Поліпшення динамічних показників пасажирського тепловоза шляхом вибору раціональних характеристик силових зв'язків в екіпажі

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

УДК 629.4:531.46

Поліпшення динамічних показників пасажирського тепловоза шляхом вибору раціональних характеристик силових зв'язків в екіпажі

спеціальність 05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Нестеренко Володимир Іванович

Луганськ, 2007

Дисертація є рукописом.

Роботу виконано на кафедрі „Залізничний транспорт” в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля, Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться 14.06.2007р. о 10 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д29.051.03 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, перший навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

Автореферат розісланий 14.05.2007р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради проф. Осенін Ю.І.

АНОТАЦІЯ

Нестеренко В.І. Поліпшення динамічних показників пасажирського тепловоза шляхом вибору раціональних характеристик силових зв'язків в екіпажі. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю05.22.07 Рухомий склад залізниць та тяга поїздів Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ,2007.

Робота присвячена питанням вибору параметрів та характеристик силових зв'язків рами візка з кузовом та колісними парами. Розроблена математична модель та програмно-алгоритмічний комплекс задля визначення характеристик силових зв'язків на стадії проектування з умовою стійкого руху локомотива. Запропоновані аналітичні залежності задля теоретичного визначення характеристик силових поперечних зв'язків буксової та кузовної ступенів та проведені теоретичні і експериментальні дослідження динамічних якостей тепловоза ТЄП150 з розробленими силовими зв'язками рам візків з буксами та кузовом локомотива.

Ключові слова: демпфер, силові зв'язки, кут набігання, динаміка.

THE ANNOTATION

Nesterenko V.I. The improvement of passenger diesel locomotive dynamic factors by means of rational characteristics selection of power connections in a carriage. Dissertation on a scientific degree of the candidate of technical sciences on a speciality 05.22.07 - Rail rolling stock and train traction. East Ukrainian National University named after V.Dal Lugansk, 2007.

The work is dedicated to the questions concerning the choice of power connections parameters and characteristics of the bogie frame with body and wheel sets. Mathematical model was worked out together with a programme-algorithm complex for the identification of power connections characteristics at the projecting stage under the condition of stable locomotive operation. Analytic relations were offered for theoretical determination of power cross connections of axle-box and body steps; also theoretical and experimental researches of ТЭП 150 locomotive dynamic properties, including elaborated power connections of bogie frames with axle-boxes and locomotive bogie were carried out.

Key words: damper, power connections, angle of incidence, dynamics.

АННОТАЦИЯ

Нестеренко В.И. Улучшение динамических показателей пассажирского тепловоза путем выбора рациональных характеристик силовых связей в экипаже. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - подвижной состав железных дорог и тяга поездов Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2007.

Работа посвящена вопросам улучшения динамических показателей пассажирского тепловоза путем выбора рациональных характеристик силовых связей в экипаже.

Одной из самых весомых составляющих повышения эффективности железнодорожных транспортных систем является повышение скорости движения подвижного состава. Увеличение скорости движения железнодорожного подвижного состава вызывает увеличение динамических сил при взаимодействии колеса и рельса, что приводит к неоправданным затратам энергии на тягу локомотива и преждевременному износу колес и рельсов, поэтому улучшение динамических качеств подвижного состава приобретает первостепенное значение. Создание транспортных средств со скоростью движения 160 км/ч вызывает затруднения в связи с отсутствием опыта создания подобных экипажей, поэтому актуальное значение приобретают теоретические и экспериментальные исследования для прогнозирования динамических качеств локомотива на стадии проектирования. Совершенствование методов прогнозирования динамических качеств локомотива позволяет выбрать на стадии проектирования наиболее рациональные характеристики силовых связей в экипаже, при этом одним из методов прогнозирования является системный анализ теоретических, экспериментальных и конструкторских разработок на основе которых применяется техническое решение создания новых узлов ходовых частей. динамические показатели локомотивов во многом определяются конструкцией и характеристиками основных узлов экипажа: опорно-возвращающих устройств колесно-моторного блока, рессорного подвешивания и демпфирующих устройств.

