Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние исследований по выбору упруго-диссипативных характеристик подвижного состава (ПС) 9
1.1. Обзор работ по исследованиям колебаний ПС и совершенствованию его экипажных частей 9
1.2. Анализ технических решений экипажных частей и динамических качеств тепловозов и специального подвижного состава(СПС) 18
1.3. Анализ технических решений связей кузова и тележек, применяемых в локомотивостроении 36
1-4. Сравнительный анализ физико-механических свойств резины и полиуретана 45
1.5. Выводы по главе 1. Цели и задачи исследований 49
ГЛАВА 2. Математические модели и методика исследований пространственных колебаний тепловозов и СПС 52
2Л. Формирование математических моделей пространственных колебаний тепловозов и СПС 52
2.2, Моделирование макрогеометрии железнодорожного пути и геометрических неровностей рельсов 75
2.3, Методика расчета показателей динамических качеств 78
2.4, Анализ результатов исследований пространственных колебаний тепловозов и СПС 82
2.5. Исследования динамических качеств экипажа с полиуретановыми опорами кузова при отрицательных
температурах 90
2.6. Выводы по главе 2 99
ГЛАВА 3. Технические решения и исследование характеристик полиуретанов ой опоры кузова... 101
3.1- Технические решения универсальной тяговой тележки для тепловозов и СПС с осевой нагрузкой 245 кН 101
3.2. Выбор параметров полиуретановых опор кузова 114
3.3. Технические решения полиуретановой опоры кузова центральной ступени рессорного подвешивания тепловозов и СПС 121
3.4. Методика экспериментального исследования полиуретановой опоры центральной ступени рессорного подвешивания тепловозов и СПС 123
3.4.1. Упруго-демпфирующие характеристики опор 123
3.4.2. Климатические исследования полиуретановых элементов 129
3.4.3. Оценка изменения параметров опор в условиях длительного динамического нагружения 132
3.5. Выводы по главе 3 137
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования динамических качеств тепловозов и СПС 139
4.1. Методика экспериментальных исследований пространственных колебаний тепловозов и СПС 139
4.2, Исследование динамических качеств тепловоза и СПС на двухосных тележках нового поколения 142
4.3. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований тепловоза и СПС на двухосных тележках нового поколения 152
4.4. Выводы по главе 4 155
ГЛАВА 5. Оценка технико-экономической эффективности от применения полиуретановых элементов в рессорном подвешивании тележек тепловозов 156
5.1. Расчет затрат, связанных с применением полиуретановых элементов в рессорном подвешивании тележек 158
5.2. Расчет экономии годовых эксплуатационных расходов от применения полиуретановых элементов 159
5.3. Выводы по главе 5 160
Заключение 161
Литература
- Анализ технических решений экипажных частей и динамических качеств тепловозов и специального подвижного состава(СПС)
- Анализ результатов исследований пространственных колебаний тепловозов и СПС
- Технические решения полиуретановой опоры кузова центральной ступени рессорного подвешивания тепловозов и СПС
- Исследование динамических качеств тепловоза и СПС на двухосных тележках нового поколения
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в экипажных частях эксплуатируемых серий маневровых тепловозов ТГМ4, ТГМ6 и др., а также специального подвижного состава (СПС) (типа УТМ-1, УТМ-2, КОМ-300, ПСС-1, ЩОМ-1200 и др.) используются двухосные челюстные тележки производства Людиновского тепловозостроительного завода. Они содержат много изнашивающихся узлов и деталей (валики и втулки рессорного подвешивания, опора балансиров, челюстные наличники, осевые упоры). Поэтому их межремонтные пробеги невелики, а ремонт трудоемок. Использование смазки в шарнирных узлах и боковых опорах загрязняет тележку, путь, ухудшает экологические качества экипажей на таких тележках. Статический прогиб рессорного подвешивания у таких тележек составляет 65—75 мм. По динамическим показателям тепловозы и СПС на двухосных челюстных тележках из-за небольшого статического прогиба рессорного подвешивания и недостаточном демпфировании его колебаний имеют, как правило, скорость движения до 80 км/ч. Кроме перечисленных недостатков, осевая нагрузка на указанных челюстных тележках не превышает 220,5 кН.
