Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ конструкций тележек современного подвижного состава 7
1.1. Анализ состояния проблемы износа гребней бандажей на железных дорогах РФ 9
1.2. Анализ конструкций двухосных тележек с радиальной установкой колесных пар 18
1.3. Анализ конструкций трехосных тележек с радиальной установкой колесных пар 37
1.4. Сравнение эффективности различных способов радиальной установки колесных пар 45
1.5. Анализ характеристик колесных пар с независимым вращением колес - 55
1.5.1. Преимущества и недостатки колесных пар традиционной конструкции 55
1.5.2. Преимущества и недостатки колесных пар с независимым вращением колесных пар 60
1.6. Выводы и заключения к первой главе 66
Глава 2. Способы стабилизации движения колесной пары с независимым вращением колес 68
2.1. Испытания колесных пар на катковом стенде 68
2.2. Анализ результатов испытаний экспериментального колесно-моторного блока 80
2.3. Выводы и результаты экспериментальных исследований 85
Глава 3. Исследование характеристик тележки с активной системой управления положением колесных пар в прямых и кривых участках пути 86
3.1. Описание кинематической схемы тележки с системой автоматического управления положением колесных пар 86
3.2. Фрикционное взаимодействие колесных пар с рельсами при независимом вращении колес 89
3.3. теоретическое исследование проблемы вписывания в кривые участки тележек оборудованных следящей системой управления 93
3.4. анализ результатов расчета вписывания предлагаемой тележки в кривую 110
Глава 4. Исследование характеристик следящей системы управления положением колесных пар в рельсовой колее . 111
4.1. Определение логических законов автоматического управления движением колесных пар в прямых и кривых участках пути 111
4.2. Разработка структурной и принципиальной схемы следящей системы управления 123
4.3. Выбор типов элементов, входящих в систему управления 127
Глава 5. Анализ эффективности внедрения следящей системы управления положением колесных пар в кривых участки пути . 130
Выводы 136
Список использованной литературы 140
- Анализ конструкций двухосных тележек с радиальной установкой колесных пар
- Преимущества и недостатки колесных пар с независимым вращением колесных пар
- Анализ результатов испытаний экспериментального колесно-моторного блока
- Фрикционное взаимодействие колесных пар с рельсами при независимом вращении колес
Введение к работе
Железнодорожный транспорт Российской Федерации является важнейшим в экономическом, социальном и политическом плане, составляющим до 80% внутреннего грузооборота.
После экономического кризиса и многократного подорожания подвижного состава, возросла роль снижения издержек на эксплуатацию пути и подвижного состава.
В последние годы не смотря на снизившуюся интенсивность перевозок возникла проблема снижения технического ресурса бандажей и рельсов по причине их преждевременного износа. Проблема преждевременного износа бандажей и рельсов на сегодняшний день стоит очень остро. Если в 80-х годах срок службы бандажей колесных пар локомотивов на Северной и Куйбышевской дороге составлял 6-7 лет, то в последние годы сократился более чем в 2 раза, при снизившихся темпах перевозок. По данным ВНИИЖТ в масштабах сети железных дорог РФ на замену изношенных бандажей локомотивов расходуется около 60 тысяч тонн бандажной стали в год [54] .
Результаты эксплуатации железнодорожного транспорта показывают [138], что на преодоление трения расходуется от 1/3 до 1/4 всей затрачиваемой энергии.
Как показали проделанные работы, уже при скоростях движения свыше 180-200 км/ч проблема износа гребней бандажей многократно обостряется.
Настоящая работа ставит своей целью создание современной экипажной части рельсовых транспортных средств с целью улучшения их динамических показателей, при карди- нальном снижении износа гребней бандажей и боковых граней рельсов.
Исходным положением диссертационной работы явилось исследование причин износа гребней бандажей и боковых граней головок рельсов. Были проанализированы меры, предпринимаемые сегодня для снижения износа: смазка контактирующих поверхностей смазочными материалами и нетрадиционные конструкции экипажной части (с радиальной установкой колесных пар и со свободно вращающимися на оси колеса).
Проведенные на катковом стенде испытания позволили создать конструкцию модернизированной экипажной части с активным управлением вибрационного типа. Были проанализированы результаты оснащения экипажной части локомотива ВЛбОк-1699 свободно вращающимися на оси колесами с упругой связью между ними.