В работе на основе системного анализа теоретических и экспериментальных исследований разработана методика выбора рациональных силовых характеристик в экипаже. Методика включает в себя упрощенную математическую модель для выбора характеристик силовых связей тележки с кузовом и колесными парами и пространственную математическую модель движения локомотива, а также комплекс имитационного моделирования на натурных образцах узлов ходовых частей.

Силовые связи определяются по зависимостям, полученным при решении дифференциальных уравнений, описывающих на основе кинетостатики равновесное положение кузовной и буксовой ступеней, после этого на пространственной модели прогнозируются динамические качества локомотива с полученными силовыми характеристиками. На основе полученных силовых характеристик были изготовлены натурные образцы опоры кузова на тележку и проведено имитационное моделирование опоры с блоком нагрузок близким к эксплуатационным значениям. По моментам трения в опорах была определена оценка экипажа на соответствие критериям устойчивого движения локомотива. Проектные опоры позволяют устойчиво двигаться локомотиву во всем диапазоне эксплуатационных скоростей. В работе на основе зависимости полученных теоретическим и экспериментальным путем была разработана методика прогнозирования ресурса работы узлов ходовой части, которая позволила заменить ходовые испытания стендовыми. По результатам исследований проведенных при моделировании была выбрана пара трения и смазка для опоры и определены приведенный коэффициент трения и характеристики опоры - вертикальная и горизонтальная жесткости, а также момент трения в опоре. Были рассмотрены вопросы устойчивого движения локомотива в прямых участках пути с моментом трения, полученным в результате эксперимента и определена критическая скорость движения локомотива. Полученные параметры и силовые характеристики были введены в математическую модель для прогнозирования динамических качеств локомотива.

Для оценки динамических качеств локомотива в диссертационной работе создана методика для оценки угла набегания колеса на рельс по углу перекоса оси. Силовые связи определяются по зависимостям, полученным при решении дифференциальных уравнений, описывающих на основе кинетостатики равновесное положение кузовной и буксовой ступеней, после этого на пространственной модели прогнозируются динамические качества локомотива с полученными силовыми характеристиками. На основе полученных силовых характеристик были изготовлены натурные образцы опоры кузова на тележку и проведено имитационное моделирование опоры с блоком нагрузок близким к эксплуатационным значениям. По моментам трения в опорах была определена оценка экипажа на соответствие критериям устойчивого движения локомотива. Проектные опоры позволяют устойчиво двигаться локомотиву во всем диапазоне эксплуатационных скоростей. В работе на основе зависимости полученных теоретическим и экспериментальным путем была разработана методика прогнозирования ресурса работы узлов ходовой части, которая позволила заменить ходовые испытания стендовыми. По результатам исследований проведенных при моделировании была выбрана пара трения и смазка для опоры и определены приведенный коэффициент трения и характеристики опоры - вертикальная и горизонтальная жесткости, а также момент трения в опоре. Были рассмотрены вопросы устойчивого движения локомотива в прямых участках пути с моментом трения полученным в результате эксперимента и определена критическая скорость движения локомотива. Полученные параметры и силовые характеристики были введены в математическую модель для прогнозирования динамических качеств локомотива.

Для оценки динамических качеств локомотива в диссертационной работе создана методика для оценки угла набегания колеса на рельс по углу перекоса оси колесной пары относительно пути и получена зависимость угла перекоса оси колесной пары от скорости движения локомотива. Данная методика позволяет по фактору износа гребней оценить динамические качества локомотива и получить информацию для оценки безопасности движения локомотива по сходу колес с рельсов. Результаты ходовых динамических испытаний подтвердили адекватность математической модели. Применение математического моделирования для прогнозирования динамических качеств локомотива в комплексе с имитационным моделированием на основе теоретических и экспериментальных исследований с учетом реального блока нагрузок в экипаже позволило сократить сроки создания локомотива.

Ключевые слова: моделирование, демпфер, силовые связи, угол набегания, динамика.

