Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование известных подходов к вопросам выравнивания нагрузок от колес подвижного состава на рельсы
1.1. Отечественные и зарубежные теоретические разработки по образованию силы тяги и коэффициенту сцепления
1.2. Новые схемы рессорного подвешивания 14
1.3. Устройства для выравнивания нагрузок колеса на рельс 23
1.4 Постановка задач исследования 30
1.5. Выводы 33
Глава 2. Аналитическая модель для выравнивания нагрузки колеса на рельс электровоза с учетом жесткости рессорного подвешивания
2.1. Постановка задачи анализа состояний системы рессорного подвешивания
2.2. Математическая модель состояния системы рессорного подвешивания в эксплуатации
2.3. Методика расчета показателей безотказности деталей рессорного подвешивания электровоза
2.4. Расчет показателей безотказности изнашиваемых элементов рессорного подвешивания
2.5. Взаимосвязь показателей безотказности элементов рессорного подвешивания и расчет оптимальных сроков восстановления
2.6. Аналитическая модель регулировки и процедура расчета процесса выравнивания нагрузок
2.7. Выводы
Глава 3. Методика для автоматизированного моделирования нагрузки колеса электровоза на рельс с учетом жесткости рессорного подвешивания
3.1. Понятие и задачи моделирования нагрузки колеса электровоза на рельс с учетом жесткости рессорного подвешивания
3.2. Алгоритм моделирования нагрузки колеса электровоза на рельс
3.3. Возможные области приложения алгоритма для моделирования нагрузки колеса электровоза на рельс
3.4. Аналитическая модель матрицы нагрузки колеса на рельс 66
3.4. Выводы 74
Глава 4. Экспериментальные исследования развески электровозов
4.1. Методика планирования и организации экспериментальных исследований по выравниванию нагрузок колес электровоза на рельс
4.2. Сравнение схем замеров и характеристик тензорезисторных датчиков нагрузки колеса на рельс
4.3. Система автоматизированного мониторинга развески электровоза с периодичностью технического обслуживания АМРЛ «Весы-ВЛЮ»
4.4. Выводы 98
5. Технико-экономический анализ результатов исследования
5.1. Основные положения 100
5.2. Исходные данные для расчетов
5.3. Расчёт полезного эффекта от внедрения мероприятий
5.4. Выводы
Заключение
Библиографический список приложения
- Новые схемы рессорного подвешивания
- Математическая модель состояния системы рессорного подвешивания в эксплуатации
- Алгоритм моделирования нагрузки колеса электровоза на рельс
- Сравнение схем замеров и характеристик тензорезисторных датчиков нагрузки колеса на рельс
Введение к работе
Актуальность темы. Основой успешной работы железных дорог является грамотно применяемый единый технологический перевозочный процесс (ЕТПП), который воплощается в графике движения поездов. Локомотивная составляющая при его разработке занимает одно из ведущих мест по отношению к другим службам. Хорошо продуманная организация работы локомотивов может сократить эксплуатационные затраты отрасли на 25 — 30%.
Руководством Компании "Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») поставлена задача: выйти на рубеж выполнения участковой скорости 42 км/ч и сократить время общего оборота локомотивов. Это требует от департаментов управления перевозками и локомотивного хозяйства интенсивных мер по совершенствованию технологии эксплуатации электровозов, повышения их тягово-сцепных характеристик, в том числе за счет выравнивания нагрузки колеса электровоза на рельс в условиях текущего ремонта.
Несмотря на известные успехи в этой области сегодня остаются нерешенными некоторые вопросы. Используемые методы анализа и обеспечения выравнивания величины нагрузки колеса электровозов на рельс отличаются значительными материальными затратами, длительностью по времени, недостаточным применением информационных технологий. При внедрении прогрессивных технических и технологических решений не в полной мере обеспечивается их научное обоснование в виде моделирования прогноза, сравнения и оптимизации результатов. В данной работе предложена модель, позволяющая с помощью автоматизированных средств выявлять функциональные соотношения, определять чувствительность ее факторов, прогнозировать, производить оценку нагрузки колеса электровоза на рельс в условиях текущего ремонта.
