Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса, обзор работ, постановка задач исследования 13
Систематизация динамических явлений при движении и критериев оценки динамического поведения рельсовых экипажей 15
Анализ опыта математического моделирования движения рельсовых экипажей 30
Первые модели движения колесной пары по рельсовому пути 31
Моделирование контактного взаимодействия между колесом и рельсом 33
Современны*" пргдгтгюяения i> dtirwvmin камтноії поры па рельсовому пути 36
Исследование движения рельсовых экипажей на линеаризованных моделях 38
Исследование движения рельсовых экипажей по прямым участкам пути на нелинейных моделях 48
Исследование движения рельсовых экипажей по криволинейным участка» пути 62
Дополнительные задачи, связанные с исследованием движения экипажей на нелинейных моделях ^^ * 68
2.2 Обзор методов выбора силовых характеристик подвешивания
рельсовых экипажей для улучшения их динамического поведения 71
2.4 Анализ опыта по созданию конструктивных решений подвешивание
тележек грузовых вагонов 80
Тележки с нежесткой в плане ремой 8'.
Тележки с жесткой рамой и одноступенчатый подвешиванием 101
Тележки с жесткой рамой и двухступенчатым подвешиванием 108
Тележки с дополнительными межосевыми связями 109
2.5 Постановка задач исследования 112
3. Разработка иерархически-итерационного метода выбора параметров и
конструктивных решений подвешивания тележек грузовых
вагонов 116
Систематизация основных стадий проектирования ходовых частей 116
Разработка альтернативных конструктивных схем тележек на основе
статистического анализа и введенной классификации 118
Статистический аначиз конструктивных схем тележек грузовых вагонов и ихузлоа 124
Особенности конструктивной схемы тележки с жесткой рамой и одноступенчатым буксовым посвешиванисм НО
Особенности конструктивных схем и кчассификация тележек с нежесткой в плане рамой Ш
і Предварительный отбор конструктивных схем тележек на основе
анализа экономической и технической ситуации. Разработка типажа
тележек с нежесткой в плане рамой 139
Классификация математических моделей движения грузовых і узлов и компонентов ходовых частей, положенная в основу иерарх и ческн-итерацнон його метода
Иерархически-итерационный метод анализа динамического поведения, выбора параметров и конструктивных решений подвешивания телекек
грузовых вагонов 152
Основные положения НИМ ^^ 152
Последовательность выбора параметров и конструктивных решений подвешивания тележек с нежесткой в плане рамой 154
Последовательность выбора пароме т/юс и конструктивных решений одноступенчатого подвешивания тележек с жесткой рамой 157
3.6 Организация последовательности расчетно-экспериментальной"
проверки ходовых качеств вагона и отработки конструкций
подвешивания, выбранных ИИМ 151
3.7 Выводы по главе 3 163
4. Уточнение моделей движения рельсовых экипажей, обосновывающих
последовательность выбора параметров подвешивания иерархически-
итерационным методом 167
4.1 Уточнение уравнений движения колесной пары по рельсам 158
Предположения, принятые в модели 168
Кинематические соотношения 110
Уравнения движения колесной пары с учетом гипотезы псевдоскольжеиия 111
Происхождение слагаемых, аналогичных крипу спина П5
Исследование влияния параметров колесной пары на ее устойчивость при свободном движении 116
Сравнение линейных моделей движения колесной пары в рельсовой колее на примере исследования устойчивести движения двухосной тележки с жесткой рамой и буксовым подеешиванием 119
4.2 Исследование движения группы из двух колесных пар, соединенных
межосевыми связями. Предварительный анализ конструктивных схем
тележек в плане 1S2
Линеаризованные модели движения группы из двух колесных пар. соединенных межосебыми связями 1S3
Влияние межосевых связей на формы колебаний тележки в плане 187
Изгибная и сдвиговая жесткость тележек с нежесткой в плане рамой и межосевыми связями 191
Зависимость критической скорости и фактора износа от изгибной и сдвиговой жесткости тележки 196
4.3 Исследование движения вагона с различными конструкциями связен
тел еж с. к- с кузовом. Предварительный анализ конструктивных схем
боковых скользунов 1?8
Линеаризованная модель движения вагона 198
Нелинейная модель движения вагона в кривой 200
Влияние связи кузова с тележкой на формы колебаний и критическую скорость вагона 202
^4
4.3.4 Влияние связи кузова с тележкоп на коэффициент запаси устойчивости от схода кояеса с рельса в кривой
4А Выводы по главе 4 5. Применение иерархически-итерационного метода к выбору
параметров н конструктивных решений подвешивания в тележках с
нежесткой в плане рамой 212
Формулировка основных технических требований к тележке 212
