Содержание к диссертации
1. ВВЕДЕНИЕ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 6
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЩОВАНИЕ НАГРУЖЕННОСТЙ ОПЫТНЫХ ТЕЛЕЖЕК ТИПА 327 ДЛЯ РЕФРИЖЕРАТОРНЫХ ВАГОНОВ
2.1. Цель исследования 13
2.2. Объект испытаний 14
2.3. Методика проведения ходовых динамических испытаний
2.3.1. Регистрируемые величины. Схемы измерений. 16
2.3.2. Условия проведения испытаний
2.4. Методика тарировки датчиков 20
2.5. Методика обработки опытных данных 24
2.6. Результаты экспериментального исследования
2.6.1. Показатели динамики и нагруженноеть 27
2.6.2. Силовая характеристика совмещенного гасителя колебаний 31
2.6.3. Параметры характеристик рессорного подвешивания 32
3. ВДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ В03МУЩАЩЕГ0 ВОЗДЕЙСТВИЯ 36
3.1. Критерий идентификации модели возмущающего воздействия 36
3.2. Математическое описание модели возмущающего воздействия 37
3.3. Расчетные схемы динамической системы "вагон-путь" и дифференциальные уравнения движения 39
3.3.1. Колебания вагона, движущегося по абсолютно жесткому пути без учета инерционных
свойств неподрессоренных масс тележки 39
3.3.2. Колебания рефрижераторного вагона, движущегося по абсолютно жесткому пути с
учетом колебаний неподрессоренных масс тележки
3.3.3. Колебания вагона, движущегося по упруго-инерционному пути с учетом колебаний неподрессоренных масс тележек 42
3.3.4. Математическая модель фрикционного гасителя колебаний тележки 327 44
3.3.5. Параметры математических моделей в задаче идентификации возмущений 46
3.4. Алгоритм решения задачи идентификации параметров модели возмущающего воздействия 50
3.5. Анализ результатов идентификации параметров модели возмущающих воздействий 55
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОДВЕШИВАНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ НАГРУЖЕННОСТИ ПОДРЕССОРЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИ. 59
4.1. Показатели нагруженности подрессоренных элементов тележки 61
4.2. Математические модели нелинейных утгруго-диссипативных характеристик подвешивания 62
4.3. Обоснование и выбор метода определения режима и структуры нагруженности надрессорного бруса... 67
4.3.1. Основные методы решения задач статистической динамики 67
4.3.2. Особенности применения метода спектральных представлений к исследованию режимов нагруженности подрессоренных элементов транспортных машин 71
4.4. Применение метода электродинамического моделирования к исследованию случайных колебаний системы подрессоривания с нелинейной восстанавливающей
силой 4.4.1. Методика электродинамического моделирования 81
4.4.2. Результаты исследования работы нелинейной системы подрессоривания методом электродинамического моделирования 86
4.4.3. Влияние нелинейности упругой характеристики на усталостную долговечность 92
4.5. Математическое моделирование режимов нагруженности нелинейной системы подрессоривания 98
4.5.1. АЧХ подрессоривания с билинейной характеристикой и силой "сухого" трения в подвешивании 98
4.5.2. Распределение мгновенных значений динамических сил в системе с нелинейной упругой характеристикой 102
4.5.3. Распределение амплитудных значений динамических сил в системе с билинейной упругой характеристикой 106
4.5.4. Расчетная оценка показателя относительной усталостной повреждаемости 112
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ РЕССОРНОГО
ПОДВЕШИВАНИЯ 119
5.1. Выходные параметры рессорного подвешивания J20
5.2. Основные факторы, вызывающие рассеивание динамических показателей вагона 123
5.3. Определение диапазона изменения силы трения фрикционного гасителя колебаний тележки 327
5.3.1. Рассеивание коэффициента трения пары сталь-ферродо 125
5.3.2. Стендовые испытания дисковых гасителей колебаний 1
5.4. Статистические характеристики условий эксплуатации вагонов рефрижераторной секции 133
5.5. Критерии параметрической надежности подвешивания.. 136
5.6. Методика расчетной оценки параметрической надежности подвешивания 139
