, воспринятой одним элементом, к энергии, воспринятой «идеальным» элементом при максимальной силе Ртак и максимальном перемещении JTmax.
В качестве базовых рассматривались варианты с четырьмя и пятью упругими элементами при четырех и трех разделительных пластинах соответственно; эксперимент показал, что большее количество повышает жёсткость аппарата, а меньшее (установлено в ходе эксперимента) - приводит к потере устойчивости пакета элементов. Максимальная относительная деформация упругого элемента составляет 40-45%. После расчетно-экспериментального анализа че-тырехэлементная схема была отвергнута, так как обеспечивала меньшую энергоемкость при заданной силе.
Одной из причин, приводящих к быстрому выходу из строя деталей вообще, является их разрушение вследствие высокой концентрации возникающих локальных напряжений. Концентрация напряжений в полимерных элементах может быть вызвана неправильно сконструированной формой самого элемента или связанных с ним металлических частей - пластин-прокладок. Для предупреждения появления в полимере очагов концентрации напряжений элемент не должен иметь острых углов, выступов, канавок.
При проектировании следует добиваться равномерного распределения напряжений по всему объему элемента. Для этого необходимо применять симметричные конструкции во всех случаях, когда это возможно. Несущая способность и жесткость конструкции должна быть достигнута не в ущерб ее долговечности. Жесткость в значительной степени зависит от соотношения продольного и поперечного размера детали.
Особо отметим стабильность или устойчивость характеристики. Известно, что первый, относительно кратковременный этап работы резинометалличе-ского амортизатора, соответствующий 50-80 ударам, характеризуется высокими остаточными деформациями [51, 64]. Это приводит к значительному уменьшению начальной затяжки аппарата х0 и соответственно его энергоемкости Э и максимальной силы закрытия Рап. Таким образом, в процессе эксплуатации со временем происходят необратимые изменения формы (в частности - уменьшение высоты) элемента.
Согласно [42, 54, 62], при рассмотрении вопросов, касающихся деформации резины и полимерных материалов, различают упругую, высокоэластическую и пластическую деформации.
При упругой деформации под действием внешней силы молекулы материала удаляются одна от другой на расстояние, пропорциональное величине приложенного напряжения, но в пределах действия межмолекулярных сил. Порядок относительного расположения молекул при этом не нарушается. После снятия внешней нагрузки молекулярная сетка приходит в начальное равновесное состояние, а деформация материала исчезает. Такая деформация, как известно, называется упругой и подчиняется закону Гука.
Природа высокоэластической деформации раскрывается при рассмотрении процесса нагружения во времени. Как установлено, равновесие между нагрузкой и деформацией наступает не мгновенно, а происходит во времени и подчиняется сложным законам. При создании перерывов в действии нагрузки на образец (отдыха), вследствие обратимости высокоэластичной деформации, последняя полностью снималась.
Ресурсные испытания
Целью ресурсных испытаний являются оценка ресурса, долговечности и износостойкости поглощающего аппарата автосцепки. Ресурсным испытаниям был подвергнут аппарат, прошедший цикл испытаний при соударении вагонов на экспериментальном кольце ВНИИЖТ. Испытания проводились в соответствии с [3] на ударном стенде БГТУ-БСЗ с ударяющей тележкой массой 44т. Опытный аппарат устанавливался в неподвижном упоре стенда, на накатываемой тележке вместо поглощающего аппарата устанавливался жесткий стержень.
В начале и в конце испытаний проводилась регистрация во времени силы удара и хода аппарата при различных скоростях накатывания ударной тележки. Испытания проводились в течение марта-мая 2004г.
Учитывая, что номинальная энергоемкость аппарата класса ТІ составляет 70 кДж, испытания, согласно упомянутой выше «Методике...», велись на трех уровнях нагружения. Всего было нанесено: 9000 ударов со 2-й шпалы (скорость удара - 0,88 м/с, энергия удара - 19 кДж); 3000 ударов с 4-й шпалы (скорость удара - 1,33 м/с, энергия удара - 35 кДж); 600 ударов с 5-й шпалы (скорость удара - 1,56 м/с, энергия удара - 59 кДж).