Разработка качественной и функциональной моделей движения грузового вагона 213
Разработка компонентных моделей узла упругой связи колесной пары с
боковой рамой 220
5 Ї / Компонентная модельупругой снячи колесной пары с бакаяпн рамой с
шевронными амортизаторами 220
5.3.2 Компонентная модель упругой связи колесной пары с боковой рамой с
амортизаторами в форме сектора цилиндра 223
5.4 Разработка компонентных моделей центрального подвешивания с
фрикционным клиновым гасителем колебаний 226
Характеристика сопротивления тележки забеганию боковых рам для подвешивания с фрикционными глиньями с пространственной наклонной поверхностью 226
Характеристика сопротивления тележки забеганию боковых рам для подвешивания с фрикционными клиньями с тоской наклонной поверхностью 230
Погруженность контактных поверхностей фрикционных клиньев 232
Уточнение коэффициента относительного трения фрикционного гасителя колебаний для билинейного подвешивания и с учетом износа поверхностей клипа 236
Предварительный выбор параметров подвешивания с использованием модели качественного поведения вагона 238
Уточнение рациональных параметров подвешивания с использованием
функциональной модели движения вагона 243
Оценка рациональных диапазонов naptt\iempoe подвешивания по показателям ходовых качеств вагона при движении по прямой 243
Уточнение рациональных диапазонов параметров подвешивания по показателям ходовых качеств вагона при движении в кривой 247
5.1 Оценка возможности реализации рациональных параметров упругой
связи колесной пары с боковой рамой с использованием компонентных
моделей 248
5.7.1 Упругая связь колесной пары с боковой рамой с шевронными
амортизаторами 248
5.7.2 Упругим сияю колесной пиры с Счкимой ричий с ішортшатирами а форме
^^Ш сектора цилиндра 249
Оценка возможности реализации рациональных параметров
центрального подвешивания с использованием компонентных
моделей 250
5.8.1 Подвешивание тележки, оборудованное фрикционным гасителем колебаний с пространственной конфигурацией наклонной поверхности клиньев 251
Подвешивание тележки, оборудованное фрикционным гасителем колебании с клиньями с тоской наклонной поверхностью 254
Оценка коэффициента относительного трения в фрикционном клиновом гасителе колебаний 255
5.9 Выводы по главе 5 256
6. Применение иерархически-итерационного метода к выбору
параметров и конструктивных решении одноступенчатого буксового
подвешивании в тележках с жесткой рамой 259Формулировка основных технических требований к тележке 259
Разработка качественной и функциональной моделей движения грузового вагона 260
Разработка компонентных моделей буксового подвешивания 263
Компонентная модель подвешивания с рычажным гасителем колебаний 263
Компонентная модель подвешивания с фрикционным клиновым гасителем колебаний 268
Компонентная модель подвешивания срезинометаїлическими направляющими 269
6.4 Предварительный выбор параметров подвешивания с использованием
модели качественного поведения вагона 273Оценка рациональных диапазонов параметров по критерию устойчивости движения вагона 273
Оценка рациональных диапазонов параметров по критерию демпфирования форм колебаний вагона 279
Уточнение рациональных параметров подвешивания с использованием функциональной модели движения вагона 284
Оценка возможности реализации рациональных параметров с использованием компонентных моделей 295
6.6.1 Схема подвешивания с поводкобой направляющей 296
6.6-2 Схема подвешивания с рычажным гасителем колебаний 298
Схема подвешивания с фрикциошым клиновым гасителем колебаний 299
Схема подвешивания срезиномсталлическими направлюощими 300
Сравнительный анализ схем подвешивания 301
6.7 Выводы по главе б 304
7. Экспериментальная проверка ходовых качеств вагона и отработка
выбранных НИМ конструктивных решений подвешивания тележек с
нежесткой в плане рамой 308
7.1 Особенности конструктивных решений тележек 308Тыежка модыи 18-1711 308
Тележка модели 18-9750 НО 2 Экспериментальная проверка ходовых качеств вагона по результатам
испытаний макета тележки модели 18-1711 312
Результаты ходовых динамических испытании 312
Сравнение показателей ходовых качеств, полученных по результатам расчета и эксперимента 315
7.3 Экспериментальная отработка полиуретано-металлических
амортизаторов буксового подвешивания ^^ 318Определение силовых характеристик амортизаторов 318
Оценка погруженности амортизаторов при движении вагона -23
Определение кривой усталости и оценка ресурса амортизаторов 324
Совершенствование конструкции амортизаторов -^^Ч
7.4 Совершенствование фрикционного клинового гасителя колебаний
центрального подвешивания 331Определение характеристики сопротивления тележки забеганию боковых рам 331