При анализе полученных результатов, были сформулированы принципы создания активной следящей системы управления положением колесных пар в прямых и кривых участках пути.
Были проведены теоретические исследования вписывания двухосного экипажа в кривые различных радиусов, на основе которых были разработаны рекомендации по управлению положением колесной пары в кривом и прямом участках пути. Так же была проведена проверка быстродействия данной системы.
Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил создать конструкцию тележки рельсового транспортного средства с активной следящей системой управления положением колесных пар в прямых и кривых участках пути (патент на изобретение Российской
Федерации №2168431.«Тележка рельсового транспортного средства».)
Анализ конструкций двухосных тележек с радиальной установкой колесных пар
Первые попытки создания тележек с радиальной установкой колесных пар относятся к 30-м годам [154] . В это время была построена опытная тележка конструкции Лихти (Liechti). Было получено уменьшение износа гребней бандажа. Однако до конца реализовать эту идею на практике оказалось невозможно - уже после короткого периода эксплуатации появились повреждения осевых подшипников.
Тележки такого типа были применены на дрезине с электроприводом Швейцарской железной дороги Берн-Лечберг-Симплон. (Рис. 7а) Каждая колесная пара двухосной тележки соединена с двумя V-образными рычагами, так что вершины этих рычагов шарнирно связаны с концевьми балками рамы тележки, а с другой стороны - между собой посредине тележки. К точке соединения V-рычагов шарнирно присоединен горизонтальный стержень, связанный с концом двуплечего поворотного рычага, шарнирно закрепленного своей вершиной к раме тележки. Второй конец этого рычага соединен с кузовом. Эта дрезина смогла развить скорость 130 км/ч. В ФРГ фирмой Henshell был изготовлен электровоз и дизельная дрезина с конструкционной скоростью в 90 км/ч. В Японии, Франции и Швейцарии был предложен ряд устройств для поворота колес, конструкция управляющей шарнирно-рычажной системы которых близка к конструкции Liechty [90].
Среди последних разработок можно отметить вагонную тележку Navigator швейцарской компании SIG. По сравнению с тележкой Liechty, у тележки Navigator имеется гаситель колебаний. Испытания показали низкую эффективность вне дрения подобной системы. С учетом возникающих в ходе эксплуатации дополнительных затрат, расходы на внедрение вагонной тележки типа Navigator окупаются лишь после 5-8 лет эксплуатации [154,157].
На всех выполненных конструкциях отмечались как высокие динамические показатели, так и полная непригодность подобных тележек к широкой эксплуатации по причине сложного технического обслуживания.
Классическим примером моторных тележек с радиальной установкой колесных пар посредством диагональных тяг является тележка метрополитена г. Вена (Рис. 8,Рис. 9) Рама тележки опирается на буксы посредством пружин, допускающих ограниченный поворот относительно рамы. Каждая из букс колесной пары связана с диагонально противоположной буксой другой колесной пары. Обе соединительные тяги выполнены жесткими и своими концами соединены с проушинами букс. Шарниры выполнены подвижными и эластичными. Для предотвращения колебаний виляния тяги снабжены устройством гашения колебаний: между кронштейнами букс с каждой стороны установлены в горизонтальном положении гидравлические демпферы, предназначенные для гашения относительных колебаний букс.
Аналогичная конструкция тележки была заказана Южно-Африканскими железными дорогами для своего локомотива серии 14Е [6,23,24] .
Компания Stork RMO по заказу железных дорог Нидерландов (NS) спроектировала тележку для пассажирского поезда нового поколения SM90 (Рис. 10), [16,120]. Для обеспечения радиальной установки колесных пар в кривых, тележка так же оснащена механизмом с перекрестными связями.
Конструктивный принцип механизма перекрестных связей требует механического соединения между двумя колесными парами. Механизм перекрестных связей размещен ниже рамы тележки. Это достигнуто с помощью специально разработанных тяг между тремя шарнирными соединениями. Верхний шарнир соединен с рамой тележки, средний - с концом радиального поводка первичного подвешивания, а третий конец каждой из тяг (по одному для каждого радиального поводка)- с механизмом радиальных связей.
Главной задачей при конструировании было обеспечение передачи продольных тяговых и тормозных усилий осуществляющихся не в центре, а по сторонам, в плоскости боковых стен кузова.