Актуальность проблемы определяется необходимостью создания экипажной части, которая бы обеспечила межремонтный пробег до 1 миллиона километров при минимальном техническом обслуживании, увеличенных до 245 кН осевых нагрузках и хороших ходовых динамических качествах при скоростях движения до 100-110 км/ч. Для маневровых тепловозов и СПС целесообразно иметь однотипные тележки, которые бы были максимально унифицированы, в том числе по упругим и демпфирующим элементам.
Цель п задачи диссертационной работы. На основании приведенного ниже анализа современных теоретических и экспериментальных исследований и опыта эксплуатации экипажных частей тепловозов и СПС автор формулирует и защищает цели и задачи в следующей постановке.
Целью диссертационной работы являются разработка и внедрение рекомендаций по выбору рациональных упруго-диссипативных характеристик для экипажей тепловозов и СПС с осевой нагрузкой 245 кН и конструкционных скоростях движения 100-110 км/ч.
Для достижения поставленной цели автор ставит и решает следующие задачи :
- разработка математической модели пространственных колебаний тепловозов и СПС с различными характеристиками рессорного подвешивания и гибкими поперечными связями тележек с главной рамой с учетом особенностей полиуретана;
- теоретические исследования динамических качеств тепловозов и СПС и выбор рациональных параметров и характеристик упругих связей и демпфирования тележек;
- выбор упруго-диссипативных характеристик полиуретановой опоры кузова;
- исследования влияния низких температур, длительной эксплуатации, остаточной деформации на изменение упруго-диссипативных характеристик полиуретановой опоры кузова;
- экспериментальная проверка на новом подвижном составе результатов теоретических исследований и эффективности рекомендаций по выбору упруго-диссипативных характеристик экипажных частей;
- практическое внедрение результатов исследований. Общая методика исследований.
- компьютерное моделирование движения экипажей с различными параметрами ходовых частей, теоретический анализ, сопоставление с результатами ходовых испытаний и обобщение данных;
- сравнительные ходовые динамические испытания экипажей с опытной и серийной ходовой частью, регистрация и анализ физических процессов с помощью специальных измерительно-вычислительных средств.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующих положениях:
— разработана математическая модель пространственных колебаний тепловозов и СПС с учетом особенностей полиуретана и дано теоретическое обоснование рациональных параметров и характеристик упругих связей и демпфирования тележек;
- сформулированы и научно обоснованы пути улучшения динамических качеств тепловозов и СПС за счет применения полиуретановой опоры кузова;
— установлены закономерности влияния низких температур, длительной эксплуатации, остаточной деформации современных полиуретанов на динамические качества тепловозов и СПС;
- установлено, что несущая способность полиуретановой опоры кузова выше по сжатию в 2,7 раза, по сдвигу - в 1,7 раза по сравнению с резинометал- лической опорой в тех же габаритах.
Практическая ценность и внедрение.
Разработаны технические требования и технические решения по перспективным экипажным частям тепловозов и СПС с осевой нагрузкой 245 кН и скоростями движения 100-110 км/ч.
Предложены технические решения полиуретановой боковой опоры кузова, которая обладает, по сравнению с се резинометаллическим аналогом, значительно более высокой несущей способностью, долговечностью, возможностью широкого изменения упруго-демпфирующих свойств в зависимости от марки полиуретана, что позволяет использовать ее на тепловозах и СПС различного назначения.
Полученные закономерности влияния низких температур, длительной эксплуатации, остаточной деформации на динамические качества тепловозов и СПС позволяют правильно выбирать марки полиуретанов для экипажных частей тепловозов и СПС, предназначенных для эксплуатации в районах, как с умеренным, так и с суровым климатом.
Математическая модель пространственных колебаний с учетом особенностей полиуретана применяется в научно-исследовательских институтах и конструкторских бюро при разработках новых технических решений экипажных частей тепловозов и СПС
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на:
- XI Международной конференции «Проблемы механики железнодорожного транспорта» (Украина, г. Днепропетровск, 2004г\);
- XV Международной научно-технической конференции «Проблемы развития рельсового транспорта» (Украина, г, Алушта, 2005г.);
- Научно-Техническом Совете ВНИКТИ (г. Коломна, 2005г.). Диссертационная работа доложена на расширенном научном семинаре кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» (МИИТ, г. Москва, 2005г.)
Публикации- По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ [6; 7; 88; 89; 90; 91; 92; 93; 94].
Структура и объем работы Диссертация включает в себя общую характеристику работы, пять глав основного текста, заключение и список литературы (164 наименования).
