Разработка и исследование фрикционного амортизатора удара с упругим распорным узлом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка и исследование фрикционного амортизатора удара с упругим распорным узлом

А.С. Васильев, Б.Г. Кеглин,

А.П. Болдырев, А.П. Шлюшенков

Аннотация

Представлена конструкция нового фрикционного амортизатора удара с упругим распорным узлом. Разработана уточнённая математическая модель. Приведены результаты расчетов характеристик амортизатора удара.

Ключевые слова: автосцепка, фрикционный амортизатор удара, упругий распорный узел, математическая модель.

Большая часть подвижного состава в странах, входивших в СССР, оборудована пружинно-фрикционными поглощающими аппаратами. К их числу относятся аппараты Ш-1-ТМ, которыми оснащены четырехосные грузовые вагоны постройки до 1979 г. Начиная с 1979 г. указанные вагоны оборудуются преимущественно аппаратами Ш-2-В и ПМК-110. Для восьмиосных вагонов, а также восьмиосных тепловозов применяются аппараты аналогичной конструкции типа Ш-2Т, отличающиеся от аппаратов Ш-1-ТМ и Ш-2-В по габаритным размерам. В настоящее время новые грузовые вагоны оборудуются аппаратами ПМКП-110 класса Т1, имеющими более высокие эксплуатационные характеристики. Все эти поглощающие аппараты относятся к фрикционным.

Большая часть (75…90%) воспринимаемой аппаратами данного типа кинетической энергии соударяющихся вагонов преобразуется в тепловую энергию фрикционного взаимодействия деталей фрикционного узла и частично в потенциальную энергию сжатия пружин или полимеров подпорно-возвратного устройства [1].

Основной недостаток фрикционных аппаратов - относительно низкие значения коэффициентов полноты силовой характеристики (0,23 … 0,32) и соответственно энергоёмкости (меньшие значения - для аппаратов с парой трения «сталь-сталь», большие значения - для пары трения «сталь-металлокерамика»). При применении пары трения «сталь-сталь» наблюдается специфический характер изменения продольных сил и склонность к заклиниванию. Другим известным недостатком серийных фрикционных аппаратов является невыгодная для условий работы в поезде силовая характеристика: высокое начальное усилие и значительная зона застоя (анкилозис) приводят к слабой связи силы и хода аппарата, поэтому большую часть времени переходного процесса аппараты практически не работают, а динамические процессы поезда определяются в основном упруго-диссипативными свойствами системы «вагон-груз» [2].

Для решения этих проблем были созданы конструкции аппарата ПМКУ-110 и аппарата типа «Во-Гуд» (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Во фрикционной части этих аппаратов применяются распорные узлы, которые в процессе удара прижимают фрикционные подвижные пластины к стенкам корпуса, создавая необходимое распорное усилие на основных поверхностях трения. В аппарате ПМКУ-110 используется блок с распорными плунжерами, заполненный резиной, а в аппарате типа «Во-Гуд» в качестве распорного узла выступают рессоры. Такой способ создания давления на главных поверхностях трения обусловливает устойчивость работы аппарата типа «Во-Гуд» и аппарата ПМКУ-110 и отсутствие для них скачков силы при ударе. Но из-за существенных недостатков эти аппараты не отвечают современным требованиям, предъявляемым к поглощающим аппаратам. Так, в аппарате типа «Во-Гуд» при существующих размерах автосцепного устройства затруднено размещение рессор необходимой жесткости. Это обусловлено большими углами наклона главных поверхностей трения, которые необходимо задавать при использовании малоэнергоемкого пружинного комплекта. Энергоемкость аппаратов этого типа низка. Кроме того, ввиду использования в этом аппарате стальных пружин не исключены их изломы или усадка в ходе эксплуатации и, как следствие, выход аппарата из строя. Аппарат ПМКУ-110 обладает достаточно сложной и ненадежной конструкцией, а из-за старения резины в распорном блоке с течением времени и под влиянием различного рода эксплуатационных факторов (температуры, солнечной радиации, состава окружающей газовой среды) силовая характеристика аппарата может меняться.