Тема настоящего исследования соответствует тематике программы ОАО «РЖД» «Комплексная программа реорганизации и развития отечественного локомотиво и вагоностроения, системы эксплуатации и ремонта подвижного состава на период 2001-2010 годов» [1].
Целью исследования является повышение тягово-сцепных свойств и снижение износа колесных пар электровоза после текущего ремонта выравниванием нагрузок колес электровоза на рельсы .
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и успешно решены следующие задачи: исследованы известные подходы к вопросам выравнивания нагрузки колеса подвижного состава железных дорог на рельс; предложена аналитическая модель для выравнивания нагрузки колеса электровоза на рельс в условиях текущего ремонта с учетом жесткости рессорного подвешивания; предложена аналитическая зависимость между изменениями нагрузок колес электровоза на рельсы и регулировочными действиями при статистическом усреднении расчетных коэффициентов для каждого типа электровоза, позволяющая выполнять моделирование нагрузок; разработана методика для статистического моделирования нагрузки колеса электровоза на рельс с учетом жесткости рессорного подвешивания ; выполнены экспериментальные исследования технических и технологических решений направленных на выравнивание нагрузки колеса электровоза на рельс в условиях текущего ремонта; выполнен технико-экономический анализ результатов исследования. Объектом исследования является электровоз в процессе текущего ремонта
Предметом исследования выступает рессорное подвешивание электровоза и распределение нагрузки колеса электровоза на рельс.
Методологической и теоретической основами исследования служат научные положения о работе рессорного подвешивания электровозов, изложенные в трудах отечественных и зарубежных авторов. В работе также использованы принципы и методы математического моделирования, математической статистики, планирования эксперимента, системного подхода, функционального анализа, надежности, метрологии, экономики и др. Применялись автоматизированные средства и прикладные программы Microsoft XI, Mathcad, Statgraphics и др.
Информационно-эмпирическую базу исследования составляют рекомендации научно-практических конференций по оптимизации характеристик рессорного подвешивания локомотивов, аналитическая информация, опубликованная в специализированных научных изданиях, официальные статистические данные, оригинальные фактические материалы о характеристиках рессорного подвешивания локомотивов, собранные автором в процессе исследования.
Научная новизна диссертационного исследования выражается в следующем: предложена аналитическая зависимость между неравномерностью нагрузок колес электровоза на рельсы и регулировочными воздействиями, предложена процедура расчета регулировочных воздействий по выравниванию нагрузок до величины неравномерности допустимых пределов ; разработана методика и алгоритм для статистического моделирования нагрузки колеса электровоза на рельсы с учетом жесткости рессорного подвешивания и последующего выравнивания нагрузки по колесам и колесным парам электровоза на рельсы в условиях текущего ремонта с целью повышения его тягово-сцепных свойств.
Достоверность и обоснованность разработанных теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждена корректностью математических моделей, решений и выводов, данными экспериментальных исследований моделей и натурных объектов.
Практическая значимость результатов исследований состоит в разработке практических рекомендаций для контролирования распределения массы электровоза по колесам и по осям, направленных на выравнивание нагрузок колес электровоза на рельсы в условиях текущего ремонта. Результаты внедрены на ведущих предприятиях для обслуживания и ремонта электровозов Куйбышевской железной дороги - филиала ОАО «РЖД», Челябинском электровозоремонтном заводе -филиале ОАО «РЖД».
Разработки автора используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности 190303 - Электрический транспорт железных дорог.
Апробация работы. Основные теоретические положения, результаты и выводы исследования докладывались, обсуждались и получили одобрение: на заседаниях научно-технического семинара Института транспортной техники и сооружений СамГАПС (2004 - 2005 гг.), на заседании НТС локомотивной службы Куйбышевской железной дороги-филиала ОАО «РЖД», на II Международной, научно-практической конференции Самара 2005г. Основные научные результаты диссертации изложены в 7 статьях.
Объем работы. Диссертация состоит из Введения, 5 глав, заключения, 3-х приложений, списка использованных источников. Содержит 121 страницу основного текста, в том числе 12 таблиц и 27 рисунков (схемы, диаграммы, графики).
