Содержание к диссертации
Введение
2. Краткий обзор и анализ исследуемой проблемы 7
2.1. Анализ теоретических и экспериментальных работ по динамике железнодорожного подвижного состава 7
2.2. Постановка рассматриваемых в диссертации задач и методы их решения 23
3. Теоретические исследования горизонтальной динамики пассажирских вагонов в кривых малого радиуса и на уклонах 25
3.1. Стендовые испытания моделей пассажирских вагонов и тележек при движении по кривым участкам пути и на уклонах более 26
3.2. Выбор расчетной схемы 39
3.3. Математическая модель горизонтальных колебаний при движении пассажирского вагона по кривым малого радиуса и по уклонам более 43
3.4. Исследование влияния параметров жесткости и демпфирования тележек на горизонтальную динамику пассажирских вагонов в кривых малого радиуса и на уклонах более
3.5. Выводы 68
4. Экспериментальное исследование горизонтальной динамики пассажирских вагонов на тележках с модернизированными амортизаторами буксового подвешивания и упруговкшоченными горизонтальными скользунами 69
4.1. Статические испытания буксового подвешивания и горизонтальных скользунов тележки КВЗ ЦНИИ 69
4.2. Динамические испытания буксового подвешивания и горизонтальных скользунов тележки КВЗ ЦНИИ 84
4.3. Поездные испытания пассажирских вагонов в кривых малого радиуса и на уклонах
4.4. Выводы 102
5. Технико-экономические обоснования применения модернизированных буксовых гасителей колебаний и горизонтальных скользунов тележек 104
6. Заключение 109
7. Список использованных источников 111
- Постановка рассматриваемых в диссертации задач и методы их решения
- Математическая модель горизонтальных колебаний при движении пассажирского вагона по кривым малого радиуса и по уклонам более
- Исследование влияния параметров жесткости и демпфирования тележек на горизонтальную динамику пассажирских вагонов в кривых малого радиуса и на уклонах более
- Динамические испытания буксового подвешивания и горизонтальных скользунов тележки КВЗ ЦНИИ
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года, принятых ХХУІ съездом КПСС, предусматривается дальнейшее расширение и совершенствование всех отраслей промышленности, транспорта и сельского хозяйства.
В принятом I декабря 1982 года Постановление ЦК КПСС и Совета Министров "Об улучшении планирования, организации перевозок народнохозяйственных грузов, пассажиров и повышение эффективности работы предприятий и организаций транспорта" огромное внимание уделяется дальнейшему повышению эффективности использования материально-технической базы, все более широкому внедрению достижений научно-технического прогресса на транспорте и обеспечению высокой надежности его работы.
Успешное решение задач, связанных с удовлетворением потребностей народного хозяйства во всех видах железнодорожных перевозок, требует дальнейшего увеличения скоростей движения и массы поездов, повышения интенсивности использования подвижного состава и создание новых конструкций вагонов и локомотивов.
В последнее время комплексные научно-исследовательские работы по совершенствованию конструкций вагонов выполнены ВНИЖГ, ВНИЙВ и рядом других научных организаций. Это позволило значительно увеличить скорости движения поездов и улучшить комфортность перевозки пассажиров. Однако опыт эксплуатации пассажирских вагонов в экстремальных условиях (кривые малого радиуса, затяжные спуски) показал, что многие их сборочные единицы требуют дальнейшего совершенствования. Особенно мало исследованными остаются вопросы динамики пассажирских
вагонов в кривых малого радиуса и на затяжных спусках с крутизной более 20%с . Зцесь наблюдается интенсивные износы скользунов, остроконечный накат и вертикальный подрез гребня колесных пар.
В связи с этим, актуальной является задача оценки особенностей горизонтальной динамики пассажирских вагонов в кривых малого радиуса и спусках с крутизной более 20$о , с целью обоснования требований к конструкции рессорного подвешивания, горизонтальных скользунов тележек КВЗ ЦНИИ и повышения их эксплуатационной надежности.
