Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ работ по тяговым приводам подвижного состава и возникающим в них нагрузкам 7
1.1 Научные работы по исследованию динамических свойств тяговых приводов экипажей 7
1.2 Неисправности, возникающие при эксплуатации тягового подвижного состава с рамным подвешиванием тяговых двигателей 17
1.3 Научно-практические работы по исследованию вибраций асинхронных электрических двигателей 36
1.4 Постановка цели и задач исследования . 48
2 Исследование схем подвешивания двигателей и моторно-редукторных блоков (МРБ) к раме тележки 53
2.1 Анализ схем конструкций крепления тяговых двигателей и МРБ к раме тележки . 53
2.2 Анализ распределения статических нагрузок на опорные точки МРБ тяговых приводов 62
2.3 Рациональные схемы подвешивания МРБ к раме тележки 85
3 Методика исследования колебаний тяговых приводов и их динамических свойств с учетом упругих деформаций рамы тележки 89
3.1 Основные положения методики решения динамических задач сложных механических систем с распределенными параметрами 89
3.2 Разработка математической модели динамической системы «тяговые двигатели - рама тележки» 96
3.3 Разработка математической модели тяговой муфты для исследования крутильных колебаний 112
4 Исследование динамических свойств системы «тяговые двигатели – рама тележки» 129
4.1 Возмущающие факторы, действующие на динамическую систему «тяговые двигатели – рама тележки» 129
4.2 Динамические свойства тяговых муфт электровозов ЭП1 и ЭП1 141
4.3 Улучшение динамических свойств мембранных муфт 144
4.4 Влияние гибкости конструкции рамы тележки на деформации опорных узлов рамных тяговых двигателей 150
4.5 Сравнение амплитудно-частотных характеристик различных схем подвешивания рамных тяговых двигателей 176
5 Экспериментальная проверка некоторых технических решений 187
5.1 Подвешивание МРБ к раме тележки с помощью резинометаллических блоков 187
5.2 Обоснование возможности использования результатов испытаний моторной тележки электропоезда ЭД6 для подтверждения разработанных технических решений 190
5.3 Методика испытаний вагона электропоезда ЭД6-00104 на экспериментальном кольце ВНИИЖТ 191
5.4 Оценка виброзащитного эффекта от применения резинометаллических шарниров в опорах моторно-редукторных блоков (МРБ) 196
5.5 Результаты обработки экспериментальных записей ускорений вибраций рамы тележки, кузова и моторно-редукторного блока при испытаниях на кольце ВНИИЖТа 204 Заключение 222
Список литературы 224 Приложение 234
- Неисправности, возникающие при эксплуатации тягового подвижного состава с рамным подвешиванием тяговых двигателей
- Анализ распределения статических нагрузок на опорные точки МРБ тяговых приводов
- Разработка математической модели динамической системы «тяговые двигатели - рама тележки»
- Влияние гибкости конструкции рамы тележки на деформации опорных узлов рамных тяговых двигателей
Введение к работе
Актуальность. В последние годы вследствие интеграции России в международное экономическое пространство наблюдается увеличение потребности в осуществлении перевозок, в том числе и по железным дорогам.
В связи с распоряжением правительства РФ № 877-з от 17 июня 2008 г.
была утверждена «Стратегия развития железнодорожного транспорта в
Российской Федерации до 2030 г.». В соответствии с программой
«Стратегические направления научно-технического развития ОАО
«Российские железные дороги» на период до 2015 г.» для достижения поставленной цели руководством компании были сформулированы основные задачи, среди которых можно выделить следующие: повышение скоростей движения грузовых и пассажирских поездов, увеличение нагрузки на ось, формирование тяжеловесных поездов массой более 9000 т, улучшение тяговых свойств локомотивов и снижение удельного расхода энергии на тягу поездов, повышение уровня безопасности движения поездов.
Используя особенность тяговых приводов с асинхронным двигателем – относительно малый вес тягового двигателя по сравнению с двигателями пульсирующего и постоянного тока, - можно уменьшить неподрессоренную массу за счет меньшей массы двигателя, но только на 20%. Но другая особенность асинхронного тягового двигателя - повышенная частота вращения ротора – потребовала увеличения передаточного числа редуктора, что привело к его усложнению.