Автор выражает глубокую благодарность старшему преподавателю С.Д. Анисимову, доценту Н.А. Ефимову, Начальнику динамометрического вагона локомотивной службы Куйбышевской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» Д.Н.Пикалову за научные консультации при выполнении диссертационной работы.
Новые схемы рессорного подвешивания
Тягово - сцепные свойства электровозов во многом зависит от условий эксплуатации [30,31,32]. Нагрузка на рельс при этом является важнейшим фактором [33,34].
В качестве практических рекомендаций по выравниванию нагрузок колес на рельсы исследователями предлагаются различные варианты усовершенствования схемы рессорного подвешивания и тяговых передач [35,36,37]. Наибольший интерес для целей настоящей работы представляет публикация.
Тележки с усовершенствованным рессорным подвешиванием. И. И. Галиев, В.А. Нехаев, В.А. Николаев, (Ом ГУПС, г. Омск). Рассмотрим данную работу более подробно [ 38 ].
В работе [ 38 ] отмечено, что когда колесо катится по рельсу, между ними всегда имеет место проскальзывание (крип), особенно в кривых. С точки зрения трения повышенный крип приводит к интенсификации износа. Поэтому другой подход к продлению срока службы колес и рельсов предусматривает снижение крипа за счет применения тележек, лучше вписывающихся в кривые. Типовые трехэлементные тележки просты по конструкции, их сравнительно легко обслуживать и ремонтировать, но они обладают недостаточно хорошими характеристиками по вписыванию в кривые, а при большом износе конструктивных элементов работают с высоким крипом даже на прямолинейном пути.
Последние испытания тележек с усовершенствованным рессорным подвешиванием показали значительное уменьшение поперечных сил во взаимодействии колес, рельсов и их износа (почти на 50 %), а также сокращение потребления топлива (примерно на 20 %) по сравнению со стандартными тележками [38]. В улучшенных тележках применены диагональные связи и дополнительные связи на раме, введены другие конструктивные изменения для ужесточения положения боковин рамы, а также прокладки между адаптерами подшипников и боковинами, образующие первую ступень подвешивания и обеспечивающие оптимальное ориентирование колесных пар при движении в кривых.
Тележки с усовершенствованным рессорным подвешиванием сложнее, несколько тяжелее и дороже стандартных [35]. Исследования длительности срока службы их конструктивных элементов под вагонами с высокими осевыми нагрузками в настоящее время ведутся в рамках испытаний на железной дороге Union Pacific. Хотя такие тележки в эксплуатации требуют большего числа запасных частей, снижение уровня действующих сил, как полагают, уменьшит износ и существенно увеличит интервалы между заходами в пункты технического осмотра и депо для обслуживания и ремонта [38].
В работе [38] показано, что низкие динамические свойства экипажной части подвижного состава являются одной из причин недостаточного уровня безопасности движения поездов и высоких эксплуатационных расходов, обусловленных увеличением затрат на ремонт подвижного состава и пути, а также повышенным энергопотреблением на тягу поездов. Недостатки традиционного рессорного подвешивания железнодорожных экипажей, основанного на применении линейных упругих элементов в комбинации с фрикционными или гидравлическими гасителями колебаний, стали особенно очевидны в последнее время, когда вследствие значительного износа подвижного состава и рельсов железные дороги начали нести значительные убытки многочисленными ограничениями скорости, сходами вагонов с рельсов и другими более тяжелыми последствиями.
Особенно важно для настоящей работы, что это относится к унифицированным системам обрессоривания буксовой ступени подвешивания, которыми оснащены магистральные электровозы ВЛ10, ВЛ80 и ВЛ85. Ужесточение характеристик пути, в первую очередь модуля упругости рельсового основания при применении рельсов тяжелых типов, железобетонных шпал на щебеночном основании, рост сцепного веса локомотивов и другие факторы ведут к увеличению уровня сил динамического взаимодействия локомотива и пути [36]. Кроме того, из-за большого коэффициента относительного трения листовая рессора при малых амплитудах возмущающего воздействия заблокирована силами сухого трения, вследствие чего динамические нагрузки, действующие на тяговый привод, раму тележки и рельсы, резко возрастают, что влечет за собой накопление различных дефектов в экипажах и верхнем строении пути [30,38].
