Анализ динамических качеств экипажей скоростного электровоза на двух- и трехосных тележках с опорно-рамным тяговым приводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.4.014.22

Анализ динамических качеств экипажей скоростного электровоза на двух- и трехосных тележках с опорно-рамным тяговым приводом

Г.С. Михальченко

А.В. Антохин

Аннотация

Проанализированы возможные конструктивные способы улучшения динамических качеств скоростного локомотива с экипажем на трех двухосных тележках с опорно-рамным тяговым приводом.

Ключевые слова: скоростной электровоз, тяговый привод, компьютерное моделирование, динамические качества.

Сегодня создание электровоза с конструкционной скоростью 200 км/ч является одной из важнейших задач локомотивостроения России. Увеличение скорости движения поездов на основных пассажиронапряженных линиях европейской части страны позволит повысить пропускную способность железных дорог и сократить время пребывания в пути.

Увеличить скорость движения поезда можно, используя электровозы двухсистемного питания (сокращается время простоя на узловой станции при замене локомотива на другой с необходимой системой питания) с асинхронными тяговыми двигателями (позволяют реализовывать осевую мощность до 1200 кВт) и более современную экипажную часть. Для уменьшения динамического воздействия скоростного локомотива на путь целесообразно снизить осевую нагрузку до 200 кН. Исходя из этого, наиболее предпочтительным является использование шестиосного экипажа (массой 120 т). В нашей стране реализованы два варианта шестиосного экипажа: на двухосных (Новочеркасский электровозостроительный завод) и трехосных (Коломенский завод) тележках.

В электровозах Новочеркасского электровозостроительного завода применен привод с опорно-рамным подвешиванием тягового электродвигателя и опорно-осевым редуктором (электровоз ЭП10) - привод второго класса, по классификации проф. И.В. Бирюкова [1]. Коломенский завод использует привод с опорно-рамным подвешиванием тягового электродвигателя и редуктора (тепловоз ТЭП70) - привод третьего класса. Таким образом, возникает вопрос: какой из указанных типов привода и экипажа может обеспечить наилучшие динамические качества при высоких скоростях движения? Получить ответ на него можно, используя методы компьютерного моделирования.

Компьютерное моделирование динамики движения электровоза выполнено с помощью известного программного комплекса «Универсальный механизм» (UM) [2; 3]. Модуль UM Loco программного комплекса UM позволяет автоматизировать процесс синтеза математической модели пространственных колебаний рельсовых экипажей и моделировать их движение в прямых и кривых участках пути при наличии случайных, периодических или единичных вертикальных и горизонтальных неровностей.

Проведенные исследования включали два этапа:

· определение наименее динамически нагруженной конструкции тягового привода (из двух рассматриваемых) для скоростного локомотива;

· определение способов улучшения динамических характеристик экипажа на трех двухосных тележках (на основе двухосных тележек конструкции Новочеркасского электровозостроительного завода).

На первом этапе были созданы четыре компьютерные модели локомотива с экипажем:

· на трех двухосных тележках с приводом второго класса (20-20-20 (II кл));

· трех двухосных тележках с приводом третьего класса (20-20-20 (III кл));

· двух трехосных тележках с приводом второго класса (30-30 (II кл));

· двух трехосных тележках с приводом третьего класса (30-30 (III кл)).

На первом этапе исследований необходимо было установить наименее динамически нагруженную конструкцию тягового привода при условии возможного использования на локомотивах с разной осевой формулой. В качестве прототипа моделей на двухосных тележках был выбран электровоз ЭП10. Но так как для скоростного электровоза желательно уменьшать осевую нагрузку, то в моделях она составила 20 кН (а не 22,5 кН, как в ЭП10). Кроме того, соразмерно были изменены жесткостные и диссипативные параметры модели. Модели на трехосных тележках были созданы на основе опыта проектирования пассажирских тепловозов на Коломенском заводе и эскизных разработок ВЭлНИИ.

Движение моделей рассматривалось в прямых участках пути при скоростях в интервале от 10 до 60 м/с (от 36 до 216 км/ч) с учетом случайных вертикальных и горизонтальных неровностей рельсовых нитей, параметры которых (по рекомендации ВНИИЖТ) соответствовали пути хорошего содержания. Полученные результаты расчетов последовательно рассматривались в рамках типа экипажа для определения наиболее удачной конструкции тягового привода.

Сравнение динамики моделей электровоза на двухосных тележках с приводами второго и третьего классов при скоростях движения свыше 140 км/ч показало, что экипаж с приводом третьего класса имеет значительные преимущества, особенно по динамической нагруженности зубчатых колес тягового редуктора [4]. Сравнивая шестиосные экипажи на трехосных тележках с приводами второго и третьего классов, можно заключить, что экипаж с приводом третьего класса, имеющий незначительное преимущество по традиционным динамическим показателям и существенное по динамической нагруженности зубчатых колес тягового редуктора [5], является более предпочтительным для скоростного электровоза. Кроме того, обработка результатов исследований созданных моделей с исходными упругодиссипативными параметрами выявила, что экипажи на двухосных тележках показывают хорошие результаты при скоростях до 50 м/с (180 км/ч). При более высоких скоростях наблюдается значительный рост боковых и рамных сил, особенно на средней тележке. Мировой опыт скоростного локомотивостроения показывает, что чаще всего для таких локомотивов используются экипажи на двухосных тележках. Из этого следует, что исходные упругодиссипативные параметры моделей на двухосных тележках не являются оптимальными и нуждаются в уточнении; возможно также применение других конструктивных способов улучшения динамических характеристик моделей.