В настоящее время развиваются скоростные контейнерные и контрейлерные перевозки на большие расстояния до 10тыс. км со скоростями близкими к скоростям пассажирских поездов. Для этого требуются мощные скоростные локомотивы с конструкционной скоростью не менее 140-160 км/ч, способные эксплуатироваться с разными родами тока и напряжения.
Железнодорожная промышленность уже создала ряд локомотивов: ЭП10, ЭП20, ЭП2К, ТЭП70, - отвечающих этим требованиям. Однако длительная эксплуатация локомотива ЭП10 с большими скоростями на длинных плечах выявила ряд недостатков в механической части тягового привода, угрожающих безопасности движения.
Таким образом, в связи с широким применением тяговых приводов с рамным подвешиванием тяговых двигателей повышение надежности тяговых приводов в настоящее время остается актуальной задачей.
Цель диссертационной работы. Выявление причин разрушения системы креплений к раме тележки тяговых двигателей с карданными
муфтами. Разработка предложений для повышения надежности креплений тяговых двигателей на раме тележки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Выполнить анализ разрушений тягового привода электровоза ЭП10 в эксплуатации для разработки рабочих гипотез.
-
Разработать конечно-элементную модель подрессоренной части моторной тележки.
-
Выполнить верификацию расчетной модели и натурной тележки на основе данных испытаний электровоза.
-
Выполнить статический анализ расчетной схемы монтажа опор двигателя и моторно-редукторного блока (МРБ) по действительному распределению нагрузок.
-
Провести динамический анализ различных вариантов креплений тяговых двигателей на раме тележки с учетом упругих свойств кронштейнов и шарниров.
-
Исследовать динамические свойства карданной муфты тягового привода с учетом гироскопических моментов.
-
Экспериментально подтвердить разработанные технические решения.
Степень разработанности. В работе проанализированы научные работы ученых, которые внесли большой вклад в исследование динамики тяговых приводов локомотивов: А.И. Беляева, И.В. Бирюкова, М.Д. Глущенко, А.С. Евстратова, В.Н. Иванова, А.А. Камаева, В.И. Киселева, В.С. Коссова, В.В. Кочергина, В.Б. Меделя, Г.С. Михальченко, А.П. Павленко, Е.К. Рыбникова, А.Н. Савоськина, Ю.Н. Соколова, А.А. Шацилло, Х.Г. Усманова.
Методы проведения исследований. Для решения поставленных задач
использован метод математического моделирования механических систем и
современные промышленные программные комплексы. Геометрическая
модель механической части смоделирована в пакете SolidWorks, для
расчетов применен пакет Patran-Nastran MSC.Software, математический пакет MathCAD. Ввиду большой размерности моделей применялся вычислительный кластер суперкомпьютерного комплекса МИИТа Т-4700.
Достоверность результатов, полученных в диссертации,
обеспечивается согласованием результатов расчетов, полученных на модели, с результатами натурных испытаний электровозов на линии.
Научная новизна. В рамках диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
-
Установлено, что компоновочные схемы и конструкции опорных элементов тяговых двигателей и моторно-редукторных блоков (МРБ) на рамах тележек локомотивов не соответствует применяемым расчетным кинематическим схемам, - в результате появляется фактическая статическая неопределенность в нагрузках опорных элементов.
-
Впервые на базе натурных экспериментов разработана расчетная конечно-элементная модель подрессоренной части моторной тележки локомотива, учитывающая упругие и диссипативные свойства элементов конструкции при расчетах опорных элементов.
-
Выявлены рациональные схемы расположения опорных элементов и конструктивных схем опор тяговых двигателей и МРБ на раме тележки; получена аналитическая зависимость координат мест расположения опор от координат центра масс двигателя и МРБ.
-
Разработаны требования к опорным элементам асинхронных тяговых двигателей на раме моторных тележек, снижающих вибронагруженность креплений.
-
Сформулировано требование к конструкции карданной тяговой муфты для рамных тяговых двигателей скоростных локомотивов, устраняющее появление вибрационных нагрузок.
Практическая ценность работы.
