Оценка эффективности работы фрикционных металлокерамических элементов поглощающих аппаратов при различных условиях эксплуатации

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Длительный срок эксплуатации (срок службы большинства аппаратов составляет 24-32 года), а также особенности работы некоторых типов поглощающих аппаратов приводят к необходимости учета фактора износа. Наиболее подверженными влиянию данного фактора являются фрикционные и комбинированные (гидрофрикционные, полимерно-фрикционные) поглощающие аппараты автосцепки, эффективность работы которых напрямую зависит от фрикционной составляющей.

Влияние износа на работу подобных амортизаторов удара может проявляться в следующем:

1. Изменение свойств фрикционной части (изменение коэффициента трения).

2. Падение начальной затяжки, связанное с уменьшением размеров деталей из-за износа.

3. Изменение углов клиновой системы вследствие неравномерного износа.

4. Выход из строя амортизатора удара при сверхнормативном износе.

В данном статье приведены результаты исследования фрикционно-полимерного поглощающего аппарата ПМКП-110, при этом расчетные модели и методики могут быть применены и для других подобных аппаратов.

Рис. 1. Пары трения поглощающего аппарата ПМКП-110

Поглощающий аппарат ПМКП-110 содержит10 пар трения (рис. 1), причем основными и наиболее изнашиваемыми являются пары трения, обеспечивающие поглощение энергии на рабочем ходе аппарата (поз. 1-3). Основные пары трения с металлокерамическими элементами (поз. 1,2) обладают повышенной стабильностью свойств при износе, что позволяет не учитывать изменение свойств материалов, в частности изменение коэффициента трения. Обследование деталей пар трения поглощающего аппарата ПМКП-110 в процессе ресурсных испытаний, а также опыт эксплуатации показывают, что износ является линейным и не приводит к изменению геометрических параметров клиновой системы.

Рис. 2

Для учета фактора износа необходимо было получить математическую модель зависимости износа от времени и внедрить её в математическую модель поглощающего аппарата. Таким образом, можно количественно оценить влияние износа на падение начальной затяжки поглощающего аппарата и, следовательно, на эффективность работы амортизатора.

Износ поверхностей 1,2,3 значительно превышает износ остальных деталей, и можно утверждать, что начальная затяжка зависит только от износа этих пар трения.

Зависимость изменения начальной затяжки от износа деталей пар трения 1, 2, 3 имеет вид:

Дx = 3,73Дy, (1)

где коэффициент 3,73 получен из геометрии клиновой системы аппарата; Дy- суммарный износ пар трения 1,2,3 (рис. 1).

Для оценки интенсивности износа различных металлокерамических материалов проводились экспериментальные исследования на стенде-горке БГТУ-БСЗ по следующей методике. Металлокерамические элементы приваривались к неподвижным пластинам поглощающего аппарата ПМКП-110 или ПМКЭ-110. Перед сборкой аппарата измерялась толщина пластин (места замера приведены на рис. 2).

Аппарат устанавливался в автосцепное устройство неподвижного упора стенда-горки. Набегающей тележкой массой 44000 кг наносились удары с различной скоростью, обеспечивающей максимальную приработку металлокерамических элементов по всей поверхности. После испытаний неподвижные пластины измеряли, определяя средний линейный износ по двум пластинам, и исследовали поверхность металлокерамических элементов.

В табл. 1 приведены результаты испытаний износостойкости металлокерамических элементов марки К-23 (применяется на поглощающем аппарате ПМКП-110).Также построена точечная диаграмма зависимости суммарного износа от введенной энергии (рис. 3).

износ трение фрикционный металлокерамический

Таблица 1. Сравнительная оценка металлокерамических элементов марки К-23

Рис. 3

Учитывая, что в среднем за год эксплуатации аппарат воспринимает энергию 28 МДж [1] (износ в основном происходит при маневровых операциях, когда аппарат работает на максимальный ход), можно построить зависимость износа от времени эксплуатации (рис. 3).

Таким образом, аппроксимируя экспериментальные данные, получаем зависимость износа металлокерамического элемента от времени эксплуатации:

Дy = 0,145Tэ + 0,36 (мм),

где Tэ - время эксплуатации поглощающего аппарата, год.

Подставляя данную зависимость в формулу (1), получаем зависимость изменения начальной затяжки от времени эксплуатации:

Дx = 0,541Tэ + 1,35 (мм). (2)

Зависимость (2) внедрялась в классическую математическую модель поглощающего аппарата ПМКП-110 как изменение начальной затяжки х0в зависимости от времени эксплуатации. Модель прошла проверку адекватности по F-критерию (дисперсия адекватности меньше средней дисперсии воспроизводимости(25,64 МН2< 105,78 МН2))[2].