Пелью -работы является:
исследование горизонтальной динамики пассажирских вагонов в кривых малого радиуса с уклонами более 20%о для обоснования рекомендации по совершенствованию ходовых частей пассажирских вагонов, повышающей их эксплуатационную надежность для железных дорог со сложным профилем и планом пути. Научная новизна:
Уточнена расчетная схема для исследования горизонтальных колебаний вагонов в кривых участках пути и построена соответствующая математическая модель.
Изучено влияние различных типов связей в буксовом подвешивании и между кузовом и тележкой на ходовые качества пассажирских вагонов, а также воздействие от соседнего вагона через буферные комплекты при движении в кривых малого радиуса с уклоном более 20%о .
Установлено, что причинами повышенного износа колесных пар являются их ограниченное перемещение в продольном и поперечном направлениях, недостаточный ход буферных комплектов и большой момент сопротивления повороту надрессорной балки.
Практическая ценность
Разработанная в диссертации методика исследований горизонтальных колебаний пассажирских вагонов в кривых малого радиуса позволяет производить оценку нагруженности элементов тележек в зависимости от параметров связей в буксовом и центральном подвешивании.
Предложенная модернизация тележек КВЗ ЦНИИ дает возможность повысить надежность их работы и снизить износ отдельных деталей на 35% при эксплуатации пассшкирских вагонов в кривых малого радиуса и на затяжных спусках.
Реализация работы
Модернизированные резиновые амортизаторы буксового подвешивания и упруговключенные горизонтальные скользуны внедрены на Закавказской железной дороге. Годовой экономический эффект от внедрения модернизации составляет 86 руб. на один вагон.
2. КРАТКИЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ ИССЛЕДУЕМОЙ ПРОБЛЕМЫ
Постановка рассматриваемых в диссертации задач и методы их решения
Проведенный обзор и анализ исследований показал, что вопросам вертикальных и горизонтальных колебаний пассажирских вагонов уделено большое внимание. Подробно рассмотрены вопросы установления оптимальных силовых характеристик элементов рессорного подвешивания скоростных пассажирских вагонов, при учете нелинейных сил взаимодействия колес с рельсами и случайных неровностей железнодорожного пути. Разработаны аналоговые и цифровые методы исследования поведения систем со многими степенями свободы в прямых и кривых участках пути при наличии в рессорном подвешивании упругих и демпфирующих элементов с нелинейными характеристиками и воздействии возмущащей силы, изменяющейся по случайному закону.
Несмотря на большой объем выполненных исследований некоторые вопросы колебаний вагонов изучены недостаточно. Это в первую очередь относится к динамической нагруженности пассажирских вагонов, эксплуатирующихся на затяжных спусках с уклоном более 20%о и наличии кривых малого радиуса (до 300 метров).
Такие условия эксплуатации характерны для многих железных дорог СССР, проложенных в горной местности, в частности, Южного Сахалина, .Бдльнего Востока, БАМа, Северо-Кавказской и Закавказской дорог.