-
Впервые проведен совместный анализ компоновочных схем и конструкций креплений тяговых двигателей и моторных редукторных блоков на рамах моторных тележек, в результате которого установлены причины появления статической неопределимости в нагрузках опор.
-
Предложена методика оценки виброактивности конструкций креплений тяговых двигателей и МРБ на базе разработанной конечно-элементной модели подрессоренной части моторной тележки.
-
Получены расчетные формулы, позволяющие оценивать статические нагрузки на опорные элементы тяговых двигателей и МРБ в зависимости от расположения опорных кронштейнов над уровнем головки рельса с учетом фрикционного трения в шарнирных элементах.
-
Получена формула, позволяющая определить расположение опор на центральной балке тележки из условия их равномерного нагружения.
-
Даны рекомендации по модернизации опорных элементов тягового двигателя электровоза ЭП10.
-
Предложено изменение конструкции карданной тяговой муфты для тяговых приводов скоростных электровозов с рамными тяговыми двигателями.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Методика исследования совместных колебаний тяговых двигателей и рамы тележки на основе конечно-элементной модели большой размерности.
-
Методика исследования крутильных колебаний карданных тяговых муфт с учетом гироскопических моментов на основе конечно-элементной модели.
-
Результаты исследования схем креплений тяговых двигателей и МРБ, в результате которого были получены рациональные схемы расположения кронштейнов и соотношения между основными размерами моторно-редукторного блока и расстоянием между опорами МРБ из условия их равномерного нагружения.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на
следующих конференциях: XII научно-практическая конференция
«Безопасность движения поездов», Москва, 2011г.; XIII научно-практическая конференция «Наука транспорту», Москва, 2012г.; XIII научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов», Москва, 2012г.; XV Российская конференция пользователей систем MSC.Software, Москва, 2012г.; XIV научно-практическая конференции «Наука транспорту» 2013г., XVI Российская конференция пользователей систем MSC.Software, Москва, 2013г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них 4 тезиса докладов на конференциях.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, включающего 94 наименования, и приложения. Работа содержит страниц основного 243 текста, включая 139 рисунков и 14 таблиц.
Неисправности, возникающие при эксплуатации тягового подвижного состава с рамным подвешиванием тяговых двигателей
Особенности конструкции элементов подвешивания тяговых двигателей электровоза ЭП10
Асинхронные тяговые двигатели электровоза крепятся к раме тележки в трех точках: две точки на центральной поперечной балке и одна - на концевой балке рамы тележки (рисунок 1.1). Опорными элементами на центральной поперечной балке являются цилиндрические валики (1) (рисунок 1.2, а), каждый из которых с помощью двух болтов (9, 10) крепится к кронштейнам, находящимся на поперечной балке тележки. Кронштейны тягового двигателя (2) накладываются на валики и крепятся к валикам с помощь двух болтов (4), которые проходят насквозь через кронштейны двигателя и валики. В отверстиях кронштейнов между стенкой отверстия и не резьбовой частью болтов имеются неконтролируемые зазоры порядка 1-2 мм. Таким образом, создается жесткое в вертикальном направлении соединение кронштейнов двигателя и кронштейнов на поперечной балке рамы тележки.
На концевую балку рамы тележки двигатель опирается с помощью длинного кронштейна на опору (рисунок 1.2, б), которая через регулировочные подкладки с помощью двух болтов (11) крепится к кронштейну концевой балки. К опоре кронштейн двигателя крепится с помощью болта (8), который защищен от монтажного изгиба с помощью сферической шайбы (12).