В последнее время повысился интерес к разработке и исследованию систем виброзащиты, действие которых основано на принципе регулирования по возмущению, - принципе компенсации внешних возмущений. Такие системы открывают новые возможности для повышения динамических качеств локомотивов и вагонов, а, следовательно, и эффективности работы транспорта в целом.
Математическая модель состояния системы рессорного подвешивания в эксплуатации
Техническое состояние рессорного подвешивания в эксплуатации, как любого технического объекта, в основном определяется теми динамическими процессами, которые протекают в нем в данный момент времени [45,46]. Далее внешние воздействия предполагаются известными или заданными, что по существу означает выбор режима работы рессорного подвешивания, на котором производится оценка его технического состояния [47]. Тогда, как видно из уравнений (2.1) параметры функционирования x,(t) рессорного подвешивания полностью определяются только текущими значениями внутренних параметров.
Для количественной оценки качества работы рессорного подвешивания можно выбрать некоторые величины Pr(r = l,2,-,S), называемые показателями качества работы, численные значения которых характеризуют эффективность работы рессорного подвешивания.
При этом необходимо иметь ввиду, что если структуру рессорного подвешивания можно считать неизменной, то его внутренние параметры непрерывно изменяются с течением времени. Эти изменения могут быть в виде как скачкообразных отклонений так и медленного дрейфа от своих номинальных значений [48]. Поэтому с течением времени в процессе работы рессорного подвешивания применяются как его параметры функционирования так и показатели качества работы. В связи с этим можно сказать, что состояние рессорного подвешивания, в конечном счете, характеризуется его внутренними параметрами, исправность можно характеризовать численными значениями этих параметров, а критерии отказа границами области допустимого значения этих параметров А .
Если придерживаться такой трактовки работоспособности (неработоспособности) рессорного подвешивания, то если a = \aj}eA рессорное подвешивание считается работоспособным, а если a = {aj} A рессорное подвешивание считаем отказавшим . В этой связи возникает необходимость определения текущих значений параметров ау(0 ) и их отклонений от своих номинальных значений ауои времени достижения граней области допустимых изменений дЛ.
Если сделать естественное предположение об устойчивости рессорного подвешивания при номинальном режиме работы, то можно принять, что малому отклонению параметров До, соответствует малое дополнительное движение Д ,(0 и соответственно малые отклонения показателей равномерности нагрузки колеса на рельс АРГ. В настоящее время разработаны весьма эффективные (как теоретические, так и экспериментальные) методы определения матрицы чувствительности, поэтому она далее предполагается известной. Причем, в зависимости от того, что определяется из уравнения (2.6) прямые и обратные задачи теории чувствительности. Очевидно, рассматриваемая задача относится к обратным задачам теории чувствительности.
Пусть в результате наблюдений над рессорным подвешиванием на интервале времени (О, Т) выявлено отклонение показателей качества работы, вызванное неизвестными отклонениями параметров, и в предложении, что известна матрица чувствительности, требуется определить эти отклонения.
На первом этапе определяют закон распределения жесткости и коэффициенты уравнений регрессии. Жесткость рессорного подвешивания электровоза является непрерывной случайной величиной, закон распределения которой может быть представлен плотностью распределения [47,48].
Вид предполагаемого закона распределения выбирается исходя из анализа физических процессов, протекающих при изнашивании или старении пружин и рессор, работоспособность которых оценивается жесткостью. Основными распределениями, которые достаточно хорошо описывают случайные величины, характеризующие функционирование технических устройств являются: равномерное, экспоненциальное, нормальное, логнормальное и распределение Вейбулла [47].
Теоретически и многочисленными опытами установлено, что случайная величина жесткости при фиксированном значении пробега хорошо описывается нормальным законом распределения, что является следствием действия закона «больших чисел». Согласно этому закону, если случайная величина подвержена воздействию большого числа случайных факторов, среди которого нельзя выделить преобладающего, т.е. каждый из них оказывает на нее приблизительно одинаковое воздействие, то распределение случайной величины подчиняется нормальному закону.