Объем работы составляет 175 страниц, включая 53 рисунка, 15 таблиц, 12 страниц списка литературы.
Анализ технических решений экипажных частей и динамических качеств тепловозов и специального подвижного состава(СПС)
Плавность хода и безопасность движения подвижного состава железных дорог обеспечивается благодаря системе амортизирующих устройств рессорного подвешивания экипажа. Со времен постройки подвижного состава в качестве амортизирующих устройств использовались листовые рессоры, пружины. По мере развития железнодорожного транспорта в качестве рессорного подвешивания стали использовать торсионы, кольцевые пружины, резинометаллические - рессоры и амортизаторы, пневморессоры, гидропружины. В каждом конкретном случае перечисленные системы подрессоривания обладают теми или иными положительными достоинствами или недостатками.
Так, пружинное рессорное подвешивание позволяет решать многие задачи по амортизации экипажа. Оно может обеспечить эффективную работу в сложных условиях при широко изменяющихся нагрузках, частоте, температуре. Технологически просто в изготовлении, обладает высокими свойствами долговечности и износостойкости. Однако, при обеспечении больших статических прогибов пружинное рессорное подвешивание имеет большие габариты. Листовые рессоры кроме больших габаритов, относительно низкого статического прогиба, могут иметь, в зависимости от состояния поверхности листов рессоры, нестабильные демпфирующие свойства. Применение в качестве амортизирующих устройств резинометаллических элементов обеспечивает рессорному подвешиванию компактность, а, благодаря значительной удельной энергоемкости и внутреннему трению, существенно снижает амплитуды высокочастотных ускорений, передаваемых от неподрессорениых частей экипажа к подрессоренным. Но несущая способность резин ограничена по показателям сжатия и сдвига. Имеется много положительных и отрицательных сторон по другим амортизирующим устройствам.
За период с 1970 по 2004г,г. во ВНИКТИ были проведены ходовые динамические, прочностные и тормозные испытания ряда тепловозов и путевых машин, по результатам которых разработаны их допускаемые скорости движения на путях МПС [7]. Рассмотрим особенности технических решений и основные характеристики рессорного подвешивания указанных путевых машин тяжелого класса, а также их динамические качества.
К классу тяжелых путевых машин относятся несамоходные путевые машины на двухосных тележках модели 18-100 (ЦНИИ-ХЗ) типа СМ-2, ВПО-3-3000, СДП-М, ФРЭС-2, МПД и др.т или, когда двухосные тележки не подходят для путевых машин по величине обрессоренной массы, на трехосных тележках модели УВЗ-10А типа ЩОМ-6Б, ЩОМ-700, Фатра 2-17000 и др. Общий вид тележки ЦНИИ-ХЗ приведен на рисунке 1.1, а тележки УВЗ-10А - на рисунке 1,2.
Рессорный комплект тележки ЦНИИ-ХЗ состоит из пяти, шести или семи двухрядных пружин, расположенных под каждым концом надрессорной балки. Количество пружин зависит от грузоподъемности путевой машины. Крайние боковые пружины комплекта поддерживают клинья гасителей колебаний. На нижней опорной поверхности клина имеется кольцевой выступ, который входит внутрь поддерживающей пружины. Клинья располагаются в гнездах надрессорной балки, упираясь в ее наклонные плоскости и прижимаясь вертикальной стороной к стальным фрикционным планкам, укрепленным на боковых рамах тележки. При прогибах пружин создается необходимое трение в гасителях колебаний. Боковые перемещения надрессорной балки амортизируются поперечной устойчивостью пружин. Клиновые гасители колебаний служат одновременно упругой связью надрессорной балки с боковыми рамами тележки. Рессорное подвешивание тележки ЦНИИ-ХЗ имеет статический прогиб 46-50 мм (жесткость одного комплекта пружин - 552,7 Н/мм), коэффициент относительного трения срт= 0,08-0,10.