5.7. Параметрическая надежность подвешивания тележки для рефрижераторных вагонов 145
6. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОДВЕШИВАНИЯ ТЕЛЕЖКИ РЕФРИЖЕРАТОРНОГО ВАГОНА 152
6.1. Критерии эффективности рессорного подвешивания.. 153
6.2. Алгоритм оптимизации с использованием теории планирования эксперимента 155
6.3. Оптимизация характеристик подвешивания тележки 327 161
6. ЗЛ. Линейная упругая характеристика 162
6.3.2. Степенная упругая характеристика 166
6.3.3. Билинейная упругая характеристика 171
6.3.4. кусочно-линейная характеристика 177
6.4. Анализ эффективности подвешивания с оптимальными характеристиками 187
7. ОНЦИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 193
8. ЛИТЕРАТУРА 1
Введение к работе
Развитие железнодорожного транспорта СССР характеризуется значительным ростом грузооборота, повышением скоростей движения и веса поездов. Решениями ХХУІ съезда КПСС и рядом последующих правительственных постановлений перед железнодорожным транспортом нашей страны поставлены задачи дальнейшего повышения провозной и пропускной способности железных дорог с одновременным обеспечением качества и эффективности перевозок /I /. Так, на 1984 год предусмотрено повышение среднего веса поездов не менее, чем на 1000 кН, увеличение статической нагрузки вагонов на 3 кН, ускорение грузооборота вагона на 3,2$. В качестве дополнительного задания партии предусмотрено повышение производительности труда на железнодорожном транспорте против плана на 1% и снижение себестоимости на 0,5$. Важность этого задания для благосостояния народа подчеркнута в выступлении Генерального секретаря ЦК КПСС К.У.Черненко на февральском (1984г.) Пленуме ЦК КПСС.
Одной из важных задач, поставленной перед железнодорожным транспортом Продовольственной программой СССР, является ускорение и повышение качества перевозок скоропортящихся грузов. Большое значение для ее успешного решения имеет улучшение структуры и совершенствование конструкции подвижного состава для транспортировки сельскохозяйственной продукции и продовольствия.
В настоящее время у нас в стране 90$ общего объема перевозок скоропортящихся продуктов приходится на рефрижераторные вагоны. Увеличение статической нагрузки вагонов, повышение скоростей движения и специфика обслуживания рефрижераторных секций производства ПО ЕМЗ потребовали разработки новой специализированной тележки (усл. № 327) взамен используемой в настоящее время тележки КВЗ-И2.
Форсирование режимов эксплуатации вагонов, реализующее указанные выше требования поувеличению грузооборота, может привести к существенному увеличению повреждений вагонов и грузов. Б связи с этим становится особенно актуальной проблема совершенствования систем подвешивания вагонных тележек, в наибольшей мере влияющих на уровень вертикальной нагруженное ти и динамические показатели вагонов.
В течение ряда лет многими организациями проводились многочисленные исследования с целью создания более совершенных амортизирующих устройств, в том числе и систем рессорного подвешивания.
Широкое применение методов физического и математического моделирования, методов математического программирования и использования ЭВМ постребовало значительного расширения научной базы, проведения комплексов исследований, связанных с динамикой поезда, механикой твердого тела, теорией трения и т.д.
Крупнейшими работами в области развития современных методов исследования колебательных процессов, сопровождающих движение железнодорожных экипажей и создание амортизирующих устройств вагонов, явились труды ученых: Е.П.БЛохина, М.Ф.Вериго, С.В.Вертинского, М.В.Винокурова, Л.О.Грачевой, В.Н.Данилова, И.П.Исаева, Л.А.Кальницкого, А.А.Камаева, В.А.Камаева, А.Я.Когана, Н.Н.Кудрявцева, Л.Д.Кузьмича, С.М.Куценко, В.А.Лазаряна, А.А.Львова, В.Б.Меделя, Л.Н.Никольского, А.А.Попова, А.Н.Са -восысина,М.М.Соколова, Т.А.Тибилова, Л.А.Шадура, В.Ф.Ушкалова, И.И.Челнокова, А.В.Юрченко и др.