С целью устранения указанных недостатков авторами была разработана конструкция нового перспективного фрикционного поглощающего аппарата автосцепки с упругим распорным узлом (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поглощающий аппарат содержит полый четырехгранный корпус 1, в котором расположены фрикционные подвижные пластины 2, распорный узел, состоящий из цилиндра 3, штока 4 и крышки 5, толкатель 6, опирающийся на комплект полимерных элементов 7, разделенных между собой пластинами 8, массивная оправка 9. Распорный узел выполнен в виде цилиндра 3, внутри которого размещен шток 4. Цилиндр закрывает крышка 5, в которой располагаются уплотнения 10. Рабочие камеры цилиндра А и Б заполнены объёмно-сжимаемой композицией 11.

Фрикционный поглощающий аппарат работает следующим образом. Под действием усилия, передаваемого от автосцепки массивной оправке 9 и фрикционным подвижным пластинам 2 через упорную плиту 12, они перемещаются, приводя в движение толкатель 6 и комплект полимерных элементов 7. Благодаря наклону стенок корпуса 1 - под действием удара - включается в работу распорный узел. При этом объёмно-сжимаемая композиция 11 за счёт уменьшения общего объема камер А и Б сжимается, а также продавливается из камеры А в камеру Б через кольцевой зазор между цилиндром 3 и штоком 4 и через калиброванные отверстия в штоке 4, создавая распорное усилие между фрикционными подвижными пластинами 2 и корпусом 1. За счёт наклона стенок корпуса 1 и фрикционных подвижных пластин 2 при перемещении пластин внутрь корпуса распорный узел дополнительно сжимается. По мере внедрения штока 4 в цилиндр 3 сила прижатия фрикционных подвижных пластин к корпусу увеличивается. После прекращения действия силы удара фрикционные подвижные пластины возвращаются в первоначальное положение толкателем 6. Под действием усилия, передаваемого от автосцепки массивной оправке 9 и фрикционным подвижным пластинам 2, и подпорного усилия со стороны комплекта полимерных элементов 7 создается давление на главных поверхностях трения фрикционного поглощающего аппарата, что при их взаимном перемещении приводит к поглощению энергии удара. Основная часть энергии удара поглощается на главных поверхностях трения - поверхностях прилегания фрикционных подвижных пластин 2 к корпусу 1. Частично энергия поглощается на вспомогательных поверхностях трения - поверхностях соприкосновения упорной плиты 12, воспринимающей удар, и фрикционных подвижных пластин 2 и поверхностях соприкосновения толкателя 6 с фрикционными подвижными пластинами 2. Часть энергии воспринимается подпорным комплектом полимерных элементов.

Применение во фрикционном амортизаторе распорного узла такого типа и упругих полимерных элементов в качестве возвратно-подпорного устройства повышает эффективность и стабильность работы амортизатора. Во-первых, за счет нарастающего с ходом аппарата усилия прижатия фрикционных подвижных пластин к корпусу увеличивается сила трения и существенно снижаются фрикционные автоколебания при скольжении. Во-вторых, благодаря увеличению в 2 - 3 раза величины подпорного усилия удается уменьшить угол наклона главных поверхностей трения, что позволяет разместить между фрикционными подвижными пластинами распорный узел необходимого габарита [5].