Трехосная тележка типа УВЗ-10А (рисунок 1.2) состоит из боковых рам 2, шарнирно соединенных посредством балансиров 4, опирающихся на буксы 1 крайних колесных пар непосредственно, а на буксы средней колесной пары - через балансиры. Вертикальная нагрузка от кузова воспринимается шкворневой балкой 5 Ы-образной формы, опирающейся своими концами на надрессорные балки б. От надрессорпых балок нагрузка через рессорные комплекты передается боковым рамам. Чтобы обеспечить равномерную передачу вертикальной нагрузки на все колесные пары, расстояние между серединами рессорного и буксового проемов принято равным 1/3 длины пролета боковой рамы, В каждом рессорном комплекте 3 имеются четыре двухрядные пружины и один фрикционный гаситель колебаний. Статический прогиб рессорного подвешивания тележки составляет 52 мм, коэффициент относительного трения фг= 0,08 -0,12.грузовым вагонам, или даже не укладываются в установленные для них нормативы Нестабильность динамических качеств указанных путевых машин вызвана нестабильностью сил трения, реализуемых гасителями колебаний, работа которых основана на использовании сил сухого трения. Величина сил трения» реализуемая в клиновой системе тележки ЦНИИ-ХЗ, зависит от большого количества факторов: фрикционных свойств материалов, образующих пару трения; чистоты обработки поверхностей; степени прилегания трущихся поверхностей; величин нормального давления на фрикционный клин и удельных контактных давлений и т.д. Экспериментальными исследованиями установлено, что упруго - фрикционные связи в тележке ЦНИИ-ХЗ нуждаются в совершенствовании.
В результате многолетних наблюдений за поведением тележек ЦНИИ-ХЗ в эксплуатации можно выделить следующие их основные недостатки: - большой зазор в скользунах, выше нормируемых значений, что приводит к интенсивной боковой качке и обезгруживанию колес; - быстрый износ узлов фрикционной системы гашения колебаний, что приводит к потере ее демпфирующих свойств и, следовательно, к развитию колебаний; - низкая надежность боковых рам и надрессорных балок, вследствие наличия дефектов литья, что приводит к необходимости дефектоскопирования литых деталей через каждые 120— 160 тыс. км пробега.
Кроме перечисленных недостатков, предельная осевая нагрузка на указанных тележках - 230,3 кН,
В экипаже многих самоходных тяжелых путевых машин используются двухосные челюстные тележки тепловозов типа ТГМ4, ТГМ6, производства Людиновского тепловозостроительного завода (УТМ-1, УТМ-2, КОМ-300, ПСС-1, ЩОМ-1200 и др.). Общий вид двухосной челюстной тележки со сбалансированным рессорным подвешиванием, в котором применены пружины, листовые рессоры и другие детали рессорного подвешивания тепловозов 2ТЭ10Л, представлен на рисунке 1.3.
Известно, что жесткость пружин на указанной тележке составляет 1048,6 Н/мм, листовых рессор - 1813 Н/мм, неподрессоренный вес на колесную .пару- 35,75 кН.
Рассмотрим основные динамические качества путевых машин на челюстных тележках на примере кюветоочистительной машины КОМ-300, имеющей конструкционную скорость 80 км/ч. Расчетные статические нагрузки на пружины и листовые рессоры, а также статический прогиб рессорного подвешивания секции ТЭС кюветоочистительной машины КОМ-300 представлены в таблице 1.2.
Анализ результатов исследований пространственных колебаний тепловозов и СПС
При моделировании движения тепловозов и СПС нового поколения с осевой нагрузкой 245 тсН с полиуретаповой боковой опорой во второй ступени рессорного подвешивания в прямых участках пути расчетные динамические показатели экипажа оказались следующими. Максимальные значения вертикальных ускорении кузова в области шкворня (рисунок 2.8) при скорости 100 км/ч составляли 0,25 g, при скорости 110 км/ч - 0,28 g и не превышали нормативные значения 0,5 g для самоходного СПС. Коэффициенты вертикальной динамики буксовой ступени не превышали 0,24 и 0,28 соответственно, при скорости 100 и 110 км/ч при допустимом значении 0,5 (рисунок 2.9),
Рамные силы при скоростях от 60 до 100 км/ч увеличились с 27 кН до 36 кН (рисунок 2.10), При скорости движения 110 км/ч значения рамных сил достигали 41 кН, при этом отношение рамной силы к осевой нагрузке Ур/2Рст составило 0,17 (допускаемоезначение 0,4 - щебеночный балласт; 0,3-песчаный и гравийный балласт). Максимальные значения горизонтальных ускорений кузова (рисунок 2.11) при движении в прямой со скоростью 100 км/ч равнялись 0,13 g, при 110 км/ч-0,15 g и не превышали допустимое значение 0,4 g.
Угловые перемещения тележек в поперечной плоскости относительно кузова достигали 7 мрад.
