Оценка влияния температуры на характеристики поглощающего аппарата ПМКП-110

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка влияния температуры на характеристики поглощающего аппарата ПМКП-110

Современные условия эксплуатации подвижного состава характеризуются интенсификацией сортировочных и маневровых операций из-за увеличения скоростей соударений вагонов, повышением их грузоподъемности. Это ведет к росту продольной нагруженности и повреждаемости железнодорожных транспортных средств. Актуальными являются исследования, направленные на совершенствование устройств, защищающих вагоны от продольных воздействий, в частности амортизаторов удара (поглощающих аппаратов).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Важной характеристикой поглощающего аппарата является стабильность его работы, на которую прежде всего влияют климатические факторы. Регламентированный диапазон рабочих температур обеспечивает возможность эксплуатации аппаратов во всех климатических зонах России и ближнего зарубежья. Так, аппараты должны сохранять работоспособность и энергоемкость не менее 50 кДж при температуре 60 С; при температурах от - 40 до + 50 С изменение номинальной энергоемкости не должно превышать 30 % от величины этого показателя, определенной при температуре 18 5 С [1].

Аппарат ПМКП-110, разработанный ООО «НПП Дипром» [2], предназначен для установки на универсальных вагонах широкого назначения, по существующим нормативам он должен соответствовать классу Т1. От аппарата типа ПМК новый аппарат отличается прежде всего тем, что в нем вместо пружинного упругого подпора используются полимерные упругие блоки (рис. 1).

Использование полимерного упругого блока повышает полноту и энергоемкость силовых характеристик амортизатора. При увеличении жесткости подпорного комплекта уменьшаются управляющие углы клиновой системы и соответственно стабилизируется трение на вспомогательных поверхностях; демпфирующие свойства полимеров значительно снижают фрикционные автоколебания, сопровождающие ударное сжатие.

Обширный объем испытаний позволил выбрать геометрические параметры аппарата ПМКП-110, обеспечивающие выполнение нормативов класса Т1 и соответственно наиболее эффективную работу как при маневровых операциях, так и при переходных режимах движения поезда. Повышенная энергоемкость упругого полимерного подпора (более 20 кДж вместо 12 кДж при применении пружинного комплекта) позволила существенно снизить величину управляющего угла (до 38°), что благоприятно сказалось на стабильности работы аппарата: повысилась полнота его силовой характеристики и уменьшился скачкообразный характер изменения силы.

Предварительные оценки показывают, что применение аппаратов ПМКП-110 позволит существенно (в 2-3 раза) снизить объем ремонтных затрат на вагоны, а вероятность возникновения аварийных ситуаций - в 3-5 раз. От зарубежных аналогов аппарат ПМКП-110 отличается более высокой энергоемкостью при меньшей стоимости.

На основании результатов экспериментов, когда статически нагружались блоки из полимерного материала Durel (используемого в качестве подпора в аппарате ПМКП-110) при температурах +40, +15, -5, -32, -45, -52 и -61 С, аппроксимацией были получены характеристики элементов подпора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Затем была разработана динамическая модель подпора аппарата. Для этого использовались результаты испытаний подпорного блока на ударном стенде. Ветвь нагружения динамической характеристики подпора аппарата аппроксимировалась функцией

F(x) = Fстат (x) [1 + b(x - a)c], (1)

где Fстат (x) - статическая характеристика подпора; a - начальная затяжка; b, c - параметры модели.

Параметры b, c идентифицировались по экспериментальным данным. Их значения составили: b = 21, c = 1,2. Результаты экспериментов и моделирования представлены на рис. 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Характеристики поглощающего аппарата при различных температурах были получены для удара вагона в жесткий упор. Применялась двухмассовая модель вагона (рис. 3). Математическая модель аппарата была основана на зависимостях для фрикционных аппаратов [3] и описании силы подпорного блока (1). Дифференциальные уравнения динамического процесса соударения описываются системой

где cp - динамическая жесткость вагона; вp - динамическая вязкость вагона; m1 - масса поглощающего аппарата; m2 - масса вагона; x1 - перемещение поглощающего аппарата; x2 - перемещение вагона; P(x,v) - силовая характеристика аппарата.

Силовая характеристика поглощающего аппарата представлена зависимостью

,

где шj - коэффициенты передачи; c - жесткость корпуса аппарата; i1 - коэффициент передачи при отсутствии трения; xmax - максимально возможный ход аппарата; xmax2 - максимальный ход аппарата, достигнутый в данной ситуации; F(x,v) - динамическая характеристика подпорной части аппарата.

Коэффициенты передачи вычислялись по формулам

,

,

,

,

где б, в, г, И - характерные углы аппарата; с1 - угол трения на основных поверхностях; с2, с3 - углы трения на вспомогательных поверхностях; f1, f4 - коэффициенты трения на главных поверхностях; f2, f3 - коэффициенты трения на вспомогательных поверхностях; b - коэффициент, учитывающий зависимость коэффициента трения от скорости скольжения.