Определение коэффициента относительного трения в подвешивании и оценка его достаточности для демпфирования вертикальных колебаний ІЗЗ
Оценка погруженности фрикцшпных клиньев при движении вагона 335
Оценка ресурса упругих накладок на наклонных поверхностях клина по результатам стендовых испытаний 339
Совершенствование конструкции фрикционного китового гасителя колебаний 340
7.5 Выводы по главе 7 342
8. Экспериментальная проверка ходовых качеств вагона и разработка
рекомендаций по совершенствованию конструктивного решении
буксового подвешивания тележки с жесткой рамой 345Особенности конструктивного решения тележки модели Р25.120 345
Оценка силовых характеристик подвешивания, реализованных в
тележке 346
Определение упругих характеристик подвешивания 347
Определение демпфирующих характеристик подвешивания 350
Оценка силовых характеристик подвешивания 354
Расчетная и экспериментальная оценка показателей ходовых качеств вагона 354
Разработка рекомендаций по совершенствованию подвешивания тележки ш 356
Выводы по главе 8 357
9. Заключение 359
Список использованных источников 365Введение к работе
Актуальность проблемы: Вопросам совершенствования ходовых частей грузсвых вагонов уделяется большое внимание. Однако в рамках неизменных организационных основ систем технического обслуживания и ремонта проектирование новых тележек долгое время было ограничено внесением в состоявшиеся конструкции, такие как ЦНИИ-ХЗ, Y25, Barber, мелких изменений, которые постепенно оттачивались методом проб и ошибок на протяжении практически 50 лет.
На современном этапе в условиях растущих объемов перевозок к конструкциям тележек предъявляются новые противоречивые требования: увеличение скоростей движения, повышение осевых нагрузок при одновременном снижении воздействия на путь, уменьшении износа колес и рельсов в кривых. Чтобы их удовлетворить тележки грузовых вагонов должны иметь новые концептуальные схемы и проектироваться по новым принципам, поскольку для получения эконом и ческого эффекта конструкция должна быть удачной с первого раза.
Когда риск совершения дорогостоящей ошибки высок ввиду отсутствия необходимого опыта, его приходится создавать искусственно. Актуальной становится разработка методов выбора параметров и конструкгивных решений подвешивания, позволяющих приобретать понимание закономерностей их связи с показателями ходовых качеств вагона на постоянно усложняющихся математических моделях н соответственно адаптировать процедуры поиска.
Недь работы: Разработка итерационного метода, основанного на иерархии математических моделей, для исследования влияния на показатели ходовых качеств н выбора параметров силовых характеристик и нструктнвных решений подвешивания тележек грузовых вагонов, беслечивающих повышение скоростей и безопасности движения, существенное уменьшение износов колес и рельсов, вместе поднимающих
^
эффективность железнодорожных перевозок.
Для достижения цели в диссертации поставлены задачи:
провести статистический анализ и разработать классификацию ходовых частей грузовых вагонов, позволяющую создавать обобщенные математические модели движения вагонов;
провести предварительный отбор конструктивных схем телгжек, организовав их в типоразмерный ряд для перспективных условий эксплуатации;
разработать иерархическую классификацию математических моделей движения вагонов, узлов и компонентов ходовых частей, выделив модели физических явлений, качественного исследования влияния параметров на динамические показатели, модели, дающие их достоверные количественные оценки, и реализуемые подвешиванием силовые характеристики;
предложить иерархически-итерационный метод (ИИМ) выбора параметров и конструктивных решений подвешивания тележек, основанный на последовательном с итерациями использовании математических моделей движения вагонов различной детализации;
показать применение ИИМ для выбора параметров и конструктивных решений подвешивания в тележках с нежесткой в плане рамой и в тележках с жесткой рамой и одноступенчатым буксовым подвешиванием; провести экспериментальные исследования для выявления степени достоверности математических моделей и эффективности конструктивных схем и параметров подвешивания, выбранных с использованием ИИМ.
Научная новизна исследований заключается в следующем: 1. Разработан иерархически-итерационный метод выбора параметров и конструктивных решений подвешивания тележек грузовых вагонов, отличающийся использованием фундаментальных моделей движения,
^
устойчивость движения и показатели ходовых качеств грузовых, пассажирских, специального назначения вагонов для сокращения сроков проецирования ходовых частей.