Опыт эксплуатации серийных пассажирских вагонов показывает, что повышение их надежности при эксплуатации в вышеописанных экстремальных условиях является актуальной проблемой. В связи с этим из общей проблемы совершенствования ходовых частей пассажирских вагонов для решения в настоящей работе были поставлены следующие задачи: 1. Изучить механизм взаимодействия ходовых частей пассажирских вагонов с рельсами в кривых малого радиуса и при уклоне более 2Q%o . 2. Разработать математическую модель движения пассажирских вагонов по кривому участку пути с учетом воздействия межвагонных связей, упрутовключенных скользунов и модернизированных фрикционных гасителей колебаний буксового подвешивания и на ее основе исследовать горизонтальную динамику тележек пассажирских вагонов при движении по кривым малого радиуса на затяжных спусках с различными параметрами колесно-тележечных и тележечно-кузовных связей. 3. Разработать рекомендации по модернизации горизонтальных скользунов и фрикционных гасителей колебаний тележек КВЗ ЦНИИ с целью повышения их надежности при эксплуатации в кривых малого радиуса и на уклонах более 2С$о . Решение поставленных задач проводилось на основании теоретического исследования колебательного процесса пассажирского вагона с применением ЭцШ с последующей экспериментальной проверкой полученных результатов в условиях стендовых и поездных испытаний. Исследование эксплуатационной надежности ходовых частей пассажирских вагонов показало, что интенсивность отказов в значительной мере зависит от конструкции рессорного подвешивания, типа и параметров связей колесных пар и кузова вагона с тележкой. Применение современных скоростных тележек КВЗ-ЦНИЙ не только не улучшает динамику пассажирских вагонов при следовании по кривым малого радиуса, но и приводит к интенсификации потока отказов. Поэтому возникает необходимость изучения причин появления повышенных износов гребней колесных пар, шпинтонов, горизонтальных и вертикальных скользунов, горизонтальных поводков и др. Общая методика исследования динамической нагруженности вагонов в кривых разработана во Однако в этих работах основное внимание было сосредоточено на движении по пологим кривым и разработке методов расчета рамных сил и устойчивости от всползания колеса на рельс. Вопросам влияния параметров тележек на интенсивность износов элементов буксового подвешивания и колесных пар уделялось недостаточное внимание. Поэтому настоящая глава посвящена теоретическому изучению влияния параметров тележки вагона на динамическую нагруженность ходовых частей, исследования динамических процессов в системе "вагон-путь" при движении в кривых малого радиуса на уклонах более. На первом этапе для уточнения механизма взаимодействия колесной пары с рамой тележки и надрессорной балки с кузовом вагона, а также влияния соседних вагонов были проведены специальные стендовые испытания моделей вагона и тележек. На втором этапе разрабатывалась математическая модель движения вагона по кривым малых радиусов и на уклонах. На третьем этапе проводилось исследование влияния параметров тележек и межвагонных связей на силы взаимодействия колес и рельсов.
Математическая модель горизонтальных колебаний при движении пассажирского вагона по кривым малого радиуса и по уклонам более
При входе в кривую рама тележки постепенно поворачивается в соответствии с направлением касательной к кривой. Надрессорная балка при этом остается некоторое время неподвижной относительно кузова вагона, а затем происходит резкий поворот над-рессорной балки. После этого она устанавливается по нормали к кривой. Если радиус кривизны продолжает уменьшаться, то происходят новые повороты надрессорной балки, носящие скачкообразный характер. Это указывает на необходимость учета возможных фрикционных колебаний в системе рама тележки - надрессорная балка - кузов вагона.
другой важной особенностью движения вагонов по уклонам является зависимость сил трения в скользунах от величины уклона и возвышения наружного рельса. Это вызывает существенное увеличение сил взаимодействия колес и рельсов в горизонтальной плоскости в одной из тележек.
В соответствии с результатами стендовых испытаний, при создании расчетной схемы пассажирского вагона для исследования динамики в кривых малого радиуса и на больших уклонах основное внимание было уделено взаимодействию колесной пары и рамы тележки в буксовом подвешивании, а также надрессорной балки с рамой тележки и кузовом.
Дополнительно при выборе расчетной схемы учитывалось, что в современных пассажирских вагонах коэффициент жесткости и инерционные параметры упругих элементов рессорного подвешивания значительно меньше их соответствующих значений для кузова, рамы тележек и колесных пар. Поэтому при разработке математической модели колебаний вагона было принято, что кузов, упрутоподвешенные и необрессоренных части тележек являются абсолютно твердыми телами. В этом случае пассажирский вагон, опирающийся на две двухосные тележки с двойным рессорным подвешиванием, представляет собой механическую систему, состоящую из девяти твердых тел: кузова, двух надрессор-ных балок, двух рам тележек и четырех колесных пар, соединенных между собой упругодемпфирующими элементами. Перемещения и повороты в пространстве указанных твердых тел полностью определяются 54-мя координатами.