Тележки поезда Х2000 (Рис. 11,Рис. 12) являются тележками самоустанавливающегося типа. Установка колесных пар в радиальное положение осуществляется за счет деформации V-образных резиновых элементов первичного подвешивания. Положение колесных пар определяется силами взаимодействия между колесом и рельсом. Для сохранения устойчивости на прямом пути установлены гасители колебаний между колесными парами и рамой тележки. Несмотря на это, на прямых участках пути проявилась повышенная склонность к вилянию [143,146,159].
Преимущества и недостатки колесных пар с независимым вращением колесных пар
В данном случае левое колесо передвигаясь по неровной стыковой поверхности, проходит больший путь и заставляет правое колесо скользить по головке рельса, бывшего поначалу совершенно ровным. По этой причине и образовался местный износ рельса. Одиночная неровность на правом или левом рельсах под воздействием традиционной колесной пары создает аналогичную неровность на головке противоположного рельса, на что затрачивается дополнительная энергия сопротивления движению.
В кривых традиционная колесная пара создает еще большее сопротивление движению, вследствие набегания гребня бандажа .на рельс и скольжения одного из колес по головке рельса, так как конусности колеса и поперечного смещения колесной пары обычно недостаточно для компенсации разности путей, проходимых по внешнему и внутреннему рельсам.
Следующим существенным недостатком традиционной колесной пары является трудность быстрого ее поворота на рельсах вокруг вертикальной оси для самоустановки в кривых. Для осуществления быстрого поворота значение вращающего момента должно превосходить момент сцепления колес с рельсами, значение которого, . по данным ВНИИЖТ [124], на сухих рельсах составляет примерно 40-50 кН. Следовательно, рычажный исполнительный привод или привод активной системы [130] должен развивать значительную силу, что значительно усложняет и удорожает микропроцессорную следящую систему управления движением тележки в прямых и кривых участках пути.
Значение вращающего момента при повороте вокруг вертикальной оси пары со свободно вращающимися на оси колесами на два порядка меньше по сравнению с традиционной колесной парой. Благодаря этому существенно уменьшается в размерах, упрощается и становиться дешевле исполнительный привод микропроцессорной следящей системы управления. Для этой цели может быть использован серийно выпускаемый гидропривод от станков с ЧПУ (например исполнительный привод токарно-револьверного станка 1П420ПФ40), что существенно ускорит и упростит внедрение подобной следящей системы управления.
По данным железных дорог Германии [169], вагонные тележки с независимыми колесами неплохо зарекомендовали себя на стендовых испытаниях. Тележка сравнивалась со стандартной вагонной тележкой. На Рис. 2 6 приведены результаты динамических показателей стандартной тележки (а) и тележки с независимыми колесами (б). Измеряли следующие параметры: поперечные ускорения Y, по которым оценивались плавность хода; степень рассеивания энергии, которая характеризует износ колеса и рельса; поперечные и продольные силы трения Ту и Тх,между колесом и рельсом; угол поворота тележки \\J и зазор между колесом и рельсом г]. Измерения выполнялись при пробеге S=100M СО скоростью 300 км/ч. Как видно из рисунка, на катковом стенде, новая тележка показала существенно более лучшие динамические характеристики, чем тележка традиционной конструкции.
Аналогичные результаты были достигнуты при испытаниях опытной вагонной тележки фирмы Fiat, колеса которой так же не были связаны в колесные пары [12 9]. Была отмечена высокая плавность хода, амплитуда поперечных колебаний снизилась почти в 2 раза. В кривой радиусом 250м, боковые силы у опытной тележки были на 4 0-5 0% меньше, чем у обычной вагонной.
На железных дорогах Швейцарии (SZU) в условиях реальной эксплуатации были испытаны различные вагонные тележки, характеристики которых сравнивали с характеристиками обычной вагонной тележки [154]. Среди испытываемых были: - тележка Navigator компании SIG. Пары устанавливались в ней посредством механических связей, действующих при повороте кузова относительно тележки; - тележка SGP 300 RV компании Simmeiring-Graz-Pauker с меняющейся продольной жесткостью закрепления колесных пар (мягкую в кривых малого радиуса, жесткую в прямых); - тележка фирмы FIAT-Ferroviaria, с колесами, не связанными в колесные пары. Тележки показали меньший износ колесных пар чем у обычных тележкек, причем минимальный износ наблюдался у тележек устанавливаемые кузовом; у тележки с механическими связями между осями он был незначительно выше, а у тележки со свободно вращающимися на оси колесами износ был сравним с износом колес обычной тележки. По данным испытаний был сделан вывод о непригодности тележки Fiat к широкой эксплуатации.