Анализ разрушений элементов крепления тягового двигателя к раме тележки (электровоз ЭП10-011)
На рисунке 1.3 показаны опорные валики 1 (рисунок 1.2) на которые опирается тяговый двигатель посредством своих кронштейнов, располагающихся на корпусе двигателя со стороны центральной балки. На рисунке видны блестящие следы от перемещения фигурных шайб 4 (рисунок 1.2) подкладываемых под головки крепежных болтов, проходящих через опорный валик и ввернутых в кронштейны двигателя. Следы «потертости» свидетельствуют о том, что сначала происходили неоднократные смещения фигурных шайб из-за ослабления либо опоры на концевой балке, либо олтов кронштейнов на центральной балке. Болты крепления кронштейнов двигателя были ослаблены, стали отворачиваться и работать на изгиб, чтопривело к их излому. Обычно болты, работающие на изгиб, ломаются в основании резьбовой части на 3-4 витке от поверхности присоединяемой детали. На рисунке 1.3 видны остатки болта. На рисунке 1.4 виден результат обрыва болтов крепления кронштейна двигателя – отрыв кронштейна тягового двигателя от его привалочной поверхности. При этом произошло ослабление нижнего болта, затем его излом, образование зазора между сопрягаемыми поверхностями двигателя и кронштейна и дальнейший излом верхних болтов (рисунки 1.5). На рисунке 1.7 виден кронштейн опоры тягового двигателя на концевую балку. На рисунке 1.8 приведены фотографии деталей опоры тягового двигателя на центральную балку. Детали опоры имеют значительный износ, который мог произойти за длительное время. Характер износа деталей подтверждает то, то происходили большие перемещения кронштейна, которые произошли после ослабления гайки 8 (рисунок 1.2), износа резьбы и потери болта из-за износа резьбы или его излома. На рисунке 1.9 показаны разрушенные детали крепления двигателя, подтверждающие их работу при ослаблении или изломе болтов. Таким образом, из анализа характера разрушения элементов привода на электровозе ЭП10-011 можно заключить следующее: - разрушение крепежных болтов кронштейна двигателя произошло из-за ослабления элементов опоры на концевой балке рамы; - это привело к беспорядочным колебаниям двигателя по всем направлениям при движении электровоза, ослаблению болтов крепления двигателя к кронштейну на поперечной балке со стороны редуктора; - падение двигателя произошло в сторону редуктора, о чем свидетельствует не разрушенный кронштейн двигателя противоположный редуктору (рисунок 1.9), и изгиб фланца кордовой муфты (рисунок 1.10).
Анализ распределения статических нагрузок на опорные точки МРБ тяговых приводов
На пассажирских локомотивах магистральных железных дорог применяют рамное подвешивание тяговых двигателей. При этом тяговый двигатель опирается на раму тележки по классической трехточечной схеме. Такая схема считается статически определенной, потому что реакции в точках опор двигателя можно определить из трех или шести алгебраических уравнений статики.
В процессе эксплуатации локомотивов не редки случаи разрушения креплений тяговых двигателей с последствиями, угрожающими безопасности движения.
Для проверки прочности болтов был проведен расчет на соответствие размеров болтов в креплениях действующим нагрузкам (приложение 1). Запас прочности болтов достаточен. Можно назвать ряд причин, приводящих к ослаблению креплений. Первая – нарушение технических условий монтажа креплений. Вторая – несоответствие расчетной схемы, применяемой для определения сил, действующих на элементы опорной конструкции. Обычно применяют расчетную схему двухопорной балки или схему пространственной трехопорной балки. В том и другом случаях у этих балок предполагают существование подвижных или неподвижных шарнирных опор. Опоры представляются с одной стороны идеальным цилиндрическим шарниром, а с другой – цилиндрическим шарниром и поступательной кинематической парой. Описание конструкций опор тягового двигателя электровоза ЭП1 дано в разделе 1.2.1. Таким образом, исходя из описания конструкции опорных элементов тягового двигателя и теоретического представления опор расчетной схемы, опорный валик не может выполнять функции цилиндрического шарнира, а концевая опора является жестким элементом и не имеет ни одной степени свободы. Для рамы тележки тяговый двигатель с жестким креплением между средней и концевой балками является дополнительной «балкой», которая жестко связывает центральную балку с концевой и вносит в конструкцию рамы тележки дополнительную статическую неопределенность в определение реакции опорных элементов. Пользуясь терминологией методов расчета рамных конструкций, опорные элементы тягового двигателя являются «заделками», которые имеют разную жесткость, и возникающие в этих элементах силы зависят от многих факторов и в этом случае определяются качеством изготовления деталей и монтажа. Монтаж тягового двигателя на средней балке рамы тележки (болты крепления валика к кронштейну рамы не показаны) (а) и характер разрушений креплений на центральной (б) и на концевой (в) балках На рисунке 2.7,б показана фотография разрушения крепежных деталей кронштейнов на средней балке тележки, как «чуждого элемента» в конструкции рамы тележки. Опора, подобная представленной на рисунке 2.7, в и рисунке 1.2, б была применена в тяговом приводе тепловоза ТЭП60 (рисунок 2.8). При эксплуатации тепловоза происходил сильный овальный износ средней конусной части, совпадающий по форме с износом опоры тягового двигателя электровоза ЭП10 (рисунок 2.7, в).