Алгоритм моделирования нагрузки колеса электровоза на рельс
Узел рессорного подвешивания состоит из ряда функциональных элементов, взаимодействующих между собой в процессе работы. К таким функциональным элементам для целей данной работы отнесены пружины, рессоры и зазоры в соединениях, определяющие жесткость рессорного подвешивания.
Для оценки текущего технического состояния рессорного подвешивания необходимо контролировать состояние этих функциональных элементов, что в эксплуатации не всегда представляется возможным. Для каждого узла рессорного подвешивания характерны определенные признаки, выражающиеся в соответствующем изменении его параметров функционирования. Регистрируя периодически эти изменения и зная их зависимости от состояния электровоза, можно установить причины этих изменений, в том числе жесткость, и поколесную, и потележечную нагрузку колес электровоза на рельсы.
Нормально функционирующий узел рессорного подвешивания обладает структурой его функциональных элементов, соединенных между собой в определенной последовательности, и набором внутренних параметров, численные значения которых определяют его текущее техническое состояние [1, 2]. Если структуру узла рессорного подвешивания можно считать постоянной, т.к. она , как правило, являются следствием разного рода поломок, заклиниваний и других отказов, то внутренние параметры непрерывно изменяются в процессе эксплуатации. Эти изменения носят в основном характер редких скачкообразных отклонений и постоянных медленных дрейфов от своих номинальных значений [3,4].
Если скачкообразные отклонения, приводящие, как правило, к структурным изменениям, могут быть относительно легко обнаружены и локализованы, то выявление малых отклонений является более сложной задачей. Это вызвано, прежде всего тем, что скорости их протекания достаточно малы и существенных значений могут достигнуть только в течение относительно большого периода эксплуатации. Необходим учет изменений, т. к. малые количественные изменения внутренних параметров могут привести к качественным (в том числе к структурным) изменениям в узле рессорного подвешивания. В то же время этих крайне нежелательных явлений можно избежать, если, оценив текущее состояние рессорного подвешивания, в случае необходимости организовать профилактические мероприятия.
Для полной оценки его технического состояния необходимо контролировать все внутренние параметры, как отмечалось выше, что не всегда возможно. Поэтому было выбрано некоторое ограниченное число контролируемых параметров, которые достаточно полно характеризовали техническое состояние с учетом того, что не все внутренние параметры в равной мере чувствительны к характеристикам состояния рессорного подвешивания, а некоторые внутренние параметры могут быть зависимыми. Откуда делаем вывод, что, измерив один параметр можно предсказать поведение другого. Следовательно, контролируемые параметры, выбираемые для оценки состояния узла рессорного подвешивания, должны быть кроме, всего прочего, независимыми и достаточно чувствительными по отношению к параметрам функционирования. С этой целью выбор контролируемых параметров для узлов рессорного подвешивания производится с учетом анализа чувствительности, под которым понимаются способы и методы оценки влияния контролируемых параметров на характеристики состояния узла рессорного подвешивания, причем в качестве этих характеристик, как правило, берутся некоторые его параметры функционирования [5].
Сравнение схем замеров и характеристик тензорезисторных датчиков нагрузки колеса на рельс
Современные локомотивы практически работают на тележках двух и трехосного исполнения [69,70,71]. От колес на рельс действуют две и три силы Р, и для вычисления величины изгибающего момента под влиянием каких-либо из них необходимо учесть влияние соседних [72,73]. Если соседние силы Р расположены на таких расстояниях от расчетного сечения, что коэффициенты их влияния отрицательны, то они окажут на рельс разгружающие (в смысле напряжений) действия.
Такое действие оказывают обычно нагрузки от колеса на рельс (и от рельса на колесо) от смежных ведущих колес локомотива. Поэтому в результате нарушения развески экипажа локомотива в продольном направлении будет увеличиваться или уменьшаться изгибающий момент (напряжение металла рельса и колеса) от расстояния рассматриваемого сечения до точки приложения силы Р, что равносильно увеличению (уменьшению) межколесной базы в тележке экипажа [74].