ходовий локомотив екіпажний

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Залізничний транспорт є найменш витратним засобом транспортування пасажирів і вантажів за об'ємами перевезень займає провідне місце в Україні. Конкуренція на транспортні послуги сприяє розвитку більш ефективного швидкісного залізничного рухомого складу, використання якого дозволяє скоротити тривалість поїздок пасажирів і перевезення вантажів. У відповідності до державної програми розвитку рейкового рухомого складу соціального призначення ВАТ „ХК „Луганськтепловоз" створено магістральний пасажирський тепловоз ТЕП150 із швидкістю руху 160 км/год.

Актуальність теми. Україна молода держава з зростаючою ринковою економікою, зростання якої залежить від інтеграції в світову економіку, при цьому рівень політичної і соціальної інтеграції залежить від наявності ефективних транспортних систем.

Однією із самих вагомих складових підвищення ефективності транспортних систем є підвищення швидкості руху. Україна є транзитною державою, тому зростання економічних відносин між Європою і Азією потребує побудови залізничних швидкісних транспортних коридорів для обслуговування яких необхідно створення швидкісного тягового рухомого складу. На період освоєння транспортних коридорів найбільш ефективною є тепловозна тяга, тому проблема створення магістральних грузових і пасажирських тепловозів зі швидкістю руху 160км/год є першочерговим завданням.

Зростання швидкості руху залізничного рухомого складу збільшує динамічну складову в системі “колесо-рейкова колія”, що призводить до непродуктивної витрати енергії на тягу та дострокового зношення ходових частин і рейкової колії. В Україні відсутня практика створення екіпажа з швидкістю руху 160км/год, тому однією з найбільш актуальних проблем при створені локомотива є вибір раціональних характеристик силових зв'язків в екіпажі.

Актуального значення також набувають теоретичні і експериментальні дослідження для прогнозування динамічних якостей локомотива на стадії проектування.

При цьому однією з найважливіших завдань є розробка і втілення нових прогресивних засобів і методик експериментальних досліджень при створені екіпажа, спрямованих на підвищення динамічних та експлуатаційних характеристик локомотива.

Дисертація спрямована на вирішення важливої науково-технічної задачі по створенню швидкісного пасажирського тепловоза з поліпшеними динамічними показниками.

Зв'язок роботи з науковими програмами: роботу виконано відповідно до Державної програми “Розвиток рейкового рухомого складу соціального призначення для залізничного транспорту та міського господарства” (Наказ Міністра промполітики України №668 від 13.12.2004 г), рег. №02-02-104/01-99 Основні положення дисертації увійшли в НДР “Аналітичне обґрунтування і експериментальна перевірка технічних рішень конструкцій ходовіх частин локомотива для швидкості руху 160-180 км/год.” рег. №. ТЕП150/04 01.04.04.р .

При виконанні научно - дослідної роботи автором було проведено обґрунтування вибору конструкцій вузлів ходових частин і проведена обробка результатів теоретичних досліджень.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є поліпшення динамічних показників пасажирського тепловоза шляхом вибору раціональних характеристик силових зв'язків в екіпажі.

Для досягнення поставленої мети визначені такі завдання досліджень:

аналіз факторів і характеристик ходової частини, що обмежують швидкість локомотива і визначення вузлів, що потребують удосконалення;

розробка і обґрунтування вірогідності математичних моделей для оцінки характеристик силових зв'язків екіпажної частини на стадії проектування;

розробка критеріїв оцінки ефективності конструктивних рішень екіпажної частини і вибір поперечно - жорсткостних характеристик силових зв'язків: опорно-зворотнього пристрою і буксового ресорного підвішування;

оцінка показника демпфірування буксового ресорного підвішування.

Об'єкт досліджень - динамічні процеси в екіпажній частині швидкісного пасажирського тепловоза.

Предмет досліджень -закономірності впливу характеристик силових зв'язків в екіпажі на динамічні процеси.