На втором этапе исследований был выполнен поиск способов улучшения динамики модели с экипажем на двухосных тележках с приводом третьего класса (рис. 1).

Рис. 1. Общий вид анимационной модели электровоза с приводом третьего класса и экипажем на двухосных тележках: 1 - кузов локомотива; 2 - наклонная тяга; 3, 4, 5 - тележки

В качестве возможных конструктивных изменений было предложено применение продольных тяг между кузовом и рамой средней тележки (рис. 2) [6] и использование гасителей колебаний поперечного относа средней тележки.

Рис. 2. Схема установки тяг между рамой средней тележки и кузовом

Влияние предложенных конструктивных изменений на динамические качества рассматриваемого экипажа можно оценить по результатам, приведенным на рис. 3 - 5. Каждый рисунок содержит ряд графиков. На рис. 3а, 4а, 5а приведены значения соответствующих показателей для исходной модели; на рис. 3б, 4б, 5б - для исходной модели с установкой тяг на среднюю тележку (техническое решение, предложенное В.А. Симоновым), гасители виляния и поперечных колебаний на ней отсутствуют; на рис. 3в, 4в, 5в - для исходной модели с гасителями поперечных колебаний на средней тележке. 1 …6 - порядковые номера колесных пар.

Оба предложенных варианта изменения конструкции в основном положительно влияют на динамические показатели локомотива. Степень их влияния в процентном отношении к исходной модели представлена в таблице.

Таблица. Влияние конструктивных изменений на динамические показатели экипажа, %

Как видно из таблицы, любой из предложенных вариантов уменьшает величины боковых и рамных сил. Если судить по графикам, то величины боковых и рамных сил уменьшаются до приемлемых значений во всем рассматриваемом скоростном диапазоне. Предложенные изменения влияют и на коэффициенты динамики: установка продольных тяг приводит к уменьшению максимальных значений коэффициента динамики как в первой, так и во второй ступени рессорного подвешивания; применение гасителей поперечных колебаний практически не влияет на коэффициент динамики первой ступени и незначительно увеличивает коэффициент динамики второй ступени, однако в этом случае их значения меньше нормативных. Ускорения кузова при использовании продольных тяг на скоростях движения до 50 м/с (180 км/ч) уменьшаются, с повышением скорости возрастают поперечные ускорения. Применение предложенных гасителей на средней тележке не дает однозначно положительного эффекта по ускорениям, но даже худшие значения полностью удовлетворяют нормам. Тяги также уменьшают усилия в зубчатых зацеплениях тяговых редукторов.

В целом хорошие результаты показали оба варианта модернизации. При применении любого из них экипажи имеют динамические показатели, удовлетворяющие нормативным требованиям. Если сравнивать эти варианты, то очевидно, что тяги обеспечивают лучшие результаты и при этом явно дешевле гасителей.

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что эксплуатация электровоза с экипажем на трех двухосных тележках с приводом третьего класса и предложенными вариантами модернизации допустима при скоростях до 200 км/ч.

привод зубчатый редуктор двухосный

Список литературы

1. Бирюков, И.В. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог / И.В. Бирюков, А.И. Беляев, Е.К. Рыбников. - М.: Транспорт, 1986. - 256 с.

2. Погорелов, Д.Ю. Компьютерное моделирование динамики технических систем с использованием программного комплекса «Универсальный механизм»/ Д.Ю. Погорелов // Вестник компьютерных и информационных технологий. -2005. - №4.

3. Ковалев, Р.В. Введение в моделирование динамики механических систем / Р.В. Ковалев, Д.В. Даниленко // САПР и графика. - 2008. - № 4. - С. 26 - 31.

4. Михальченко, Г.С. Оценка динамических качеств скоростного электровоза с различной конструкцией тягового привода/ Г.С. Михальченко, А.В. Антохин// Вестн. БГТУ. - 2009. - №2. - C. 42 - 48.

5. Антохин, А.В. Компьютерное моделирование динамики скоростного локомотива / А.В. Антохин // Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях: тез. Междунар. науч.-техн. конф. 2009.

6. Коссов, В.С. Исследование способов улучшения ходовой динамики электровозов типа ЭП10 / В.С. Коссов, Г.С. Михальченко, Д.Ю. Погорелов, В.А. Симонов// Вестн. ВЭлНИИ. - Новочеркасск, 2004. - № 1. С. 74 - 86.

Материал поступил в редколлегию 15.04.10.

Размещено на Allbest.ru