На начальном этапе проектирования для определения основных параметров фрикционного поглощающего аппарата с упругим распорным узлом был проведен статический расчет. Для нахождения статической силовой характеристики аппарата использовалась расчётная схема, представленная на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для определения зависимости между силой сжатия амортизатора P и его ходом x рассматривалось равновесное положение фрикционных подвижных пластин при выработанном полном конструктивном ходе аппарата, равном 120 мм. При этом распорный узел выполняет только распорную функцию, усилие сжатия аппарата не передается через него на подпорный комплект. Конструктивно это достигается за счёт зазоров между толкателем 6 и массивной оправкой 9, упорной плитой 12 и массивной оправкой 9. Таким образом, к каждой пластине прикладывается половина силы сжатия поглощающего аппарата P и половина силы сопротивления подпорного комплекта Pп. В таблице приведены силы, действующие на фрикционную подвижную пластину.

Таблица. Силы, действующие на фрикционную подвижную пластину

* f₁, f₂, f₃ - коэффициенты трения на вспомогательных и главных поверхностях трения соответственно.

Уравнения равновесия рассматриваемой системы сил имеют вид

Упругая сила Рп моделируется полиномом 5-й степени, хорошо описывающим экспериментальные характеристики полимерного блока. Распорная сила от распорного узла Рв зависит от внутреннего давления в распорном узле q, которое, в свою очередь, зависит от объёмного сжатия эластомера, заполняющего распорный узел. По результатам исследований, выполненных в ОАО «ВНИИЖТ» [3], зависимость модуля объёмной упругости от давления близка к линейной и с достаточной точностью может быть аппроксимирована функцией вида

где B₀, k - постоянные коэффициенты, определенные на основе данных эксперимента.

Экспериментальная и теоретическая зависимости модуля упругости от давления приведены на рис. 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зависимость между давлением q в распорном узле и объёмной деформацией может быть выражена формулой

(1)

Объёмная деформация определяется выражением

е = ДV/V

где ДV - изменение объёма эластомера внутри распорного узла; V - первоначальный объём рабочей камеры распорного узла. С учётом того, что

где D - внутренний диаметр цилиндра распорного узла, d_шт - диаметр штока распорного узла, l - расстояние от задней стенки распорного узла до поршня в крайнем правом положении, x_шт - ход штока, определенный через ход аппарата, зависимость (1) примет окончательный вид

где ₀ - начальная объёмная деформация эластомера, определяющая силу начальной затяжки распорного узла. На рис. 5 представлен график зависимости давления в распорном узле от хода аппарата. Начальное давление в распорном узле составило 175 МПа, а давление при полном ходе - 281 МПа. При начальной объёмной деформации эластомера 9,5 % объёмная деформация эластомера на полном ходе аппарата достигает 13,2%. При этом в качестве эластомера использована композиция АДК, разработанная ООО «Астрохим» и представляющая собой кремнийорганическое соединение, обладающее высокой объемной сжимаемостью и вязкостью до 3000 Па·с, способное объёмно деформироваться до 20 %.

Окончательно распорная сила Рв определяется как

где S_шт - площадь поперечного сечения штока.

На рис. 6 представлена силовая характеристика распорного узла. Сила начальной затяжки распорного узла составила 0,158 МН, а максимальная сила на полном конструктивном ходе достигла 0,26 МН.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выражение для силы сжатия поглощающего аппарата P на прямом ходе имеет вид

Размещено на http://www.allbest.ru/

На обратном ходе сила сжатия поглощающего аппарата P определяется как

На основании приведенных зависимостей построена статическая силовая характеристика поглощающего аппарата (рис. 7). Статическая энергоёмкость аппарата составила 72 КДж, а коэффициент полноты силовой характеристики - 0,56. Проектные характеристики аппарата соответствуют классу Т2 [4].

В процессе проектирования конструкции были разработаны и реализованы уточненные динамические математические модели аппарата. Рассматривался случай удара вагона в неподвижный недеформируемый упор (рис. 8). При расчете использовалась двухмассовая модель вагона.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система дифференциальных уравнений, описывающая процесс удара, имеет вид

где

.