Овальный износ (разработка) конусной посадочной поверхности опоры тягового двигателя тепловоза ТЭП60
На рисунке 2.9 показана схема действующих в опорах креплений тягового двигателя электровоза ЭП10 на раме тележки опорных реакций. Как видно из рисунка, их девять, т.е. такая система в общем случае должна описываться системой из девяти алгебраических уравнений с девятью неизвестными и является статически неопределимой.
На рисунке 2.4 показано поперечное сечение конструкции опорных элементов тяговых двигателей на центральных поперечных балках рамы тележки тепловоза ТЭП70, электровоза ЭП2К и опытного электропоезда ЭД6 с асинхронными двигателями.
Представляется целесообразным рассмотреть конструкцию опор на предмет соответствия выполняемых ими функций цилиндрической и поступательной кинематических пар.
На рисунке 2.10 показана компоновка тягового привода на раме тележки электровоза ЭП10. Так же компонуется тяговый привод на электровозах ЭП1, ЭП1М.
Конструкции опор тяговых двигателей электровозов ЭП10, ЭП1 были уже рассмотрены в разделе 1.2.1. Они не соответствуют расчетным схемам цилиндрических шарниров.
Конструкции опор электровозов ЭП2К, тепловоза ТЭП70 последних выпусков и опытного электропоезда ЭД6 также рассмотрены в разделе 2.1, рисунок 2.4. В конструкции креплений тягового двигателя электровоза ЭП10 жестко с помощью болтов крепится только кронштейн тягового двигателя к опорному валику. Валик входит в кронштейн средней балки рамы тележки, который имеет круглые боковые части. Валик фиксируется в кронштейне с помощью разрезных конусных колец, которые поджимаются болтами. Такая конструкция облегчает при монтаже двигателя его регулировку в поперечном направлении.
При возникновении деформации рамы или кронштейнов валики могут поворачиваться относительно своей оси в пределах, допускаемых сопротивлением между конусным частями валика и конусными шайбами.
В качестве третьей опоры обычно применяют опору, выполненную по схеме скользящей кинематической пары со степенью свободы вдоль оси рельсового пути, или применяют подвеску со сферическими шарнирами, на которую опирается блок «тяговый двигатель – редуктор».
На рисунке 2.10 показана схема реакций, возникающих в опорных точках подвешивания тягового двигателя с редуктором по схеме тепловоза ТЭП70.
Разработка математической модели динамической системы «тяговые двигатели - рама тележки»
На электровозе ЭП10 применены двухосные тележки со сварными рамами. Системы компьютерного проектирования позволяют оптимизировать конструкции рам по требуемой прочности при минимальном расходе материала. При этом рамы сварных тележек получаются повышенно гибкими по сравнению с рамами литых тележек.
Расположение и монтаж на раме сварных тележек массивных элементов тягового привода: тяговых двигателей, редукторов, моторно-редукторных блоков, - заставляет рассматривать раму тележки как упругую конструкцию, выполняющую функции упругого основания для элементов тягового привода. При этом возможны колебания элементов привода на раме как на упругом основании. Для устранения нежелательных колебаний необходимо исследовать динамические свойства таких систем.
Общая масса тяговых двигателей и редукторов превышает или соизмерима с массой рамы, и это обстоятельство требует учета упруго-диссипативных свойств рамы, как распределенной системы, а в некоторых случаях и элементов привода.