Методи досліджень - математичні моделі які описують у вигляді систем диференціальних рівнянь динаміку тепловоза і методи планування експерименту. Експериментальні дослідження проводилися методом безпосередніх вимірів на натурних зразках вузлів і на спеціально обладнаних тепловозах. При обробці результатів досліджень використовувалися методи теорії імовірності.

Розбіжність експериментальних і розрахункових даних не більше ніж 15%.

Наукова новизна отриманих результатів:

вперше встановлена залежність між поперечною буксовою жорсткістю і параметрами кінетостатики екіпажа з врахуванням поперечної жорсткості зв'язків привода з колісними парами і сил тертя в буксових підшипниках;

отримав подальший розвиток метод прогнозування динамічних якостей екіпажа на основі системного аналізу теоретично-експериментальних досліджень і математичного моделювання з врахуванням уточнення імітаційним моделюванням трибомеханічних і силових характеристик ходових частин;

вперше одержано залежність оптимального коефіцієнта відносного демпфірування з врахуванням рівності пружньої і розсіюваної енергій;

одержало подальший розвиток теоретично-експериментальне прогнозування ресурсу роботи гумово-металевої опори в залежності від профілю рейкової колії і швидкості руху;

вперше отримана залежність кута перекосу вісі колісної пари з врахуванням поздовжнього переміщення коліс колісної пари від швидкості руху.

Практичне значення одержаних результатів виконані автором дослідження були використані у ВАТ “ХК “Луганськтепловоз” у процесі проведення проектно-конструкторських робіт при створенні швидкісного тепловоза ТЕП150 при цьому розроблені:

методика обґрунтування вибору конструкції вузлів ходових частин, на основі методики були визначені вузли швидкісного локомотива, які потребують вдосконалення: опорно-зворотній пристрій, буксове ресорне підвішування і колісно моторний блок - запропоновані шляхи вдосконалення цих вузлів;

- методика математичного моделювання динаміки локомотива, яка дозволяє оцінити вибір силових характеристик в екіпажі і прогнозувати його динамічні якості на стадії проектування;

- методика вибору раціональних силових характеристик в екіпажі, яка дозволила оцінити силові характеристики на стадії проектування;

критерій оцінки ефективності буксового ресорного підвішування, який дозволяє оцінити ефективність ресорного підвішування;

методика експериментальних досліджень по вибору пар тертя дала змогу експериментально визначити на натурному зразку опори пару тертя, коефіцієнт відносного тертя, поперечну і вертикальну жорсткості;

- методика визначення ресурсу роботи вузлів ходової частини залізничного транспортного засобу на динамічному стенді (деклараційний патент України №200440705577, кл. СОЇ МІ7/00, 09.07.2004 р), дозволила оцінити ресурс роботи проектної опори у стендових умовах і замінити ходові випробування стендовими;

- методика визначення кута перекосу вісі колісної пари залізничного транспортного засобу відносно поздовжньої вісі рейкової колії (деклараційний патент України №200440705617, кл. СОЇ У11/02, 09.07.2004 р), дає можливість оцінити фактор зносу гребенів бандажів і визначити значення критерій безпеки руху транспортного засобу.

Особистий внесок здобувача.

Теоретично досліджені питання впливу конструкції, характеристик і параметрів вузлів ходових частин екіпажу на динаміку тепловоза [1,3,6,11]. Обґрунтовано необхідність удосконалення екіпажної частини швидкісного пасажирського тепловоза. Проведено аналіз існуючих критеріїв оцінки ходових якостей рухомого складу.

Проведено обґрунтування вибору конструкцій вузлів ходових частин і визначені напрямки їх вдосконалення [3].

Запропоновано залежності для дослідження й вибору раціональних характеристик поперечних зв'язків, рами візка з кузовом і колісними парами [4].

Розроблено критерій оцінки оптимального коефіцієнта відносного демпфірування [2, 3].

Уточнена і адаптована до тепловоза ТЕП150 математична модель динаміки тепловоза [17].

Розроблено методику прискорених випробувань на динамічному стенді металево-гумових опор тепловозу з метою прогнозування ресурсу роботи [2,9].