Были приняты следующие значения углов и коэффициентов:

б = 38; в = 15; г = 3; И = 90; f1 = 0,16; f2 = 0,16; f4 = 0,4; f5 = 0,4; b = 0,1;

с1 = arctg(f1) = 0,38051 рад, с2 = arctg(f2) = 0,12928 рад, с3 = arctg(f3) = 0,12928 рад.

M1 = 2000 кг, M2 = 42000 кг, C = 5·108 Н·м.

Максимальный ход аппарата (после достижения данного хода в работу включается его корпус) xmax = 110 мм.

По данным экспериментов были идентифицированы параметры модели (коэффициенты трения на основных и вспомогательных поверхностях). Экспериментальная и расчетная силовые характеристики аппарата представлены на рис. 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Математическая модель дает достаточно хорошее приближение к результатам экспериментов: расхождение по максимальным силам не превысило 5 %.

Для оценки влияния характеристик аппарата на нагруженность вагона необходимо было смоделировать условия его эксплуатации.

В работе [4] представлено распределение вероятностей попадания вагона в определенные температурные условия. Распределения скоростей соударений и масс вагонов были взяты из работы [5].

Массы всех грузовых вагонов распределяются следующим образом:

Скорости соударений при маневровых операциях распределяются следующим образом:

В табл. 1 представлено статистическое распределение температурных режимов работы вагонов.

Таблица 1

Статистическое распределение температурных режимов

Нагруженность вагона оценивалась критерием, характеризующим его повреждаемость, - параметрическим отказом, т.е. возникновением силы, превышающей 3 МН.

Сначала рассчитывался критерий для всех возможных ситуаций. Затем критерий повреждаемости вагона вычислялся без учета температур ниже -55 C (использовались спектры из табл. 1).

Расчеты проводились для всех сочетаний масс вагонов, скоростей соударения и температур.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 5 приведены результаты моделирования удара в упор при различных температурах для скорости соударения 6 км/ч и массы вагона 75 754 кг.

Анализируя результаты моделирования (рис. 5), можно сделать вывод о том, что самые большие силы возникают при температурах +40, +15, -61 C. Это можно объяснить следующим образом: при высоких температурах аппарат становится мягче, следовательно, начинает закрываться (в работу вступает корпус аппарата) при меньших скоростях, что приводит к росту силы; при очень низких температурах сам полимер становится более жестким, что также приводит к росту силы на аппарате. Можно сделать вывод, что высокие температуры так же неблагоприятны для поглощающего аппарата ПМКП-110, как и очень низкие.

Вероятность параметрического отказа при учете всех температур составляет 0,00016215, а без учета температур ниже -55 C - 0,00016183.

Очевидно, что работа вагона при температуре -61 C увеличивает вероятность параметрического отказа незначительно - всего на 0,2 %. Это означает, что есть возможность использования более дешёвого материала, чем Durel, с более высокой температурой стеклования.

Согласно [1] номинальная (достигаемая при силе на аппарате 2 МН) и максимальная (достигаемая при силе на аппарате 3 МН) энергоемкости аппарата определяются при соударении двух вагонов массами 100 т. При этом один вагон должен быть оборудован тестируемым поглощающим аппаратом, а второй - ПМК-110К-23.

Рис. 6. Пятимассовая модель соударения вагонов

Были проведены расчеты номинальной и максимальной энергоемкостей аппарата ПМКП-110 при различных температурах. Для моделирования удара вагона в вагон использовалась пятимассовая модель (рис. 6).

Значения энергоемкости, полученные при моделировании для различных температур, представлены в табл. 2.

температура поглощающий аппарат

Таблица 2

Энергоемкость аппарата ПМКП-110

Из табл. 2 видно, что с уменьшением температуры энергоемкость понижается.

На основании проведенных расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Показатели аппарата ПМКП-110 соответствуют нормам ОСТа.

2. Низкие и высокие температуры ухудшают работу аппарата.

3. Температуры ниже -55 C приводят к незначительному увеличению вероятности параметрического отказа (с учетом вероятности возникновения температур ниже -55 C).

Список литературы

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

2. Кеглин, Б.Г., Повышение эффективности комбинированных фрикционных поглощающих аппаратов на базе ПМК-110А. / Б.Г. Кеглин, А.П. Болдырев, А.В. Иванов, Д.А. Ступин //Проблемы механики железнодорожного транспорта: динамика, прочность и безопасность движения подвижного состава: XI междунар. конф.: тез. докл. - Днепропетровск: ДИИТ, 2004.

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

4. Никольский, Л.Н. Расчет вероятности отказов элементов вагонной конструкции при низких температурах / Л.Н. Никольский, Н.А. Костенко, И.Т. Жариков //Труды БИТМ, 1971. - вып. ХХIV. - С. 5-15.

5. Фетисов, О.В. К уточнению спектра ударных нагрузок, воспринимаемых вагоном на сортировочных горках / О.В. Фетисов, Л.А. Шахнюк //Труды БИТМ: Приокское кн. изд-во. - 1971. - вып. XXIV. - С. 83-91.

Размещено на Allbest.ru