Анализ результатов испытаний экспериментального колесно-моторного блока
ВНИТИ при участии ОАО «Коломенский завод» проводило цикл работ направленных на создание конструкции колесно-моторного блока с вращающимися на неподвижной оси колесами (далее - экспериментальный КМБ), с упругой связью между ними [34].
Кроме этого, экспериментальный КМБ был лишен буксовых и моторно-осевых подшипников, упростилась технология сборки КМБ, стал возможен ремонт колесных пар в условиях депо.
Выполненные исследования показали, что для обеспечения нормативной долговечности 3 млн. км. можно применять серийно выпускаемые конические двухрядные подшипники [134,133] особо легкой серии №2097144 с габаритами 220x340x165 мм, статической и динамической грузоподъемности, соответственно, С=1140 кН и Со=1400 кН (при необходимой динамической грузоподъемности Со=1100 кН) . Конструктивные проработки подтвердили возможность вписывания таких подшипников в систему экспериментальных КМБ. Расчет долговечности подшипников опорных узлов КМБ, приведен в Приложении 3.
Экспериментальная проверка возможности применения таких подшипников, оценки кинематических и динамических качеств экспериментального КМБ была проведена на модернизированном электровозе ВЛбО. Согласно программе испытаний экспериментальный КМБ комплектовался колесной парой имевшей упругие связи между венцами и ступицами зубчатых колес .
Экспериментальный КМБ состоял из тягового электродвигателя (ТЭД) типа НБ-412, двухсторонней косозубои тяговой зубчатой передачи и колесной пары (Рис. 36) . Подвеска ТЭД опорно-осевая.
Экспериментальный КМБ на первом этапе испытаний устанавливался вместо серийного на средних осях тележек (2 и 5); на втором этапе экспериментальные КМБ устанавливали вместо крайних осей (1 и б) электровоза.
Носиком остов ТЭД посредством серийной траверсы упруго подвешен на раму тележки, и приливами . крепления шапок моторно-осевых подшипников (МОП) жестко опирается на невращающуюся ось колесной пары.
Разъемное неподвижное соединение приливов остова ТЭД с осью колесной пары образовано путем затяжки шапочных болтов моментом не менее 1,0...1,3 кН м, прижимающих с натягом шапки МОП, вкладыши и вставленные в них кольцевые прокладки из стальной ленты к оси колесной пары.
Передача вращающего момента от якоря ТЭД к колесной паре осуществляется при помощи двухсторонней косозубои передачи. Зубчатое колесо состоит из зубчатого венца, двух боковых фланцев,, привинченных к ступице 12 горизонтальными болтами. В отверстиях венца и боковых фланцев установлено 9 резинометаллических блоков (РМБ) и 3 упорных блока.
Эластичный РМБ состоит из двух секторов, между которыми расположен призматический резиновый элемент, изготовленный из резины марки 7-В-14. В упорных блоках резиновые элементы заменены текстолитовыми цилиндрами 050 мм и посредине наружных поверхностей проточена канавка глубиной 10 мм, благодаря чему они включаются в работу после того, когда венец переместится по касательной к окружности установки блоков на это же расстояние. Жесткость РМБ выбрана таким образом, чтобы упорные блоки включались в работу при боксовании электровоза.
Параметры тяговых передач штатного и экспериментального КМБ одинаковые: число зубьев шестерни 23, колеса 88, передаточное число 3,826.
Подготовка и оборудование электровоза ВЛ60к-1699 упомянутыми КМБ были проведены в локомотивном депо Муром, а их динамические испытания выполнялись как на подъездных путях и стрелочных переводах депо, так и с выездом на пути МПС на участок Муром-Бутылицы Горьковской ж.д.
Целью проведенных испытаний являлась оценка динамических качеств КМБ с вращающимися на неподвижной оси колесами и сравнение полученных данных с серийным КМБ. В результате было установлено, что по динамическим качествам и тяговым характеристикам опытный КМБ с вращающимися на неподвижной оси колесами практически не имеет различий по сравнению со штатным КМБ. Это позволило рекомендовать ЦТ МПС РФ оборудовать одну секцию электровоза типа ВЛ8 0 полностью экспериментальными ,КМБ и провести экс-плутационную проверку эффективности их применения.