Здесь m_v - масса вагона; x_v, v_v - перемещение и скорость массы m_v соответственно; m_a - масса автосцепного устройства; x_a, v_a - перемещение и скорость массы m_a; S_c , S_p - площади эффективного сечения камеры сжатия и камеры расширения распорного узла; q_c, q_р - давления в камере сжатия и камере расширения распорного узла соответственно; P_y - упругая cила от комплекта полимерных элементов; F_tr - сила трения фрикционных подвижных пластин; Q_CP -расход эластомера через дроссельные отверстия в поршне и зазор между поршнем и внутренней стенкой цилиндра; r - радиус поршня; a₀ - кольцевой зазор между внутренней стенкой цилиндра и поршнем; - кинематическая вязкость эластомера; - плотность эластомера; l - длина поршня; N₀ - количество дроссельных отверстий; r₀ - радиус дроссельных отверстий; B₀ - модуль упругости эластомера при атмосферном давлении; k - параметр, зависящий от типа эластомера; V_c0, V_p0- начальные объемы камеры сжатия и камеры расширения распорного узла; с_v - продольная жесткость вагона; _v - вязкость вагона; с_v - продольная жесткость корпуса аппарата; f₀ - коэффициент трения в конце удара; b - постоянный коэффициент; x₀ - начальная затяжка комплекта полимерных элементов; x_max - конструктивный ход аппарата; г - угол наклона стенок корпуса аппарата; у₀(z) - функция Хевисайда; м_р, с_р, в₁, в₂ - коэффициенты, определяющие динамическую характеристику полимерных блоков; м_р - коэффициент вязкого сопротивления полимера; з_ст - коэффициент необратимого поглощения энергии полимера при квазистатическом сжатии.

Рассмотренная система дифференциальных уравнений решалась при следующих начальных условиях: x_v = x_a = 0; v_v = v_a = v₀; q_c= q_p= q₀. Здесь q₀ - начальное давление в камерах распорного узла, v₀ - начальная скорость массы m_a .Численное интегрирование системы дифференциальных уравнений проводилось для различных начальных условий, в результате было установлено их влияние на силовую характеристику.

На рис. 9 показаны расчетные силовые характеристики серийного аппарата ПМКП -110 и проектируемого.

Размещено на http://www.allbest.ru/

По результатам расчетов были определены значения основных показателей работы фрикционного поглощающего аппарата с упругим распорным узлом:

- номинальная энергоемкость Е_N = 108 кДж;

- максимальная энергоемкость Е_max = 145 кДж;

- коэффициенты полноты силовых характеристик П = 0,75…0,83.

фрикционный амортизатор подвижной распорный

Выводы

1) разработана эффективная конструкция фрикционного поглощающего аппарата с упругим распорным узлом;

2) новый амортизатор по сравнению с серийными фрикционными аппаратами обладает большей энергоёмкостью и полнотой силовой характеристики и соответствует классу Т2;

3) для решения вопроса о серийном выпуске требуются дальнейшие исследования, включающие изготовление опытных образцов и проведение экспериментов.

Список литературы

1. Манашкин, Л.А. Гасители колебаний и амортизаторы ударов рельсовых экипажей (математические модели): монография / Л.А. Манашкин, С.В. Мямлин, В.И.Приходько. - Днепропетровск: АРТ-Пресс, 2007. -196 с.

2. Болдырев, А.П. Расчет и проектирование амортизаторов удара подвижного состава / А.П. Болдырев, Б.Г. Кеглин. - М.: Машиностроение -1, 2004. 199 с.

3. Феоктистов, И. Б. Упругие характеристики эластомерного материала для поглощающих аппаратов автосцепного устройства / И.Б. Феоктистов, А.Н. Степанов // Вестн. ВНИИЖТ. - 2003. - №5. - С. 1-2.

4. ОСТ 32.175-2001. Аппараты поглощающие автосцепного устройства грузовых вагонов и локомотивов. Общие технические требования.

5. Заявка 2011150872 РФ. Фрикционно-полимерный поглощающий аппарат автосцепки / Васильев А.С.

Размещено на Allbest.ru