Общая введенная энергия составила 319 МДж. Это соответствует 20-25 годам эксплуатации аппарата, что превышает ограниченный техническими условиями безремонтный срок службы, который составляет 16 лет.
Во избежание перегрева объектов испытаний, количество энергии, вводимой в испытуемый аппарат в течение 30 минут, должно быть не более 600 кДж. Для выполнения этого требования испытания велись с 10-15 перерывами с целью охлаждения аппарата.
Изменение динамических силовых характеристик аппарата за время ресурсных испытаний отражают графики на рис 3.5 и 3.6. В табл. 3.1 приведены параметры силовых характеристик, скорости удара и энергоемкость аппарата.
Графические зависимости силы Р, хода аппарата х и энергоемкости Э от скорости удара Vo приведены на рис 3.7-3.10. Как видно из таблицы и рисунков, к концу ресурсных испытаний несколько снизилась номинальная энергоемкость аппарата (на 18%), в основном, за счет ужесточения аппарата. Основной причиной этого, а также изменения вида силовых характеристик аппарата (увеличение интенсивности скачкообразного характера изменения силы) является повышение доли участия в процессе трения пары «сталь - сталь», прежде всего в зоне контакта подвижных пластин с корпусом, а также более интенсивная работа защитных стальных ребер неподвижных пластин по подвижным пластинам и клиньям по мере износа металлокерамики.
Значительного снижения максимальной энергоемкости аппарата не обнаружено. Изменение показателей работы аппарата после окончания ресурсных испытаний не превысило 30%. За все время испытаний не было отмечено ни одного случая заклинивания аппарата; не отмечалось случаев покачивания неподвижных пластин.
Разборка аппарата по окончании ресурсных испытаний показала, что ме-таллокерамические пластины сохранили металлокерамику на 70,,.80% от ее исходной площади, линейный износ металлокерамики составлял от 2 до 3 мм (исходная высота металлокерамического брикета составляет 4 мм). На поверхности металлокерамических пластин, контактирующих с клином, отчетливо видны уступы (рис. 3.14), образовавшиеся от длительной работы при неполном ходе - наблюдается полировальный эффект. Этот эффект - издержки методики ресурсных испытаний, которая исключает нагружения, приводящие к реализации полного хода аппарата, когда сила превышает 2 МН. Износ стенки стального корпуса после введения в аппарат энергии составил 0,4 мм.
Все остальные детали аппарата (см. рис. 3.12-3.17), начиная от корпуса аппарата и заканчивая полимерными элементами, находились в исправном состоянии - они обладают достаточной прочностью и износостойкостью; болт сохранял свою прямолинейную форму.
Линейная начальная затяжка аппарата после испытаний составила 17 мм, сила начального сжатия аппарата - 70 кН. Уменьшение начальной затяжки аппарата частично связано с износом металлокерамики и других деталей аппарата, но, прежде всего, с уменьшением высоты полимерных элементов с 100 до 92 мм на один элемент. Имело место изменение статической силовой характеристики комплекта (рис. 3.11).
По результатам этих исследований, а также ресурсных испытаний аппаратов с резиновыми элементами [64], можно сделать вывод, что срок службы в большей степени лимитируется фрикционными узлами, нежели полимерными элементами.
В целом следует заключить, что опытный поглощающий аппарат ГТМКП-110 по окончании ресурсных испытаний полностью сохранил свою работоспособность. Изменение выходных параметров аппарата за время ресурсных испытаний не превысило 30%, что соответствует ОСТ 32.175-2001.
Математическое моделирование с учетом эксплуатационных факторов
Без математического описания работы поглощающего аппарата его проектирование нельзя считать законченным. Вопросы разработки математических моделей фрикционных аппаратов и корректировки параметров подробно рассмотрены в большом количестве источников. Остановимся на основных моментах, изложенных в [48].
Известно, что силовые характеристики фрикционных амортизаторов удара обладают существенным непостоянством и не могут быть представлены одной кривой, выражающей зависимость силы удара в функции перемещения, а представляют систему кривых, каждая из которых зависит от начальной скорости удара, соударяемых масс и величины предварительного сжатия аппарата -начальной затяжки.