Часть координат колесных пар из-за наличия геометрических связей, определяемых конструкцией железнодорожных экипажей и рельсового пути, не характеризуют динамических свойств вагона и в дальнешем при рассмотрении процессов колебаний во внимание не принимались. Колебания подпрыгивания и боковой качки необрессорных частей тележек на упругом основании пути происходит с частотами и амплитудами, которые значительно отличаются от соответствующих параметров колебаний упруго-подвешенных частей пассажирского вагона. Теоретическими исследованиями установлено, что учет этих видов колебаний в горизонтальной плоскости не оказывает существенного влияния на динамические показатели обрессоренных частей тележки, и, особенно, кузова вагона /69/. Результаты исследования, полученные при рассмотрении процессов вертикальных колебаний пассажирских вагонов на упругом и абсолютно жестком пути, отличаются друг от друга не более чем на 2 - 3$. Поэтому для упрощения решения поставленной задачи принималось, что путь в вертикальной плоскости является абсолютно жестким. Более подробно при формировании расчетной схемы рассматривалось взаимодействие пути и колесной пары. Суммарная жесткость пути в поперечном направлении представлялась в виде упруго дисипативной связи. Взаимодействие колеса и рельса представлялось в виде связи со сложной нелинейной характеристикой. Для выявления в процессе исследования влияния различных конструкций узлов соединения "шпинтон-букса", "рама тележки -надрессорная балка" и "надрессорная балка - кузов вагона" в расчетной схеме вводились специальные связи. Характеристики этих связей определялись экспериментально.
Кроме того, в расчетную схему были введены упрутие элементы, отражающие воздействие соседнего вагона через буферные комплекты на кузов исследуемого вагона. При определении параметров жесткости и демпфирования центрального подвешивания тележки, учитывались обобщенные параметры пружин, гасителей колебаний, люлечных подвесок и трения в соединениях. Также учитывалось /63/, что структура расчетной схемы должна быть такой, чтобы позволила оценить влияние, воздействие центробежных сил при вписывании в кривые наклона пути и кузова вагона на уклонах более 20$ ? на динамическую нагружен-ность вагона.
На основании вышеизложенного для теоретических исследований принята обобщенная раечетная схема с 16 степенями свободы изображенная на рис.3.8.
Исследование влияния параметров жесткости и демпфирования тележек на горизонтальную динамику пассажирских вагонов в кривых малого радиуса и на уклонах более
Анализ проведенных исследований показал следующий механизм прохождения вагоном кривого участка пути. При входе в переходную кривую появляется угол поворота тележек относительно оси пути. Это вызывает смещение тележек поперек оси пути и относ колесных пар. Поперечное смещение колесных пар вызывает появление продольного проскальзывания за счет увеличения разности в диаметрах кругов катания колесных пар и появлению реакции рельса при набегании колесной пары. Под действием этих сил колесные пары начинают поворачиваться, стараясь занять положение перпендикулярно оси пути. Появившиеся деформации буксового подвешивания вызывают появление сил, разворачивающих раму тележки вдоль касательной к оси пути. До выбора зазоров в буксовом подвешивании угол поворота тележек практически не изменяется. В моменты максимальных относительных углов поворота колесных пар и рам тележек наблюдается наибольшее значение рамных сил и факторов износа (рис.3.15).
Таким образом, можно отметить следующий характер прохождения вагонов по кривым участкам пути. При входе в переходную кривую появляются направляющие усилия со стороны пути и поперечные силы крипа разворачивающие колесную пару вдоль оси пути. Затем происходит поворот рамы тележки. При этом характер взаимодействия колесной пары с рамой тележки в момент выбора зазоров в буксовом подвешивании носит явно выраженный ударный характер.