Анализ практической статической балансировки локомотивов в продольном и поперечном направлениях предлагает сделать вывод: на железных дорогах РФ создать базовые депо, где осуществлять между ремонтами ТПС в объеме ТР-3 статическую балансировку локомотивов; разрабатывать и внедрять методики таких работ; по мере накопления практического опыта вносить проверенные статические данные в правила ремонта ТПС; сформулировать узкие места данной темы и довести до широкого круга ремонтного персонала. В плане актуальности темы предлагается упростить и повысить надежность работы по проверке статистических нагрузок на восьми и шестиосных электровозах серии ВЛ10, ВЛ10У и ЧС-2 [75,76,77].
Для электровозов указанных серий на достаточном отнивилированном пути разработать и установить на ремонтной позиции «плавающий стык» (рис. 4.3), который свободно перемещается в вертикальной плоскости.
Основание подошвы рельса «плавающего стыка» опирается на специальную силовую конструкцию, в которую вмонтирован тензорезисторный датчик силы типа №470 К (рис. 4.4) с номинальной нагрузкой 20-25 т. Изготовитель ЗАО «ТЕНЗО - М» г. Люберцы.
Данный датчик силы относится к тензометрическим датчикам и может быть использован в силоизмерительной технике.
Предлагаемая схема замеров статических нагрузок на ведущих осях локомотивов, позволит уменьшить технологическое время и позволит снимать показания в месте контакта колеса с рельсом с учетом работы рессор, пружин подвески и зазоров в валиках при наличии сухого трения.
Тензорезисторный датчик силы типа №470 К Вышеуказанной схемой замера величин статической нагрузки на ведущую ось локомотива, на примере трехосной экипажной тележки электровоза серии ЧС-2 (рис.4.5) рассмотрим предлагаемую технологию балансировки статических нагрузок на оси колесных пар в продольном направлении электровозов данной серии.
Из длительной практики эксплуатации электровозов данной серии, специалистам практикам хорошо известно, когда в результате обточки колесных пар изменение (в сторону увеличения) зазоров в валиках рессорного подвешивания и возросшего значения сухого в них трения (отсутствует смазка) и других субъективных причин - горизонтальные балансиры, расположенные в зоне межколесной базы, приходят в динамическое соприкосновение (рис.4.5) по вертикальной траверсе (позиции 5-7) вплоть до образования металлического налета. В результате кратковременного соприкосновения тела горизонтального балансира с рамой экипажной тележки, из одной точки рессорного подвешивания образуются две (кратковременно и с одной стороны).
Из законов динамики движения экипажной тележки по рельсовой колее ясны отрицательные последствия в работе рессорного подвешивания в схеме: колесо-рельс (перегружаются соседние рессоры, буксы, изменяются нагрузки по осям колесных пар и т.п.) [77].
Для устранения разницы статических развесок по осям колесных пар шестиосного электровоза (ЧС-2) в продольном направлении предлагается технология: установить электровоз на горизонтальном пути (можно использовать путь повторного круга); замерить зазоры между корпусами букс и нижней кромкой рамы тележки, которые должны быть все одинаковые в пределах 35-40 мм; расконтрить (предварительно нанести контрольные риски) и ослабить гайки 25, 24 на балансирных и опорных подвесках регулируемой оси колесной пары (рис.4.6); нагружать пружинную рессору 22 путем нагружения гайки 24 из расчета один полный поворот гайки дает увеличение статической нагрузки равной 300 кЩрис.4.6); в случаях невозможности получения положительных результатов в распределении нагрузок с помощью перемещения опорных гаек (24,25), электровоз подготовить к подъему кузова; поднять кузов на высоту 70-80 мм, установить (изъять) необходимое количество регулировочных шайб на опорах пружин (2 мм прокладка дает изменение нагрузки 200 кН); /J 27 и Рис.4.6. Пружина и детали регулирования ее высоты осмотреть горизонтальный шкворень между экипажными трехосными тележками на предмет определения всех норм износов в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При выполнении работ по регулированию развески электровоза руководствоваться нормами допусков и износов деталей и узлов механического оборудования в соответствующих разделах Правил текущего ремонта и технического обслуживания электровозов постоянного тока ЦТ-725 [78,79,80].
