Расчетная оценка эффективности работы перспективных поглощающих аппаратов автосцепки

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.4.028.86

Расчетная оценка эффективности работы перспективных поглощающих аппаратов автосцепки

А.М. Гуров

Рассмотрены вопросы применения математических моделей при моделировании маневровых соударений и различных режимов эксплуатации железнодорожных транспортных средств. Дана оценка эффективности применения новых перспективных эластомерных поглощающих аппаратов (ПМКЭ-110, ЭПА-120) и полимерного поглощающего аппарата ПМКП-110 для снижения продольной нагруженности вагона.

Материал поступил в редколлегию 25.10.05.

маневровый железнодорожный эластомерный аппарат

Gurov A.M. Calculated estimation of an overall performance of perspective absorbing devices of an automatic coupling.

Questions of application of mathematical models are consideredat modelling crash impacts and various modes of operation of railway vehicles. The estimation of efficiency of application new perspective elastomeric absorbing devices (PMKE-110, EPA-120) and polymeric absorbing device PMKP-110 for decrease in longitudinal loading of the car is given.

В транспортной системе России железные дороги занимают ведущее место. Около 80 % грузооборота (без учета трубопроводного) выполняется железнодорожным транспортом. На российских железных дорогах эксплуатируется 820 тыс. грузовых вагонов, принадлежащих ОАО «РЖД». Средний возраст основных типов вагонов (на 01.01.04) составляет 20 лет. Для обеспечения прогнозируемых грузоперевозок (2000-2200 млрд тарифных ткм в 2010 г.), по данным ГипротрансТЭИ, общий потребный парк грузовых вагонов к 2010 г. должен составить около 754,7 тыс. единиц.

В 2000 г. заметно возросли объемы перевозок. Это обусловило увеличение масс вагонов и поездов, скоростей соударений вагонов при маневровых горочных операциях, что привело к повышению продольной нагруженности вагона, а следовательно, к росту поступления грузовых вагонов и цистерн в ремонт. Практика показывает, что на устранение повреждений, вызванных продольными нагрузками, за срок службы вагона затрачиваются средства, равные его первоначальной стоимости.

Основным элементом конструкции вагона, обеспечивающим защиту от продольных воздействий в эксплуатации вагонов и грузов, является амортизирующее устройство автосцепки (поглощающий аппарат). Возросли требования организаций железнодорожного транспорта и вагоностроительных заводов к межвагонным амортизирующим устройствам. Был разработан ОСТ32.175-2001 «Аппараты поглощающие автосцепного устройства грузовых вагонов и локомотивов. Общие технические требования», в котором повышены требования к амортизаторам и предусмотрено подразделение поглощающих аппаратов по основным технологическим показателям (ход, номинальная и максимальная энергоемкости) на 4 класса: Т0, Т1, Т2, Т3. Это привело к созданию новых перспективных амортизаторов удара, назначением которых является снижение продольной нагруженности, увеличение срока службы и уменьшение денежных затрат на обслуживание вагонов.

При проектировании поглощающих аппаратов экспериментальные исследования, требующие непосредственного измерения нагрузок, затруднительны, так как являются трудоемкими и дорогостоящими. К тому же эксперимент совершенно непригоден для прогнозирования нагруженности при перспективных условиях эксплуатации, а также при оценке работы разрабатываемых поглощающих аппаратов в различных поездных режимах. Поэтому основными являются методы, базирующиеся на математическом моделировании нагруженности.

Рассматриваемые перспективные высокоэнергоемкие амортизаторы ударов по своим характеристикам относятся к трем классам: ПМКП-110 - к Т1, ПМКЭ-110 - к Т2 и ЭПА-120 - к Т3. Разработка и внедрение этих аппаратов ведется ООО «НПП Дипром» и ООО «НПП Дипром-плюс». Стендовые динамические испытания поглощающих аппаратов ПМКП-110, ПМКЭ-110 и ЭПА-120 проводились на стенде-горке БСЗ-БИТМ (рис. 1), предназначенном для моделирования ситуации маневровых соударений вагонов на сортировочных горках. Целью данных испытаний являлось получение динамических характеристик, оценки эффективности работы, а также данных, необходимых для построения и уточнения математических моделей.

Все расчеты проводились с использованием программного комплекса Train, разработанного на кафедре ДПМ БГТУ и позволяющего моделировать различные режимы эксплуатации железнодорожных транспортных средств. Программный продукт Train базируется на математических моделях, с помощью которых можно описать продольную динамику компонентов, образующих систему «поезд», рассчитывает пневматические процессы в главной воздушной магистрали и моделирует тормозное оборудование подвижного состава.

Модель поезда представляет собой сочетание масс и пружин, которое позволяет описать процесс движения поезда в виде системы дифференциальных уравнений. Поскольку вертикальные перемещения подвижного состава и его качение оказывают небольшое влияние на продольную динамику поезда, для системы программ Train выбрана одномерная модель. На каждую единицу подвижного состава в поезде действуют сила поглощающих аппаратов, усилие на сцепке, силы тяги (для локомотива), торможения и трения.