Розроблено методику на спосіб визначення кута перекосу вісі колісної пари [5, 11].

На основі теоретичних досліджень на математичних моделях динаміки тепловозу ТЗП150 і за результатами експериментальних досліджень обґрунтована можливість створення тепловозу з швидкістю руху до 200км/год.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали й результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорені на Міжнародних науково-технічних конференціях: 11 міжнародна конференція “Проблеми залізничного транспорту” (ДІІТ Дніпропетровськ 2004р.); “Проблеми та перспективи розвитку транспорту у промислових регіонах”, (Гірничий університет, 2006р.); “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Крим, 2005-2006 р. р.).

У повному обсязі матеріали дисертації доповідалися на засіданнях кафедри залізничного транспорту СНУ ім. Даля. (2006 р.), а також на кафедрі “Локомотиви” ДНТУ “ДІІТ” і кафедри “Експлуатація та ремонт рухомого складу тепловозів” Укрдазт (2006 р.).

Публікації. За темою дисертації автором опубліковано 16 наукових праць, серед них 10 основні у спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України (8 статей, три з них одноособові і 2 винаходи).

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, доповнень і містить 150 стор. тексту, 153 ілюстрацій, 34 таблиць, 12 стор. списку використаних джерел, що включає 131 найменувань, 13 стор. доповнень.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ дана загальна характеристика роботи, визначені мета й завдання досліджень, показані актуальність і новизна теми, намічені шляхи рішення поставлених завдань.

РОЗДІЛ 1 присвячений обґрунтуванню вибору конструкції вузлів ходових частин швидкісного тягового рухомого складу. При створенні сучасних локомотивів важливого значення набуває вдосконалення методів прогнозування динамічних якостей екіпажної частини, які можна використати на стадії проектування для вибору найбільш раціональних характеристик зв'язків рами візка з кузовом і колісними парами. Одним з методів прогнозування є системний аналіз теоретичних, експериментальних і конструкторських розробок, на основі яких приймаються технічні рішення створення нових вузлів ходових частин.

Значним внеском у розвиток транспортної науки - динаміки руху й експлуатаційної надійності рухомого складу є праці вчених: С.М. Андрієвского, Є.П. Блохіна, Г.П. Бурчака, І.В. Бірюкова, А.І. Беляєва, М.Ф. Вєріго, С.В. Вершинського, О.Л. Голубенко, В.Д. Дановича, Ю.В. Дьоміна, А.С. Євстратова, І.П. Ісаєва, М.Л. Коротенка, А.А. Камаєва, В.Н. Кашнікова, О.Я. Когана, О.М. Коняєва, Ф. Картера, Я. Калкєра, С.М. Куценка, В.А. Лазаряна, Д.В. Львова, Л.А. Манашкіна, В.Г. Маслієва, Г.С. Міхальченка, В.Б. Меделя, К. Мюллєра, Ю.І. Осеніна, А.П. Павленка, Ю.С. Ромена, С.Ф. Редько, А.М. Савоськіна, Е.Д. Тартаковского, Т.О. Тібілова, В.П. Ткаченка, В.Ф. Ушкалова, Х. Хоймана, С.А. Костриці та інших.

Аналіз теоретичних і експериментальних досліджень показав, що безпека і усталеність руху локомотива, комфорт, силовий вплив на рейкову колію, а також знос коліс і рейок залежить від конструкції і характеристик визначальних вузлів екіпажа: опорно-зворотніх пристроїв, ресорного підвішування, колісно-моторного блоку й пристроїв, що демпфірують. Розглянуті напрямки вдосконалення саме цих вузлів для пасажирського тепловоза з швидкістю руху 160км/год. При теоретичних дослідженнях коливань локомотива однією з проблем є точне описання закономірностей впливу силових зв'язків в екіпажі.

Вплив характеристик опорно-зворотнього пристрою на динамічні й експлуатаційні показники наведений на рис.1.