Дальнейшим этапом исследования было получение качественных и количественных оценок влияния фактора износа металлокерамических элементов на работу поглощающих аппаратов автосцепки при маневровых операциях на сортировочных горках.

На рис. 4-7 представлены силовые характеристики поглощающего аппарата ПМКП-110 и зависимости силы на вагоне от времени для различных сроков эксплуатации вагона.

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

По полученным данным можно сделать вывод, что срок эксплуатации незначительно влияет на характеристики поглощающего аппарата. Это объясняется стабильностью свойств металлокерамических элементов при износе. Однако при неблагоприятном сочетании эксплуатационных факторов (большая скорость и масса) сила на аппарате в первый год эксплуатации не превышает 2,5МН, а сила на изношенном аппарате (16 лет эксплуатации) превышает 3 МН (рис. 5).

На следующем этапе были исследованы поездные режимы.

Рис. 7

При переходных режимах движения поезда вагоны испытывают значительные продольные нагрузки, уровень которых зависит от эффективности работы поглощающих аппаратов. Наиболее нагруженные режимы - трогание, экстренное торможение и полное служебное торможение поезда. Далее рассмотрено исследование влияния фактора износа на различные поездные режимы.

Расчетная схема поезда состоит из n вагонов, соединенных между собой межвагонными связями с приведенными массами. Число степеней свободы системы составляет 2(n+1).

Дифференциальные уравнения, реализующие поездные режимы:

где сp - динамическая жесткость вагона; вp- динамическая вязкость вагона; m1 - приведенная масса поглощающего аппарата и части хребтовой балки; m2 - масса вагона; x1 - перемещение поглощающего аппарата; x2 - перемещение вагона; - силовая характеристика аппарата.

Параметры, используемые в расчетных схемах математических моделей вагона и локомотива, приведены в табл.2.

Таблица 2. Значения параметров математической модели поезда

Вначале рассматривались поезда массой 3700 т (короткие) и 5500 т (средние).

На рис. 8 представлено распределение максимальных растягивающих сил по составу при пуске поезда, все вагоны которого оборудованы аппаратами ПМКП-110, для различных сроков эксплуатации.

Рис. 8

Характерные результаты расчетов режима полного служебного торможения для однородных поездов при различных эксплуатационных факторах приведены на рис. 9.

Рис. 9

Расчеты проводились для наиболее вероятной по статистическим данным скорости движения к началу торможения - 22,5 км/ч, а также для скорости 60 км/ч. При этом поезд считался растянутым, что является неблагоприятным режимом с точки зрения продольной нагруженности.

Результаты расчетов переходных режимов движения коротких и средних поездов сведены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты расчетов переходных режимов движения для коротких и средних поездов

Для наиболее вероятных сочетаний эксплуатационных факторов различия результатов в расчетах по традиционным и уточненным математическим моделям незначительны (менее 2%). В случае сочетания неблагоприятных факторов эти различия существенны (до 29%).

Наибольшие продольные усилия при переходных режимах движения, как правило, возникают в тяжеловесных и длинносоставных поездах. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что продольные усилия в таких поездах могут при неблагоприятных условиях превышать 3 МН [3], что может привести к значительным повреждениям подвижного состава и перевозимых грузов.

Расчеты продольных усилий в длинносоставных поездах особенно актуальны в связи с возрастающим количеством тяжеловесных составов и оборудованием их новыми поглощающими аппаратами.

Рассматривались режимы пуска в ход, полного служебного и экстренного торможения для однородных тяжеловесных составов массой 10000 т (116 вагонов).

На рис. 10 представлены распределения максимальных растягивающих усилий по длине состава при пуске однородного поезда для различных сроков эксплуатации.

Рис. 10

На рис. 11, 12 представлены результаты расчетов режимов полного служебного и экстренного торможения длинносоставного поезда для различных сроков эксплуатации.

Рис. 11

Рис. 12

Результаты расчетов сведены в табл.4.

Таблица 4. Результаты расчетов переходных режимов движения для длинносоставных поездов

Из полученных результатов видно, что при увеличении срока эксплуатации наблюдается увеличение уровня сил. Особенно значительны отличия при экстренном торможении коротких и средних поездов (повышение сил при значительном износе до 29%).