В качестве исходных для системы Train использовались данные, являющиеся информационной базой для различных элементов моделируемого поезда:

- для вагонов: название, тип, длина, масса, система торможения, число осей;

- для локомотивов: серия, длина, масса, система торможения, тяговая характеристика;

- коэффициент трения, зависимость коэффициента трения от скорости.

Моделируемый поезд может состоять из любого числа вагонов и локомотивов, расставленных в любом порядке. Для каждого вагона в поезде должны быть заданы масса, зазоры в сцепках, система управления торможением.

Когда заданы все входные величины, можно моделировать поездку в любом режиме: разгон, экстренное, полное или служебное торможение и отпуск тормозов.

Первая часть работы включала разработку и уточнение математических моделей для программного комплекса Train и сравнение их с эмпирическими данными.

Поглощающий аппарат ПМКП-110 класса Т1 (рис. 2) [1] - это новый высокоэффективный амортизатор удара, предназначенный для защиты грузовых вагонов широкого назначения от продольных нагрузок. Он разработан на базе серийно выпускаемого поглощающего аппарата ПМК-110К-23, в котором вместо пружинного комплекта используется комплект полимерных упругих блоков. Это позволило повысить энергоемкость аппарата и его надежность. Использование на основных поверхностях трения износостойких металлокерамических элементов привело к значительному повышению стабильности работы. Он не требует предварительной приработки для получения нормативной энергоемкости, благодаря чему надежно защищает вагон от повреждений уже при первых ударах.

На рис. 3 приведены силовые характеристики аппарата, полученные при ударных испытаниях на стенде-горке БСЗ-БИТМ и при помощи компьютерного моделирования в программном комплексе Train.

Поглощающий аппарат ПМКЭ-110 класса Т2 (рис. 4) [2] предназначен для защиты цистерн, перевозящих опасные (нефть и нефтепродукты, химические вещества и др.), разрядные и особо ценные грузы, от продольных нагрузок. Он разработан на базе серийного аппарата ПМК-110К-23, подпорно-возвратные пружины которого заменены эластомерным амортизатором (вставкой). Применение такой вставки позволяет значительно повысить надежность конструкции при сохранении всех преимуществ гидроамортизатора. Эластомерная вставка одновременно выполняет две функции: обеспечивает подпорное усилие при ударном сжатии и восстанавливает фрикционную часть после удара.

Силовые характеристики аппарата (рис. 5) получены при ударных испытаниях на стенде-горке БСЗ-БИТМ и при помощи компьютерного моделирования в программном комплексе Train.

Поглощающий аппарат автосцепки ЭПА-120 класса Т3 (рис. 6) [3] предназначен для амортизации соударений вагонов при формировании поездов на сортировочных горках и переходных режимах движения поезда. Он предназначен для установки на вагоны, перевозящие опасные и особо ценные грузы. По всем основным параметрам ЭПА-120 превосходит зарубежные аналоги. В данном амортизаторе в качестве рабочего тела используется объемно-сжимаемый и высоковязкий полимер. Ударное сжатие амортизатора сопровождается перетеканием материала через кольцевой зазор. Эластомер, имея высокую вязкость, выполняет функции упругого и демпфирующего элемента.

Принципиальная схема аппарата отличается от известных тем, что его корпус объединен с тяговым хомутом, а также наличием дополнительного резервуара для эластомера, расположенного в проеме заднего упора автосцепного устройства. Это позволило почти в 1,5 раза увеличить объем эластомера, снизить в 1,5 - 2 раза рабочее давление в камерах и соответственно повысить эксплуатационные характеристики аппарата, в том числе и его надежность. На рис. 7 приведены силовые характеристики аппарата, полученные при ударных испытаниях на стенде-горке БСЗ-БИТМ и при помощи компьютерного моделирования в программном комплексе Train.

Как видно из представленных силовых характеристик, разработанные математические модели отражают поведение аппаратов и могут быть рекомендованы к использованию при моделировании различных режимов эксплуатации железнодорожных транспортных средств.

Вторая часть работы включала построение статистического распределения продольных сил, действующих на грузовой вагон за год.

Для оценки эффективности поглощающих аппаратов было сформировано статистическое распределение продольных сил для ПМКП-110, ПМКЭ-110 и ЭПА-120, а также для серийных аппаратов ПМК-110-К-23 и Ш-2-В, которыми оснащена большая часть грузовых вагонов ОАО «РЖД».

Для формирования статистических рядов продольных сил, действующих на грузовой вагон, рассматривались основные маневровые ситуации: удар в упор, пуск поезда, экстренное торможение, регулировочное торможение, полное служебное торможение.