При движении в кривой радиуса 600 м со скоростью 100 км/ч рамные силы (рисунок 2Л2) достигали 40 кН (отношение Ур/2Рст = 0,16), максимальный уровень горизонтальных ускорений равнялся 0,15 g (рисунок 2.13). Вертикальные ускорения при этом составляли 0,29 g (рисунок 2,14), а коэффициенты вертикальной динамики-0,3 (рисунок 2 Л 5) В кривой радиуса 300 м при скорости движения 70 км/ч (непогашенное ускорение составляло 0,7 g) максимальное значение рамных сил оказалось равным 39 кН (Ур/2Рст = 0?16), горизонтальных ускорений - 0,13Вертикальные ускорения и коэффициенты вертикальной динамики составили, соответственно, 0,25 g и 0,27. Максимальные угловые перемещения тележек относительно кузова достигали значений ІЗ мрад в кривой радиуса 600 м и 21 мрад - в кривой радиуса 300 м.
Для тепловозов и СПС нового поколения с осевой нагрузкой 245 кН с ре-зинометаллической боковой опорой во второй ступени рессорного подвешивания вертикальные ускорения кузова в области шкворня при скорости ПО км/ч в прямых участках пути не превышали 0,32 g (рисунок 2.8), коэффициенты динамики буксовой ступени - 0,31 (рисунок 2,9). Значения рамных сил (рисунок 2.10) при этом достигали 47 кН (отношение Ур/2Рст составляло 0Д9), а горизонтальных ускорений кузова - 0,18 g (рисунок 2.11). Угловые перемещения тележек относительно кузова достигали 9 мрад При моделировании движения в кривой радиуса 600 м максимальные значения рамных сил составили 47 кН (рисунок 2.12), а в кривой 300 м -45 кН. Отношение рамной силы к статической нагрузке не превышало 0,19, В кривой 600 м при скорости 100 км/ч вертикальные ускорения кузова достигали 0,29 g (рисунок 2.14), а горизонтальные ускорения - 0,15 g (рисунок 2ЛЗ). При движении в кривой радиуса 300 м со скоростью 70 км/ч максимальные значения ускорений оказались ниже и составили, соответственно, 0,27 g и 0,14 g. Значения коэффициентов вертикальной динамики в кривых участках пути в буксовой ступени не превышали 0,3 (рисунок 2.15). Максимальные значения угловых перемещений тележек в кривой 600 м достигали 15 мрад, в кривой 300 м-23 мрад.
Максимальные значения динамических показателей, определенные при моделировании движения экипажей тепловозов и СПС в прямых и кривых участках пути, приведены в таблице 2.3, Таблиц а 23. Максимальные значения динамических показателей, определенные при моделировании движения экипажей тепловозов и СПС в прямых и кривых участках пути
Отношение рамноіі силы к осе в oil на-грузке - в прямых- в кривых(V= 100 км/ч) 0,17 0,16 0J9 0,19 0,3/0,4 Горизонтальные ускорения кузова, g в прямых- в кривых (V = 100 км/ч) 0,16 0,13 0,18 0,15 0,4
Вертикальные ускорения кузова, g - в прямых— в кривых(V= 100 км/ч) 0,28 0,25 0,32 0,29 0,5
Коэффициенты динамики буксово И ступени -в прямых- в кривых (V= 100 км/ч) 0,2S 0,26 0,31 0,30 0,5 Примечания. 0,4 -для щебеночного балласта, 0,3 - для песчаного и гравийного балласта.
Таким образом, результаты моделирования тепловозов и СПС на двухосных тележках нового поколения с осевыми нагрузками 245 кН до скорости 100 км/ч показали, что максимальные расчетные значения основных динамических показателей экипажей не превышают допускаемых нормируемых значений, согласно РД 32.65-96 «Специальный подвижной состав. Нормы и требования безопасности, эргономики, санитарно-гигиенические и природоохран 89 ные. Основные положения» и «Нормы для расчета и оценки прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействие на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм». Рациональные значения основных упруго-диссипативных характеристик рессорного подвешивания тепловозов и СПС на тележках нового поколения с осевой нагрузкой 245 кН, определенные в результате компьютерного моделирования, следующие: - вертикальная жесткость буксового рессорного подвешивания на колесную пару с учетом поводков букс (на буксу), кН/м 1100 1200; - поперечная жесткость связи колесной пары с рамой тележки, кН/м 2900 - 3400; - статическая вертикальная жесткость четырех комплектов полиуретановой боковой опоры кузова на тележку, кН/м 12000(4x3000); - поперечная жесткость в горизонтальной плоскости четырех полиуретановых боковых опор в пределах 04-20 мм, кН/м 400 +- 800; - коэффициент сопротивления демпфера буксовой ступени в вертикальном направлении, кНс/м 60 - 70; - коэффициент сопротивления демпфера центральной ступени в поперечном направлении, кНс/м 60
Применение во второй ступени рессорного подвешивания полиуретановой боковой опоры позволяет улучшить ходовые динамические качества тепловозов и СПС на 10-15 % по сравнению с тепловозами и СПС, имеющими во второй ступени рессорного подвешивания резипометаллические боковые опоры, за счет в три раза большего статического прогиба второй ступени и более " высокого внутреннего трения в полиуретане.