В период дальнейшего движения по переходной кривой происходит увеличение сил, действующих между рамой тележки и надрессорной балки до величины определяемой моментом сил сухого трения в горизонтальных скользунах. Как только величина момента сил, действующих на надрессорную балку, становится больше момента сил сухого трения происходит резкий поворот надрессорной балки относительно кузова вагона. В этот момент значение фактора износа существенно уменьшается. Если радиус кривой продолжает уменьшаться, то указанные выше процессы повторяются.
После входа обеих тележек в круговую кривую процесс движения стабилизируется. Углы относительных поворотов между колесными парами, рамами тележек и кузовом вагона остаются постоянными. Их изменение происходит только при введении дополнительных неровностей рельсовых нитей. Однако величина динамических сил, значение фактора износа оказывается максимальным, происходит постоянный контакт гребня колесной пары с головкой рельса, что со своей стороны вызывает интенсивный износ гребней колесных пар, т.е. появляются вертикальный подрез гребней и остроконечный накат.
При движении вагона в кривых малого радиуса изменение горизонтальной жесткости буксового подвешивания в пределах 0,5 2,8 кЦ/м (ЦМВ КВЗ ЦНИИ) оказывает несущественное влияние на величину рамных сил. Это связано с тем, что свободное перемещение колесных пар ограничено реальными значениями зазоров в сочленении шпинтон-буксовое подвешивание. В связи с этим в дальнейшем основное внимание было уделено изучению влияния этого зазора. При увеличении зазора происходит рост деформации элементов буксового подвешивания и, как следствие, увеличиваетсяотнос и угол поворота рам тележек. При этом угол набегания колесной пары на рельс уменьшается. Вследствие этого уменьшается направляющая сила и фактор износа.
При уменьшении продольной жесткости горизонтальных поводков тележек КВЗ ЦНИИ фактор износа также уменьшается. В этом случае после выбора зазоров в сочленении буксовое подвешивание - колесная пара происходит поворот рамы тележки, несмотря на то, что надрессорная балка остается неподвижной относительно кузова вагона (рис.3.16). Благоприятные результаты показывает применение упруговключенных горизонтальных сколь-зунов (рис.3.17). В этом случае рама тележки и надрессорная балка поворачиваются относительно неподвижных скользунов.
Для тележек с меньшими значениями момента сил трения между надрессорной балкой и кузовом (ЦМВ, КВЗ-5) процесс прохождения кривых малого радиуса несколько отличается. В этом случае после выбора зазоров в буксовом подвешивании происходит поворот рамы тележки в направлении, совпадающем с касательной к оси пути. Это объясняется тем, что силы разворачивающие тележку оказываются большими чем силы сухого трения в пятнике. Фактор износа при этом оказывается меньшими. Однако в пологих кривых и на прямых участках пути картина влияния изменения рассмотренных параметров тележек существенно изменяется.
Таким образом, результаты расчетов показывают, что при прохождении кривых малого радиуса со скоростями до 12 м/с. тележки КВЗ ЦНИИ оказываются существенно хуже тележек ЩВ. Однако в кривых с радиусом 300 м и больше при скоростях движения 12 м/с и выше картина изменяется на противоположную. В этом случае величина фактора износа тележек ЦМВ из-за интенсивного влияния начинают увеличиваться.
Динамические испытания буксового подвешивания и горизонтальных скользунов тележки КВЗ ЦНИИ
Объектами динамических испытаний явились выделенные Закавказской железной дорогой два пассажирских ВДВ модели 61-425 № 1020, оборудованные модернизированными фрикционными гасителями буксового подвешивания и упругодемпфирущими горизонтальными скользунами и вагон № 1049 с типовыми гасителями колебаний и скользунами, который использовался в качестве эталона.