Предложенный типаж тележек с нежесткой в плане рамой, основанный на классификации по обеспечиваемой критической скорости потери устойчивости движения вагона, позволяет создавать конструкции для использования под вагонами повышенной грузоподъемности или для увеличенных скоростей движения путей модификации базового варианта.
Для трехэлементной тележки с упругой связью колесных пар и боковых рам, а также для тележки с жесткой рамой и одноступенчатым буксовым подвешиванием, получены полные наборы рациональных силовых характеристик и реализующие их конструктивные решения подвешивания, обеспечивающие конструкционную скорость вагона 120 км/ч при осевой нагрузке 25 т без увеличения воздействия на путь по сравнению с тележками модели 18-100 при осевой нагрузке 23,5 т.
Модели буксового подвешивания с пружинными фрикционным клиновым и рычажным гасителями колебании, с амортизаторами, состоящими из левронных или цилиндрических слоев эластичного материала и металлических пластин (патент на полезную модель №60 908), могут быть использованы для проектирования конструкций с заданными упругими и демпфирующими характеристиками.
Разработанные методики стендовых испытаний для определения упругих характеристик и долговечности неметаллических элементов упругой связи колесных пар и боковых рам, а также накладок на наклонных поверхностях фрикционных клиньев позволяют проводить ускоренную экспериментальную отработку конструкций.
С использованием результатов, полученных в работе, созданы тележки оделей 18-1711 (Мариупольский завод тяжелого машиностроения, Укргина), 18-9750 (ПГУПС), Р 25.120 (Ижорские заводы, г. Санкт-Петербург).
К!
^
моделей качественного поведения, функциональных моделей движения и моделей компонентов, позволяющих последовательно с итерациями уточнять силовые и геометрические характеристики связей.
Уточнена модель качения колесной пары по рельсам в линейной постановке, а именно учтены все члены уравнений первого поэядка малости и дана унифицированная векторно-тензорная формулиоовка гипотезы крипа, в которой слагаемые аналогичные крипу спина получены проекцией скорости проскальзывания на вертикальную ось.
Получены аналитические зависимости обобщенной изгибной и сдвиговой жесткости тележки, отличающейся нежесткой в плане рамой, от упругих характеристик двух ступеней подвешивания и дополнительных межосевых связей, позволяющие выбрать параметры, обеспечивающие самоцентрирование колесных пар при движении но прямым и в кривых.
Предложены математические модели для исследования влияния геометрических размеров фрикционного клина пространственной конфигурации, упругих и фрикционных свойств накладок на пакленных поверхностях на сопротивление подвешивания забеганию боковых рал», продольному перемещению надр«ссорной балки и на нагруженность накладок в этих режимах.
Теоретически и экспериментальне обоснована возможность обеспгчить устойчивость движения вагона по прямым и близкую к радиальной установку колесных пар в кривых за счет использования в трехэлементной тележке горизонтально упругой первой ступени подвешивания и фрикционных клиньев пространственной конфигурации (патенг па изобретение №2 275 308), вместе придающих боковых рамам свойства упругих межосевых связей.
Практическая значимость работы заключается в следующем: Иерархически-итерационный метод выбора параметров и конструктивных решений подвешивания позволяет установить их влияние на
Степень достоверности полученных результатов:
Закономерности влияния параметров подвешивания на показатели ходовых качеств вагона и их рациональные диапазоны, установленные с использованием упрошенных и линеаризованных моделей, подтверждены результатами численных экспериментов с использованием моделей, дающих нелинейное описание характеристик связей.
Для тележки с нежесткой в плане рамой максимальное расхождение между результатами расчета показателей ходовых качеств вагона (коэффициентов вертикальной динамики и рамных сил) на модели и измерениями при ходовых динамических испытаниях не превысило 12%, для тележки с жесткой рамой и одноступенчатым буксовым подвешиванием - 15%.
Максимальное расхождение жесткости шевронных амортизаторов, полученной в результате статического эксперимента и на модели, не превысило 13%, для амортизаторов в форме сектора цилиндра - 15%, характеристики сопротивления забеганию боковых рам в тележке — 15%.