При исследовании динамических свойств, особенно при расчете собственных частот и форм колебаний такой системы необходимо применять методы теории упругости, которые в настоящее время реализованы в методе конечных элементов (МКЭ) и компьютерных программах. Этот метод позволяет учитывать упругие, инерционные и диссипативные свойства исследуемых динамических систем и их распределение в пространстве. При исследовании динамических систем обычно решается ряд задач, среди которых задача на определение собственных чисел и векторов (собственных частот и форм колебаний динамической системы), которая представляет информацию о внутренних свойствах системы, ее структуре, возможных резонансных частотах. В данном случае необходимо разработать расчетную модель системы для исследования совместных колебаний тяговых двигателей и рамы тележки. При такой постановке задачи следует учитывать основные элементы, входящие в систему, а влияние неучтенных элементов задавать через граничные условия. Граничные условия определяются характером и видом реактивных сил от взаимодействующих с рассматриваемой системой элементов сложной системы.
Система «рама тележки – тяговые двигатели» взаимодействует с колесными парами через буксовое подвешивание, а с кузовом через центральное рессорное подвешивание.
Граничные условия можно задавать как жесткое закрепление рамы с основанием в местах расположения пружин или моделировать рессорное подвешивание в виде пружин. Для оценки необходимости учета в модели рессорного подвешивания необходимо сравнить основные параметры, в частности, жесткости основной системы и не учитываемой.
Для того чтобы однозначно решить, каким способом задавать граничные условия рамы, рассчитывались собственные частоты одиночной рамы с различными способами ее закрепления:
1) рама, закрепленная симметрично по четырем узлам по перемещению в вертикальном, продольном и поперечном направлениях – по данной модели можно оценить характер колебаний рамы и подвешенных к ней элементов (тяговых электродвигателей, тормозных цилиндров), которые, обладая массой, оказывают влияние на колебания концевых балок на собственных частотах, кроме колебаний на пружинах. Рама тележки – подрессоренная часть экипажа, поэтому амплитуды собственных частот нельзя считать объективными, поскольку модель не деформируется из-за отсутствия упругих элементов. Кроме того, из-за характера закрепления (по четырем точкам на продольных балках) пропадает форма изгибных колебаний рамы, симметричных относительно диагонали;
2) половина рамы, закрепленная по поперечной балке от поперечного перемещения, а по двум узлам на продольных балках – от вертикального перемещения, - недостатки данной модели аналогичны первой, когда рама закреплена симметрично по четырем узлам;
3) рама на пружинах, соединение между рамой и пружинами не жесткое, а выполнено опирание рамы на пружины, аналогичное реальному, смоделированное с помощью MPC (RBE22) -элементов. В реальной системе контакт пружины и рамы осуществляется за счет трения между опорными поверхностями, но состояние этих поверхностей не абсолютно ровное, следовательно, возможны относительные перемещения;
4) рама на пружинах, соединение между рамой и пружинами смоделировано жесткое – на данной модели можно оценить колебания рамы на пружинах, но колебания (собственные частоты) ротора тягового двигателя и тормозных цилиндров не проявляются;
5) рама на рессорном подвешивании. Выполнено оно не с помощью пружин, а через одномерные BUSH-элементы, которым заданы жесткости реальной пружины, т.е. каждая пружина заменена одним BUSH-элементом. Данная модель аналогична модели номер 4 рама на пружинах, которые жестко соединены с ней. Недостаток BUSH-элементов – безмассовые элементы, поэтому они не оказывают влияние на величины собственных частот (только на характер), как пружины. Количество рассчитываемых частот принималось равным 10, поскольку этого было достаточно для определения характера изменения величин собственных частот в зависимости от характера закрепления рамы.
На рисунке 3.1 приведена диаграмма собственных частот моделей рамы. Прямая линия соответствует собственным частотам одиночной рамы, закрепленной по четырем узлам. На эту прямую наложены кривые, изображающие собственные частоты моделей рамы с различными способами моделирования рессорного подвешивания, а также модель половины рамы в функции собственных частот одиночной рамы. Таким образом, построены графики зависимости рассчитанных собственных частот четырех моделей от собственных частот одиночной рамы тележки. По горизонтальной оси диаграммы откладывались независимые частоты, а по вертикальной оси – зависимые.