Рассмотренные исследования дают дискретную оценку влияния фактора износа металлокерамических элементов на работу поглощающих аппаратов.

Следующим закономерным этапом являлся расчет статистического распределения продольных нагрузок, действующих на вагон, и критериев эффективности, дающих интегральную оценку влияния фактора износа на работу фрикционно-полимерных поглощающих аппаратов.

Данная задача рассматривалась в работах [4;5], но влияние износа металлокерамических элементов не учитывалось.

В качестве основной расчетной ситуации было принято соударение одиночных вагонов. При расчете статистического распределения продольных сил, действующих на вагон, использованы распределения скоростей, масс и температур [6;7]. Попадание поглощающего аппарата с конкретным сроком эксплуатации считалось равновероятным для всего срока эксплуатации.

Статистическое распределение масс грузовых вагонов выглядит следующим образом:

Таблица 5

Статистическое распределение скоростей соударения вагонов:

Таблица 6

В ходе математического моделирования регистрировались экстремумы сжимающих сил. Так как события (различные массы, скорости соударения и сроки эксплуатации поглощающего аппарата) независимы, то вероятность возникновения данной ситуации является произведением вероятностей p=p1·p2·…·pi. Для построения спектра силы от 0 до 4,0 МН разбивались на интервалы в 0,8 МН.

В результате расчета каждой ситуации фиксировались глобальные экстремумы сжимающих сил, возникающих при ударе вагона, оборудованного поглощающим аппаратом ПМКП-110. Полученные статистические распределения экстремумов сил приведены в табл. 5 и на рис. 13.

Таблица 7. Статистическое распределение экстремумов сил сжатия при маневровых операциях

Рис. 13

Анализ полученных данных показывает незначительные отклонения от ранее полученного статистического распределения (без учета фактора износа). Это объясняется тем, что учет срока эксплуатации оказывает двоякий эффект: при значительном сроке эксплуатации (свыше 16 лет) вследствие износа нагрузки в большинстве расчетных ситуаций снижаются, а при сочетании неблагоприятных факторов повышаются.

Для сравнения работы и оценки влияния параметров современных амортизаторов удара на нагруженность вагонов полученные результаты расчета статистического распределения использовались для расчета критериев эффективности [8]: Jоб(обобщенный критерий эффективности амортизатора удара грузового вагона), Jуст(критерий оценки усталостных повреждений), Jпв(критерий оценки условной повреждаемости вагона от единичных перегрузок).

В табл. 8. представлены значения критериев эффективности, рассчитанные по статистическому распределению максимальных сжимающих сил при маневрах с учетом и без учета эксплуатационного фактора. Расчеты проведены для грузового вагона, оборудованного поглощающим аппаратом ПМКП-110.

Таблица 8. Сравнение критериев эффективности, рассчитанных с учетом и без учета эксплуатационных факторов

Данные расчетов показали, что учет фактора износа приводит к повышению значений критериев эффективности (для Jоб повышение составляет 36,3%).

Список литературы

1. Фатьков, Э.А. Оценка энергетической нагруженности поглощающих аппаратов автосцепки / Э.А. Фатьков // Вестн. БГТУ. - 2007. - №4.- С.16-20.

2. Жиров, П.Д. Оценка влияния эксплуатационных факторов на эффективность работы поглощающих аппаратов автосцепки : дис.…канд.техн.наук/ П.Д. Жиров. - Брянск, 2012.-131с.

3. Кеглин, Б.Г. Параметрическая надежность фрикционных устройств/ Б.Г. Кеглин. - М.: Машиностроение, 1981. - 136 с.

4. Гуров, А.М. Оценка влияния параметров современных амортизаторов удара на продольную динамику поезда: дис.… канд.техн.наук / А.М. Гуров. - Орел, 2007. - 131с.

5. Гореленков, А.И. Разработка метода оценки нагруженности грузового вагона продольными силами в реальных условиях его эксплуатации: автореф. дис.… канд. техн. наук / А.И. Гореленков.- Брянск, 1996. - 21 с.

6. Болдырев, А.П. Научные основы совершенствования поглощающих аппаратов автосцепки: дис…. д-ра техн. наук/ А.П. Болдырев. - Брянск, 2006.- 360 с.

7. Транспорт в России. 2009: сб. ст./Росстат.-М., 2009.-Т.65.-198с.

8. Никольский, Л.Н. Метод определения оптимальных параметров амортизаторов удара/ Л.Н. Никольский// Вестник машиностроения. - 1967. - №11.- С. 38 - 42.

Размещено на Allbest.ru