Апробация работы- Основные результаты работы докладывались на конференциях: Computer Simulation ot Kail Vehicle Dynamics (г.Манчестср, Великобритания, 1997 г.), конференции пользователей ADAMS/Rail (г-Утрехт, Нидерланды, 1999 г.), Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты (ПГУПС, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 г.), Vehicle system dynamics, identification and anomalies (г.Будалешт, Венгрия, 2000, 2002, 2006 г.). Railway bogies and running gears (г.Будапешт, Венгрия, 2001, 2004, 2007 г.), Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте (ПГУПС, 2004г.), Проблемы механики железнодорожного транспорта и Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта (г.Днепропетровск, Украина, 2000, 2004, 2005 г.). Электрификация и развитие железнодорокного нспорта России. Традиции, современность, перспективы (ПГУПС, 2001г.), кспернменталыюе кольцо ВНИИЖТ-70, Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути, Развитие транспортного
п
машиностроения в России, Совершенствование взаимодействия государственных и коммерческих структур в области организации перевозочной работы и развития технических средств на железнодорожном транспорте. Инновационные проекты, новые технологии и изобретения (г.Щербннка, 2002, 2003, 2004, 2005 г.). Проблемы и перспективы развития грузового вагоностроения (г. Нижний Тагил, 2005, 2006 г.), Freight Vahicle Design (г.Манчестер, Великобритания, 2001 г.), симпозиумах International Association of Vehicle System Dynamics (г.Копенгаген, Дания, 2001г., г.Атсуги, Япония, 2003г., г.Милан, Италия, 2005г., г.Веркли, США, 2007г.), Speed-up and Service Technology for Railway and Maglev Systems (г.Ченду, Китай, 2006 г.).
Публикации. Основные положении диссертации опубликованы п г>1 печатных работах, из них 8 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК, 36 в материалах международных конференций, 6 монографий и учебных пособий, 3 патента на полезные модели и изобретения.
Структура и обьем работы. Диссертация включает в себя введение, 7 глав, заключение и список использованных источников; изложена на 403 страницах машинописного текста, в том числе 77 таблиц, 159 рисунков, 349 наименований источников.
2 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОБЗОР РАБОТ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
КА ЗАДАЧ
> ч
Для корректной постановки задач и выбора методов исследования в данной главе выполнен обзор основных тенденций в создании конструкций ходэвых частей грузовых вагонов, методов математического моделирования движения и выбора параметров подвешивания, а также методов экспериментальной оценки динамического поведения экипажей.
Появление рельсовых экипажей и их практическое использование, наблюдение таких явлений как извилистое движение колесных пар с ростом скоростей движения, резонансные колебания кузова на неровностях, привели к необходимости научного исследования поведения вагонов и локомотивов. В первом разделе дан краткий обзор динамических явлений, наблюдающихся при движении рельсовых экипажей.
Инструментом в исследовании поведения рельсовых экипажей является математическое моделирование. Как модель любой механической системы, модель рельсового экипажа включает в себя (рис. 2.1):
уравнения движения с принятыми допущениями;
методы решения уравнении, л
методы обработки результатов.
При моделировании рельсового экипажа в уравнениях движения можно выделить уравнения самого экипажа и элементов пути; уравнения взаимодействия колес и рельсов; уравнения, описывающие неровности рельсового пути.
Решение уравнений связано не только с выбором подходящего метода (аналитического или численного), но и выбором алгоритмов (движение с начальным возмущением, движение по неровностям, способ изменения скоэости движения), позволяющих добиться адекватного описания
скоргини
„,
динамических явлений, наблюдаемых при движении экипажа (уско сил. извилистого движения колесных пар).
Для сопоставления результатов расчета с результатами эксперимента модель включает в себя также методы обработки результатов (частотную фильтрацию, определение среднего квадратичного отклонения и т.п.).
Экипаж (или несколько), элементы нуги
Контакт колесо - рельс
Задание неровностей
к О
II
іия ypaв^
ВЧСНИІІ
Методы решения
Алгоритмы определения динамических показателей
Я
Методы а
і і
S ГЦ.
ж* І
о SL
іетодьі обработки и оценки результатов
Рис. 2.1 Структура моделей движения рельсовых экипажей
Возможности моделей, созданных различными научными школами, показаны во втором разделе данной гг.авы.
Целью моделирования обычно является выявление причин нежелательных динамических явлений и способов их устранения. Для этого нсспедуется влияние различных параметров, входящих в уравнения, на
критерии количестпеином оценки динамического поведения экипажа. В
общем случае может быть поставлена задача выбора рациональных параметров экипажа в заданных условиях эксплуатации, что дает инструмент
для создания новых конструкций подвешивания. Вопросам выбора
параметров подвешивания посвящен третий раздел.
іешений в
шх и опытны
С/
В четвертом разделе показано, что прогресс технических реї области ходовых частей неразрывно связан с совершенствованием методов расчета ходовых качеств, проектирования и экспериментального исследования вагонов, описаны конструкции серийных и опытных тележек грузовых вагонов, дан анализ их ходовых качеств.
Похожие диссертации на Влияние конструктивных схем и параметров тележек на устойчивость, ходовые качества и нагруженность грузовых вагонов