Технические решения полиуретановой опоры кузова центральной ступени рессорного подвешивания тепловозов и СПС
Разработанная полиуретановая опора второй ступени рессорного подвешивания экипажа тепловоза и СПС нового поколения представляет собой набор из трех полиуретановых элементов. Сверху на опору через верхнюю плиту опирается надрсссорная балка, нижний конец опоры установлен на нижнюю плиту, неподвижно закрепленную на раме тележки. Общий вид полиуретановой опоры кузова показан на рисунке 3.10.
Полиуретановый элемент представляет собой полиуретановую шайбу высотой 67 мм, наружным диаметром 266 мм и внутренним диаметром 190 мм, к опорным поверхностям которой прикреплены металлические пластины толщиной 2 мм- Для предупреждения появления в полиуретане очагов концентрации напряжений, являющихся одной из основных причин разрушения эласто-мерно-металлических изделий, диаметр металлических пластин выполнен больше диаметра полиуретановой шайбы. В процессе деформации сжатия в местах сопряжения боковой поверхности шайбы с металлической пластиной возникают значительные напряжения изгиба, вследствие «выворачивания» боковой поверхности, В полиуретановых элементах опор данные напряжения снижены за счет того, что боковой поверхности придана вогнутая форма. Для обеспечения центрирования полиуретановых элементов, а также устранения возможного проскальзывания их между собой, металлические пластины на диаметре 215 мм имеют кольцевые гофры глубиной 10 мм. Крепление металлических пластин к полиуретану осуществляется при помощи специального клеевого состава, обеспечивающего прочное крепление полиуретана к металлу.
На раме тележки опоры устанавливаются следующим образом: поперечное расстояние между опорами равно 2134 мм, продольное расстояние — 310 мм (тге. на одной тележке установлены четыре опоры).
В связи с тем» что во второй ступени рессорного подвешивания тепловозов и СПС нового поколения применен новый материал - полиуретан - опыта практического использования которого в экипажных частях подвижного состава не достаточно, необходимо проведение исследований свойств полиуретановой опоры кузова.
Методика исследования, использованная в данной работе, позволяла учесть особенности технических решений и эксплуатации опор, а также вязко-упругие свойства полиуретана.
Весь комплекс исследований опор был разбит натри этапа: 1. Изучение упруго-демпфирующих характеристик опор; 2. Климатические исследования полиуретановых элементов; 3. Оценка изменения параметров опор в условиях длительного динамического нагружения.
Как известно [78,45], полиуретан является материалом, обладающим ярко выраженными релаксационными свойствами. В связи с этим его механические характеристики зависят от времени приложения нагрузок, т, е. от режима деформации. Различают статическую жесткость амортизаторов и динамическую жесткость с частотой нагружения 1 - 3 Гц. С точки зрения самого процесса деформации естественно было бы считать статической такую деформацию, которая имеет скорость равную или меньшую скорости протекания релаксационных процессов. Все прочие деформации следует отнести к динамическим. Обычно деформация со скоростью порядка 2-10" м/сек считается статической, принимая, что при этом имеет место незначительная разница между равновесным модулем и модулем, полученным при такой скорости [115].
При расчете рессорного подвешивания для определения положения экипажа на рессорах следует использовать статические характеристики. Расчет колебаний экипажа необходимо выполнять, применяя динамические характеристики полиуретановых амортизаторов.