Вагоны постройки Польской Народной республики 1975 года, прошли заводской ремонт на Харьковском ВРЗ в 1980 году. В феврале 1982 года были отремонтированы деповским ремонтом в Тбилисском вагонном депо и в августе 1982 года прошли единую техническую ревизию (ЕТР) в ВЧ-І Сухуми Закавказской железной дороги в соответствии с требованиями инструкции ЦРБ $ 3223 от 24.12.74 г. Техническое состояние жодовых частей (тележки КВЗ ЦНИИ тип I) и вагонов в целом соответствовало среднесетевому состоянию подвижного состава, находящегося в эксплуатации. Основные параметры ходовых частей приведены в табл.4.I.
Параметры деталей и сборочных единиц вагонов удовлетворяли требованиям правил технической эксплуатации (ПТЭ).
Перед началом испытаний шпинтоны, фрикционные гасители колебаний, резиновый амортизатор буксового подвешивания, буксовые пружины, горизонтальные поводки, детали горизонтальных скользунов и межвагонных соединений оборудовались измерительными датчиками и подвергались тарировке. В качестве датчиков использовались реохордные црогибомеры, тензорезисторы, уско-рениемеры. Для регистрации измеряемых параметров использовалась аппаратура, размещенная в тензометрическом вагоне ЛИИЖГа № 59 Октябрьской железной дороги. Запись динамических процессов производилась на магнитографы НО-48 и НО-56. Перед поездками измерительные каналы тарировались по стандартной методике. В каждом рейсе выполнялась электрическая тарировка на ІМОМ и тарировка ускорениемеров на 0,5 .
В соответствии с программой испытаний на опытных объектах регистрировались следующие процессы: вертикальные и горизонтальные ускорения кузова вагона над пятниками тележек; продольные и поперечные перемещения колесных пар относительно рамы тележки;продольные и поперечные перемещения надрессорнои балки; угловое перемещение (виляние) надрессорнои балки относительно шкворневой; продольные, поперечные и вертикальные ускорения колесных пар и рамы тележки; напряжения в горизонтальных поводках; вертикальных и горизонтальных скользунах, разных витках надбуксовых пружин и сечениях шпинтонов; продольные и поперечные перемещения буферных комплектов.
Особенностями дороги Кутаиси-Ткибули является наличие уклонов до 4Q&» и кривых радиусом до 130 м. Испытание проводилось на участке А-Б (рис.3.13).
Обработка результатов испытаний проводилась в два этапа. На первом этапе для выбора наиболее характерных участков проводилась ручная обработка, на втором этапе экспериментальная информация записанная на магнитной ленте подвергалась автоматической обработке.
Для ввода информации, представленной в аналоговом виде на магнитной ленте магнитофона в ЭЦВМ предварительно производилась ее перезапись с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на накопитель на магнитной ленте (МЛ) ЭЦВМ БЭСМ-4М. Перезапись процессов производилась последовательно с каждого канала - магнитографа с помощью специальной программы
Определение плавности пассажирских вагонов В 1020 с модернизированными резиновыми амортизаторами буксового подвешивания и горизонтальными скользунами и В 1049 на серийных тележках, производилось по замеренным в кузове вертикальным и горизонтальным ускорениям в соответствии с ОСТ 24.050.16. Оценка плавности хода осуществлялась для порожних вагонов. Была использована специальная программа, разработанная в лаборатории "Автоматической обработки опытных данных" отделения вагонного хозяйства ВНИИЖТа. Случайный процесс ускорений кузова заменялся последовательностью полупериодов синусоид, эквивалентных по площади полупериодам исследуемого процесса. Зарегистрированные вертикальные и горизонтальные ускорения кузова при обработке по мгновенным значениям пропускались через блок фильтров.
Полученные показатели плавности хода для испытанных двух вагонов J6 1020 и J 1049 представлены в виде точечных диаграмм (рис.4.21 - 4.22).
Из представленных диаграмм показателей плавности хода по горизонтальным и вертикальным ускорениям, видно, что у опытного вагона они со скоростью до 15 м/с аналогичные как и у серийного вагона.