Одним из наиболее важных направлений в развитии теории конструирования вагонов является исследование их надежности и и долговечности. Значительный вклад в развитие этого направления исследований внесен работами С.В.Вершинского, В.Н.Данилова, Б.Г.Кеглина, Л.Д.Кузьмича, В.П.Лозбинева, Л.Н.Никольского, Е.Н.Никольского, А.П.Приходько, А.А.Рахмилевича, А.Н.Савоськи-на, М.М.Соколова, В.Д.Хусидова и др.
В результате этих исследований был разработан ряд методов расчета динамических процессов/19,27,32 33 37 71/ » а также комплекс алгоритмов и программ /21,79,80/ для решения задач динамики поезда с применением современных цифровых (ЦВМ) и аналоговых вычислительных машин (АВМ). Решен ряд методических вопросов, связанных с применением численных методов решения /7, 74/ , с возможностью понижения порядка описывающей динамику вагона системы дифференциальных уравнений/-27/.
Совершенствование методов расчета систем подрессоривания связано с уточнением расчетных моделей динамической системы "вагон-путь" и разработкой способов идентификации ее параметров. Эти вопросы рассматривались в работах С.В.Вершинского, В.О.Ко-ноненко, В.А.Камаева, В.А.Лазаряна, В.А.Симонова, В.Ф.Ушкало-ва /19,53,73-75/.
Отработке методик испытаний вагонов,экспериментальным исследованием, внедрению в практику систем обработки данных испытаний на ЭВМ посвятили свои труды Е.П.Блохин, С.В.Вертинский, Н.Н.Кудрявцев, Ю.М. Черкашин.
Теоретическим и экспериментальным исследованиям действующих на рельсовые экипажи возмущений посвящены работы /5,23,33, 36,51,52,75,81,83/.
В связи с развитием вероятностной постановки расчетов прочности элементов вагонных конструкций в последние годы стал особенно актуальным вопрос о правильной оценке нагруженности вагона. Это потребовало проведения широкого статистического обследования условий эксплуатации вагонов и разработки методов расчетного моделирования эксплуатационной нагруженности. Этим вопросам посвящены работы /7,13,21,65,69 и др./.
Вопросам выбора оптимальных параметров подвешивания транспортных машин посвящены работы/12,22,36,37,38,61,77,82 и др./. В работах /36, 37, 38, 74 / изложена общая методология оптимизации параметров подвешивания железнодорожных экипажей, показано применение целого ряда численных методов. В /33/ рассмотрена оптимизация параметров рессорного подвешивания по колебаниям надрессорного строения в продольной вертикальной плоскости. Рассмотрены различные критерии оптимальности. Для нелинейных колебательных систем предлагается использовать адаптивный подход для поиска оптимальных параметров. В /38/ с использованием одноосной расчетной схемы колебаний вагона сравниваются результаты оптимизации по различным критериям качества. Проводится сравнение алгоритмов минимизации целевых функций, даются рекомендации по способам ускорения поиска. В работах /15,50/ рассмотрены вопросы оптимизации параметров подвешивания вагонов по критерию относительной усталостной повреждаемости. Показано, что значительного снижения усталостной повреждаемости можно достичь за счет применения в подвешивании нелинейных уп-руго-диссипативных элементов.
Теоретические основы исследования нелинейных динамических систем рассмотрены в работах /2,9,10,28,35,45,55,70/. Вопросы применения нелинейных связей в подвешивании железнодорожных экипажей нашли отражение в трудах М.Д.Быховского, Л.С.Вашакидзе, Б.С.Завта, Л.А.Кальницкого, В.П.Коцубенко, Г.В.Левкова, С.В.Никитина, Т.В.Селенской/18,29,47 и др./. В /17, 18/ рассмотрены возможности применения в рессорном подвешивании вагонов нелинейных упругих элементов, разработаны методические вопросы применения методов нелинейной статистической динамики к расчету подрессоривания вагонных конструкций. В /29/ рассматриваются вопросы влияния нелинейности центрального подвешивания на динамические показатели вагонов. Упругая характеристика подвешивания принимается симметричной относительно положения статического равновесия и описывается в виде уравнения полинома нечетной степени. Показаны преимущества нелинейного подвешивания в условиях воздействия детерминированного и случайного возмущения.