Одним из главных факторов, определяющих уровень нагружения вагонов на сортировочных горках, является скорость соударения. Будем использовать спектр скоростей для перспективных условий эксплуатации [4]:

Массы универсального 4-осного вагона распределяются следующим образом [4]:

При математическом моделировании регистрировались как экстремумы сил за режим (сжимающие и растягивающие), так и получаемые методом полных циклов эквивалентные амплитуды сил и глобальные экстремумы. Общее число нагружений вагона за год эксплуатации на сортировочных горках - 437. Было учтено, что на сортировочных горках вагон нагружается дважды: как набегаемый и как ударяемый.

Будем использовать распределение скорости в начале торможения:

Распределение масс поезда:

Также известно общее число нагружений грузового вагона за год: при пуске поезда - 4500 и 1750 при рывках при увеличении скорости. Среднее число торможений в год - 9818, из них регулировочных - 5600, полных служебных - 4218 и экстренных - 19 [4].

С графиков, полученных с помощью программы Train для каждой из расчетных ситуаций, снимаем показания - глобальные экстремумы. Так как события не являются зависимыми, то вероятность возникновения данной ситуации является произведением вероятностей. Интервал силы от 0,15 до 4 MH разбиваем на 11 участков и регистрируем количество сил, попавшее в интервалы. Используя приведенные статистические данные, можно построить спектр продольных сил за год эксплуатации.

Объединив полученные для каждого из аппаратов данные, можно получить статистическое распределение глобальных сжимающих (табл. 1) и растягивающих экстремумов (табл. 2).

Можно сделать вывод о снижении величины продольной силы на перспективных поглощающих аппаратах. С учётом эффективности силовых характеристик этих аппаратов при маневровых соударениях можно рекомендовать данные конструкции к широкому внедрению на железнодорожном подвижном составе.

Таблица 1 - Статистическое распределение глобальных сжимающих экстремумов, действующих на грузовой вагон

Нормами для расчета и проектирования вагонов установлены различные расчетные режимы, в том числе первый расчетный режим. Этому режиму для грузовых вагонов соответствуют силы, возникающие при трогании состава повышенной массы и длины с места и его осаживании, проведении маневровых работ и соударений вагонов, экстренном торможении в поездах, движущихся с малыми скоростями, а также при аварийном рывке (толчке) вагона, движущегося в составе грузового поезда.

Основным требованием данного режима является недопущение появления остаточных деформаций (повреждений) в узле или детали вагона при действии достаточно экстремальных значений нагрузок.

Таблица 2 - Статистическое распределение глобальных растягивающих экстремумов, действующих на грузовой вагон

Величины предельных нагрузок для первого режима при действии [5]:

Сжимающих сил квазистатические силы и силы при ударных процессах (удар) для грузовых вагонов основных типов соответственно составляют 3 и 3,5 МН; для изотермических вагонов, хоппер-дозаторов, вагонов-самосвалов - 2,5 и 3 МН.

Растягивающих сил уровень квазистатической силы и уровень импульсных усилий растяжения (рывок) соответственно для грузовых вагонов принимаются равными 2,5 МН.

Вероятность параметрического отказа для поглощающих аппаратов представлена на рис. 8 (вероятность возникновения нагрузки выше предельной -2,5 МН).

В заключение можно сделать вывод о том, что в большинстве расчетных ситуаций переходных режимов движения поезда и маневровых соударений применение перспективных поглощающих аппаратов ПМКП-110, ПМКЭ-110 и ЭПА-120 приводит к снижению продольных нагрузок на вагоне, особенно это проявляется при маневровых соударениях.

Список литературы

1. Пат. 2128301 РФ МПК6 F 16 F 7/08, В 61 G 9/02. Фрикционный амортизатор / Кеглин Б.Г., Болдырев А.П., Харитонов А.Т., Ступин Д.А., Иванов А.В., Ульянов О.А., Прилепо Т.Н., Сухов А.М., Синельников Я.М. опубл. 27.03.99, Бюл. № 9.

2. Пат. 2198809 РФ, МПК7 В 61 G 1/12, 11/14, F 16 F 7/08, 9/14, 9,16, 11/00. Фрикционный поглощающий аппарат автосцепки / Кеглин Б.Г., Болдырев А.П., Шлюшенков А.П., Прилепо Т.Н., Игнатенко Ю.В., Ступин Д.А. [и др]; опубл. 20.02.03, Бюл. № 5.

3. Пат. 2115578 РФ МПК6 В 61 G 9/08. Поглощающий аппарат автосцепки / Кеглин Б.Г., Болдырев А.П., Шлюшенков А.П., Шалимов П.Ю., Игнатенко Ю.В., Иванов А.В., Ульянов О.А.; опубл. 20.07.98, Бюл. № 20.

4. Кеглин, Б.Г. Исследование методов повышения стабильности работы фрикционных поглощающих аппаратов автосцепки: - дисс. канд. техн. наук Б.Г. Кеглин. - Брянск, 1963. - 214 с.

5. Вагоны / под ред. Л.А.Шадура. - М.: Транспорт, 1973. - 440с.

Размещено на Allbest.ru