РОЗДІЛ 2 присвячений системному аналізу теоретичних та експериментальних досліджень на основі яких розроблена методика вибору раціональних силових характеристик в екіпажі на стадії проектування. Ріст швидкостей руху поїздів викликав необхідність подальшого вивчення взаємодії рейкової колії і рухомого складу. Досвід експлуатації рейкових екіпажів показав, що усталений рух супроводжується горизонтальними й вертикальними коливаннями елементів екіпажа. Необхідною умовою для одержання позитивних динамічних показників у вертикальній площині є великий сумарний статичний прогин ресорного підвішування при оптимальному співвідношенні жорсткостей ступенів і коефіцієнта демпфірування [2,3]. Основними збудниками горизонтальних коливань екіпажу є нерівності шляху в плані, бічні удари гребенів коліс об рейки при вході в криву й синусоїдальні виляння колісних пар, викликані конічностю бандажів. У європейських конструкціях візків частіше застосовуються пристрої, опорно-зворотніх пристроїв, що перешкоджають вилянню, у вигляді ковзунів, що створюють постійний момент тертя, і рідше опорно-зворотні пристрої, пропорційні куту повороту. Правильний вибір моменту тертя забезпечує гасіння коливань виляння і зменшує напрямні сили при вписуванні візка в криву. Силові характеристики зв'язку кузова з візком і візка з колісними парами повинні забезпечувати зниження реакцій на збурювання від нерівностей шляху й динамічну стійкість екіпажа у всьому діапазоні швидкостей: від зрушення до конструкційної швидкості. Динамічні якості екіпажа забезпечуються стабільністю коливального процесу тепловоза на ресорному підвішуванні, тобто системою “ресора - демпфер” при цьому раціональний коефіцієнт відносного демпфірування визначається так:

Вибір раціональних характеристик поперечних зв'язків в екіпажі.

Для вибору силових характеристик поперечного зв'язку кузовної і буксової ступенів ресорного підвішування розроблена математична модель, розрахункова схема вказана на рис. 2. Застосуємо до розрахункової схеми теорему про кінетичний момент системи і складемо диференціальне рівняння

При цьому для кузовної ступені приймалися наступні припущення:

тепловоз рухається по прямій ділянці рейкової колії;

кузов робить малі коливання в межах зазору в шкворневому пристрої;

коливання відносу кузова відбуваються у фазі й одночасно на обох візках;

коливання бічної хитавиці кузова відсутні.

Для кузовної ступені диференціальне рівняння має вигляд:

а) буксової ступені; б) кузовної ступені.

Для забезпечення коливального процесу коефіцієнт при ц повинен бути більше або дорівнювати 0 звідки отримаємо залежність для визначення поперечної жорсткості опори:

При цьому довжина еквівалентного математичного маятника дорівнює:

Отримана залежність (5) дозволяє на стадії проектування робити порівняльну оцінку якості ходу в поперечному напрямку проектного тепловоза. Поперечна жорсткість опори тепловоза ТЕП150, яка обчислена по формулі (4) дорівнює 160кН/м, а довжина еквівалентного маятника обчисленого по формулі (5) складає 0,66м. Для забезпечення зменшення амплітуд відносу й виляння кузова при русі тепловоза в зоні експлуатаційних швидкостей у прямих момент опору повороту візка повинен задовольняти умові

Опорно-зворотній пристрій реалізований на тепловозі ТЭП 150, забезпечує стійкий рух у прямих ділянках шляху, оскільки: МО ? Мтр (41,318кНм>33,117кНм). При цьому момент тертя між кузовом і візком обчислюється так

На візках тепловоза ТЭП150 середні осі мають осьові розбіги, тому при русі в кривих радіусом R ? 300м динаміка трьохвісного візка наближається до двохвісного, тому до екіпажу можна застосувати критерій стійкого руху, що характеризується як показник опору повороту візка і визначається залежністю

Раціональні значення показника стійкості руху (8) візка перебувають у межах 0,03...0,07. Для тепловоза ТЭП150 він дорівнює 0,0446, що відповідає умові його стійкого руху. Розрахункова критична швидкість руху тепловоза ТЭП150 із проектними опорами дорівнює - 200км/ год.