В /47,49/ исследовано влияние кусочно-линейных упругих характеристик подвешивания на формирование режимов нагру-женности несущих элементов тележек. Для моделирования режимов нагружения использован метод статистической линеаризации нелинейных упругих элементов.
Вопросы оценки показателей надежности элементов динамических систем рассматривались в работах /8,20,26,39,49,54,67, 68,72/.
В /20,26,54,67,68/ рассмотрены теоретические основы расчетов параметрической надежности машин. Вопросы исследования параметрической надежности фрикционных устройств рассматривались в /39/.
В работах /46,49/ основное внимание уделялось вопросам обеспечения заданных характеристик элементов подвешивания вагонных тележек без учета влияния отклонений их параметров на динамические показатели вагона. В работах /13,72/ сделана попытка рассмотрения характеристик подвешивания как определяющих качество функционирования системы подрессоривания вагона. В /41/ рассмотрены методические вопросы параметрической надежности подвешивания вагона при детерминированном воздействии со стороны рельсового пути. В /42/ для оценки надежности подвешивания при случайном возмущении ис -пользованы положения теории выбросов.
Несмотря на широкое привлечение методов статистической динамики и теории вероятностей к описанию режимов нагружения элементов вагонных конструкций вероятностная трактовка основных динамических показателей вагонов в настоящее время разработана недостаточна. Это приводит к определенным трудностям при сопоставлении результатов исследований различных авторов и использовании их для расчетов надежности с учетом фактического стохастического режима эксплуатации вагонов.
Недостаточно глубоко исследованы вопросы формирования режимов нагруженности в динамических системах с нелинейными амортизирующими устройствами при случайных воздействиях.
Практически не рассматривались вопросы исследования надежности и оптимизации систем подрессоривания в нестационарных условиях фактического режима эксплуатации вагонов.
В связи с этим сформулируем цель диссертационной работы -разработка методики параметрической оптимизации и надежности линейных и нелинейных систем рессорного подвешивания с учетом нестационарности условий эксплуатации рефрижераторных вагонов.
Достижение этой цели предполагает решение ряда задач. Необходимо: I) разработать математическую модель динамической системы "вагон-путь", учитывающей особенности рефрижераторных вагонов, для оценки эффективности рессорного подвешивания; 2) провести экспериментальное исследование динамических ка -честв и особенностей функционирования рессорного подвешивания тележки 327 для рефрижераторных вагонов; 3) обосновать выбор модели возмущающих воздействий и на основании данных экспери 12 ментального исследования решить задачу идентификации ее параметров; 4) рассмотреть возможность применения нелинейного подвешивания. Это требует: а) анализа возможности проведения исследований нагруженности нелинейных динамических систем методами статистической динамики;
б) разработки методики расчетно-экспериментального исследования динамических качеств нелинейных систем подрессоривания;
в) проведения специального экспериментального исследования по изучению преобразования законов распределения входных воздействий нелинейными динамическими системами;
г) экспериментальной проверки существования оптимальных по критерию минимума усталостной повреждаемости параметров нелинейных систем подрессоривания;
д) разработки методики расчетной оценки относительной усталостной повреждаемости элементов конструкции вагона с нелинейным подвешиванием;
5) разработать критерии параметрической надежности рессорного подвешивания и методику ее расчетной оценки, выполнить расчеты параметрической надежности существующего подвешивания тележки 327 рефрижераторного вагона; 6) обосновать выбор критериев для оптимизации параметров подвешивания, разработать методику оптимизации параметров подвешивания с учетом фактического стохастического режима эксплуатации вагонов.