Фрикционное взаимодействие колесных пар с рельсами при независимом вращении колес
Тележка имеет сварную раму 1, жесткость и прочность рамы обеспечивается ее значительной высотой и подрамными струнками, которые охватывают поперечные балки снизу. Передача тяговых и тормозных усилий осуществляется двумя наклонными тягами 2.
С каждой стороны тележки имеются жесткие несущие корпуса тяговых зубчатых редукторов 3, которые присоединены к тяговым электродвигателям 4 и дополнительно закреплены на раме тележки посредством кронштейнов 5. Внутри корпуса смонтирована цилиндрическая косозубая передача, которая состоит из шестерни б, промежуточного колеса 7 и ведомого колеса 8. Уравновешенные шарнирно-поводковые муфты 9 (а.с. СССР №58136, кл. В61 С9/40) соединяют с каждой стороны тележки выходные валы тяговых редукторов с вращающимися на осях колесами. Муфты такой конструкции обеспечивают свободу относительных перемещений в вертикальной, горизонтальной и поперечной плоскости, при этом не создавая дополнительных моментов сопротивления.
Колеса 10, вращающиеся на подшипниках качения, смонтированы на невращающихся осях и образуют в сборе две колесные пары. Причем, каждое из колес может вращаться независимо от другого колеса одной колесной пары. Каждая из колесных пар подвижно соединена с поперечными балками Рессорное подвешивание тележки двухступенчатое, первая ступень состоит из пружин типа "Флексикойл" 12. Пружины располагаются между рамой и лапами кронштейнов 13, закрепленных на невращающихся осях. Вторичное подвешивание 14 располагается внутри рамы тележки
Тележка оборудована магниторельсовым (не показан) и барабанным фрикционным тормозом. Для удобства обслуживания тормозные барабаны 15 смонтированы непосредственно на жестких корпусах тяговых редукторов. Силовая рычажная передача тормоза заменена компактной гидра влической, которая приводится в действие серийной пневмоаппаратурой. Магниторельсовыи тормоз применяется лишь при экстренных торможениях.
Система автоматического управления положением колесных пар и рамы тележки, состоит из четырех основных блоков: управляющего микропроцессорного блока, блока гидронасосной станции, измерительного блока и исполнительного блока. Измерительный блок содержит магниторельсовые индук ционные датчики и считывающие головки, которые закреплены на раме тележки. Импульсные тахометры установлены на пра вом и левом несущих корпусах тяговых редукторов над ведо мыми зубчатыми колесами. Исполнительный блок содержит силовые продольные гидроцилиндры 16, которые расположены параллельно центральным продольным поводкам и шарнирно соединяющие кронштейны невращающихся осей с поперечными балками рамы тележки, и силовые поперечные гидроцилиндры 17, шарнирно соединяющие в горизонтальной плоскости раму тележки с кузовом рельсового транспортного средства; причем, их обратные полости попарно соединены трубопроводами, на которых установлены регулируемые дроссельные устройства (Рис. 38). Управляющий микропроцессорный блок обрабатывает поступающую в него информацию от индукционных датчиков, считывающих головок и импульсного тахометра и вырабатывает управляющие сигналы для поворота колесных пар и рамы тележки. Этот блок по сигналам обратной связи следит за положением колесных пар в рельсовой колее и не позволяет гребням колес касаться головок рельсов. Перед переходной кривой считывающая головка получает информацию от путевого элемента памяти о параметрах кривого участка пути и передает ее в микропроцессорный блок. После обработки информации о кривом участке пути и скорости движения (от импульсного тахометра), вырабатывается сигнал на поворот рамы тележки в радиальное положение, а колесных пар на угол, при котором обеспечивается минимальное взаимодействие гребней бандажа и головок рельсов. Более подробно конструкция тележки описана в приложении 1 . Фрикционное взаимодействие колесных пар с рельсами при независимом вращении колес. Предложенная тележка отличается наличием группового привода при независимом вращении колес. Таким образом, колеса левой и правой сторон в данной тележке имеют те же функции, что и колесные пары в тележках традиционных конструкций. Исследования проведенные ВНИТИ по руководством А. И. Беляева [38], показали, что закон распределения коэффици 90 ента сцепления согласуется с нормальным законом распределения.