Из диаграммы видно, что первые пять собственных частот всех пяти моделей имеют сравнительно одинаковые значения, но частотах свыше 70 Гц характер изменения частот меняется. Так, спектр собственных частот модели половины рамы и модели рамы на BUSH-элементах в среднем лежит выше, по сравнению с моделью одиночной рамы.
Влияние гибкости конструкции рамы тележки на деформации опорных узлов рамных тяговых двигателей
Для того чтобы разработать или выбрать технические решения по выявлению резонансных частот в области эксплуатационных скоростей движения электровоза, что является предметом решения второй задачи, необходимо рассмотреть качественную картину взаимодействия тяговых двигателей и рамы тележки.
Предварительные расчеты частот и форм колебаний тягового двигателя на кронштейнах рамы без учета самой рамы показали, что первая собственная частота тягового двигателя на кронштейнах равна 75 Гц. С учетом рамы первая собственная частота составляет 31 Гц и последующие 46 Гц, 50 Гц и 57 Гц, на которых проявляются совместные формы колебания двигателей и рамы.
Расчеты собственных частот и форм колебаний исследуемой модели системы показывают хорошее совпадение с резонансными частотами, полученными при натурных испытаниях электровоза ЭП10.
На рисунке 4.16 показана форма колебаний исследуемой модели на 31 Гц. Как видно из рисунка происходят колебания боковой качки рамы тележки относительно тяговых двигателей. В результате происходит закручивание (торсионная деформация большого кронштейна тягового двигателя).
При колебаниях с частотой 46 Гц (рисунок 4.17 а, б) происходят изгибные колебания рамы в продольной плоскости с изгибом в горизонтальной плоскости из-за несимметрии системы, которые создают несимметрично расположенные тяговые двигатели. Как видно из рисунка 4.17 б, происходит изгиб большого кронштейна в месте его крепления к концевой балке рамы. Деформируются и малые кронштейны опоры тягового двигателя на центральную балку.
При колебаниях системы с частотой 50 Гц (рисунок 4.18) происходят противофазные колебания концевых балок рамы в горизонтальной плоскости с изгибом в этой плоскости больших кронштейнов двигателей, которые ввиду их жесткого крепления к концевым балкам закручиваются в той части, где жесткость их наименьшая.
При частоте колебаний 57 Гц, которая соответствует частоте 52 Гц, полученной при испытаниях методом удара, возникает сложная форма. Эта форма характеризуется поперечными колебаниями рамы, вызванными поперечными перемещениями центральной балки и колебаниями ротора внутри двигателей в фазе с рамой. В результате большие кронштейны деформируются по торсионной форме колебаний с их изгибом (рисунок 4.19).Таким образом, из рассмотренных форм колебаний, на резонансных частотах, можно заключить, что практически все формы связаны с деформацией большого кронштейна, и, как следствие, малых кронштейнов.
Рамное крепление тяговых двигателей широко применяется на пассажирских локомотивах, и, как показывает практика, ослабление креплений происходит в редких случаях.
В связи с этим необходимо исследовать ряд известных конструкций креплений тяговых двигателей в рамках тяговых двигателей класса II [31].
Исследование подразумевает установление связи различных схем креплений тяговых двигателей с возникающими при этом формами и частотами колебаний, и оценка влияния гибкости больших кронштейнов на эти параметры.
Характерные формы колебаний системы "рама тележки - тяговые двигатели" электровоза ЭП10 были рассмотрены ранее. Расчетная система электровоза ЭП1 имеет аналогичную схему крепления тягового двигателя к раме тележки. Принципиальное отличие заключается в конструкции больших кронштейнов.
На частотах 30 Гц и 39 Гц проявляются кососимметричные и симметричные колебания рамы колебания рамы (рисунки 4.20, 4.21), при этом колебания тяговых двигателей на этих частотах не возбуждаются.
Колебания рамы на частоте 54 Гц (рисунок 4.22) вызывают изгибные колебания рамы относительно продольной оси тележки, однако при этом большой кронштейн крепления тягового двигателя на концевую балку почти не деформируется.
Аналогично на частотах 60 Гц и 62,57 Гц, на которых проявляются колебания тягового двигателя (рисунок 4.21) и ротора (рисунок 4.20), деформации большого кронштейна не возникает.