Исследование динамических качеств тепловоза и СПС на двухосных тележках нового поколения
Важнейшей характеристикой эксплуатационного качества полиуретановых изделий является их способность длительное время выдерживать механическое воздействие. Для оценки изменения параметров полиуретановых амортизаторов в условиях длительного динамического нагружения, они были подвергнуты ускоренным ресурсным испытаниям, для чего два амортизатора навстречу друг другу были сжаты под нагрузкой 1,7 Р , моделирующую максимальную нагрузку на амортизаторы при установке их на несамоходный СПС (Рст - статическая нагрузка на амортизатор, равная 90 кН). Промежуточной опоре посредством электромеханического привода задавалось возвратно-поступательное движение с амплитудой ± 25 мм для моделирования работы амортизаторов в горизонтальной плоскости второй ступени рессорного подвешивания тепловозов или СПС (рисунок 3.13). Относительная деформация сжатия при этом составила 0,27 , сдвига - 0,37. В ходе испытаний регистрировались следующие параметры: сила, необходимая для деформирования амортизаторов, величина деформации, а также температура в центре полиуретаиового массива. Регистрация указанных параметров осуществлялась на программно-аппаратном комплексе ACnN1250 посредством, соответственно, проволочных тензодатчиков, наклеенных на приводной тяге стенда, прогибомера балочного типа, термометра типа TK-0L Используемое вовремя испытаний оборудование находилось в технически исправном состоянии, имело паспорта, соответствующие поверочные клейма или периодически контролируемые калибровочные характеристики согласно инструкциям по их эксплуатации.
В качестве критериев возможного отказа полиуретановых амортизаторов были приняты показатели для резинометшілических опор, применяемых на магистральных тепловозах. За отказ амортизаторов принималось: - изменение упругих характеристик более чем на 20 %; - появление усталостных трещин в массиве упругих элементов и достижение ими критических значений (длиной свыше 20 мм, глубиной свыше 3 мм); - потеря несущей способности вследствие: 1) отслоения упругих элементов от арматуры; 2) потери физических свойств упругого материала от воздействия внутреннего трения (достижения критической температуры); 3) появления больших остаточных деформаций (свыше 10 %)
При движении тепловоза и СПС по прямым участкам пути возникают колебания виляния и связанные с ним колебания относа и боковой качки с частотой около 1Гц и амплитудой около 8-10 мм. При прохождении кривых радиусом 600 м амплитуда колебаний относа кузова увеличивалась до 20 мм, а в кривых радиусом 300 м и стрелочных переводах - до 30 мм. Среднестатистическое значение амплитуды относа при прохождении прямых участков, кривых радиу сов 300 - 600 м и стрелочных переводов составляло 10 мм. Максимально измеренное значение амплитуды относа кузова не превышало 40 мм у опоры из трек амортизаторов, следовательно, два амортизатора (рисунок 3.13) перемещаются в горизонтальном поперечном направлении на величину 25 мм. По результатам проведенных испытаний, максимальное значение относа кузова фиксировалось в 16 раз реже среднестатистического. Необходимое число циклов колебаний полиуретановых амортизаторов с частотой 1 Гц и среднестатистической амплитудой колебаний трех амортизаторов 10 мм для обеспечения соответствия пробегу тепловоза и СПС в 1 млн, км составляет 36000000. Учитывая, что на стенде два амортизатора испытывают деформацию с амплитудой 25 мм и частотой 2 Гц, необходимое количество циклов нагружения окажется равным 1125000. В таком режиме испытаний полиуретановые амортизаторы наработали 1,2-10 циклов, т,е. обеспечивают долговечность, соответствующую пробегу тепловоза и СПС в 1 млн, км.
Осмотры полиуретановых амортизаторов при ресурсных испытаниях показали отсутствие каких-либо изменений внешнего вида элементов на протяжении всего срока испытаний, в том числе отсутствие трещин, отслоений упругих элементов от арматуры и других дефектов. Изменение упругих характеристик полиуретановых амортизаторов при длительном динамическом на-гружении выражалось в снижении их жесткости на величину 8-10 %, остаточная деформация не превышала 8,8 %. Температура, наряду с амплитудами деформаций или напряжениями, является основным фактором, определяющим долговечность полиуретановых изделий. Температурная нагруженность полиуретановых амортизаторов оценивалась на стенде для ускоренных ресурсных испытаний (рисунок 3.13). Результаты исследований показали, что температура полиуретана вначале плавно нарастает, а после 4-5 часов работы стенда стабилизируется и устанавливается на 20-25С выше температуры окружающей среды (7окр = +16 С).