К настоящему времени разработаны математические модели, позволяющие с достаточной достоверностью и точностью оценивать влияние силовых характеристик поглощающих аппаратов автосцепки на уровень продольных сил и ускорений при различных режимах движения. При этом в зависимости от решаемой задачи им может быть придан как детерминированный, так и стохастический характер.
Установлено, что всем фрикционным амортизаторам в большей или меньшей мере присущ немонотонный, скачкообразный характер изменения силы сопротивления при ударе. Скачкообразное изменение силы при ударе во фрикционный аппарат является следствием автоколебаний; взаимное перемещение двух тел со скольжением при упругом закреплении одного из них имеет прерывистый характер, который обусловлен применением пары трения сталь -сталь. Процесс колебания распадается на два различных этапа: на первом этапе поверхности трения находятся в состоянии покоя (длительность этапа зависит от статической характеристики пары трения и упругости системы); на втором -поверхности трения находятся в состоянии относительного движения, которое определяется кинетической характеристикой трения.
Хотя демпфирующие свойства полимеров значительно снижают фрикционные автоколебания, сопровождающие ударное сжатие, тем не менее, при математическом моделировании достичь равномерного приближения не удается.
Представляется целесообразным идентифицировать математическую модель поглощающего аппарата по результатам натурных испытаний. Подобная методика оценки по результатам соударений двух аппаратов, один из которых серийный (ПМК-110), подробно описана в [49]. Предварительную оценку параметров удобно проводить по результатам ударов в упор.
Обе схемы, аналогичные маневровым ситуациям, необходимо рассматривать, так как схема удара вагона в упор аналогична случаю формирования поезда на сортировочных горках. Так, ударная волна, проходя по сцепу, нагружает не только первый, но и все последующие его вагоны; при одном формировании поезда почти все его вагоны испытывают целый ряд силовых воздействий, что существенно влияет на их нагруженность. Схема же соударения двух вагонов аналогична случаю столкновения вагона с новым аппаратом и вагона, оснащенного серийным поглощающим аппаратом.
Таким образом, процесс моделирования состоит из двух этапов.
На первом этапе при моделировании используется схема удара вагона в неподвижный упор. Наибольший интерес при расчете соударения одиночных вагонов представляет этап нагрузки при v 0, При этом вагон описывается двухмассовой расчетной схемой, позволяющей разделить упруго-диссипативные свойства вагона и его поглощающего аппарата. На рисунке 4.1 представлена двухмассовая модель вагона.
В процессе моделирования массы принимались равные следующим величинам: тх = 200кг, т2 =42000 кг.
Поглощающий аппарат ПМКП-110 спроектирован на базе аппарата ПМК-110, и естественно, что их математические модели отличаются незначительно. Поэтому было логично попытаться опереться на опыт идентификации параметров аппарата ПМК-110. Для ПМК-110 идентифицируемыми параметрами являлись коэффициент трения /4 и параметр, связывающий силу трения со скоростью скольжения b. (см. Главы 2). Итак, критериями являются сила и энергоемкость, идентифицируемыми параметрами - Ъ и /,- параметры коэффициентов трения. В итоге получается система из двух уравнений с двумя неизвестными.
Идентификация модели производилась по трем экспериментам, где удары производились со скоростями 1,2 м/с, 1,35 м/с, и 1,88 м/с.
В процессе идентификации варьировались коэффициенты трения на основных и вспомогательных поверхностях. Экспериментальные силовые характеристики аппарата (светлый цвет) и математические модели (темный цвет) представлены на рисунках. Экспериментальные данные были получены в марте 2004 г на поглощающем аппарате, оборудованном полимерным комплектом из дюрела.
Широко используемый при математическом моделировании критерий среднего квадратического отклонения некорректен, так как он применим в случаях, когда мы хотим равномерно приблизить характеристики на всем рассматриваемом интервале (но ввиду упомянутых выше замечаний это сделать достаточно сложно). Наиболее простым для такого рода идентификации является применение таких критериев, как совпадение наиболее значимых величин: максимальных сил, максимальных перемещений, энергий удара.
Для получения наилучших результатов можно применить комбинацию вышеперечисленных критериев с определяемыми эмпирически весовыми коэффициентами.