На рис. 3 наведені результати експериментальних досліджень по підбору пар тертя для визначення необхідного моменту тертя між кузовом і візком.

Силові характеристики поперечного зв'язку буксової ступені. Від параметрів буксової ступені багато в чому залежить характер поперечних коливань тепловоза. При виконанні досліджень ресорного підвішування першої ступені були зроблені наступні припущення: кузов робить малі коливання в межах вільного зазору вшкворневому вузлі. Це дозволило вважати, що відносні переміщення кузова й візків відсутні. Стосовно до розрахункової схеми вказаної на рис.2(а) для буксової ступені диференціальне рівняння має вигляд:

Для забезпечення стійкого коливального процесу коефіцієнт при ц повинен бути більше або дорівнювати 0. Залежність для визначення найменшої поперечної буксової жорсткості має вигляд

Залежність (10) дозволяє на стадії проектування тепловоза раціонально вибрати осьову жорсткість первинного ступеня ресорного підвішування й оцінити їх на математичній моделі динаміки тепловоза. Поперечна осьова буксова жорсткість тепловоза ТЕП150, яка обчислена по формулі (10) дорівнює 5900кН/м.

РОЗДІЛ 3 присвячений розробці математичної моделі динаміки тепловоза ТЭП150. У математичну модель введені реальні характеристики зв'язків і параметри цього тепловоза і враховані конструктивні особливості екіпажу.

Динамічні показники екіпажу розглядаються в режимі сталих змушених коливань. Вважаємо, що збурювання при моделюванні системи “екіпаж - рейкова колія” надходять з боку рейковій колії і задаються функціями вертикальних і горизонтальних збурювань, які не залежать один від одного й мають синусоїдальну форму. Моделювання руху тепловоза по прямій ділянці колії були проведені зі швидкостями від 40 до 200 км/год. В основу побудови математичної моделі руху закладені наступні передумови:

1. Розглядаються просторові коливання.

2. Досліджується рух на ділянці шляху довільного обрису в плані.

3. Всі тіла абсолютно тверді, їхні маси зосереджені в центрах мас.

4. Зв'язки рам візків з кузовом і колісними парами - нелінійні, їхні характеристики отримані шляхом натурного експерименту.

5. У буксовому підвішуванні встановлені гідродемпфери.

6. Розглядаються режими руху на вибігу.

7. Швидкість тепловоза визначається в процесі інтегрування диференціальних рівнянь руху й обмежень на її величину не накладається.

8. Рейкова колія представлена у вигляді дискретних інерційних балок нескінченної довжини, що лежать на пружньо-диссипативній основі. Наведена маса рейковій колії й пружних-грузлих характеристик постійні.

9. Бандажі й рейки можуть мати нові або зношені профілі.

10. Ураховується тертя гребеня колеса по рейці при виборі зазору в рейковій колії.

11. Колеса абсолютно тверді тіла, зв'язані пружною віссю

12. Характеристики зв'язків рами візка з кузовом і колісними парами отримані експериментально в стендових умовах.

На рис. 4 наведена розрахункова схема коливань тепловоза. Позначення переміщень всіх тіл системи зведені в табл. 1.

У системі 21 тіло (кузов, два візки, шість ТЕД, шість якорів ТЕД, шість колісних пар) кожне з яких має шість ступенів волі. Рейки під кожним колесом мають

два ступені волі. З урахуванням накладених зв'язків система має 76 ступенів волі, її динаміка описується диференціальними рівняннями другого порядку, отриманими за допомогою рівняння Лагранжа II роду

де: Аі,Ві,Сі- матриці інерційних, дисипативних і квазіпружніх коефіцієнтів;

- вектори прискорень, швидкостей і переміщень тіл в узагальнених координатах;

Fоб - вектор узагальнених сил

Таблиця 1 Позначення переміщень всіх тіл системи

	Переміщення
	лінійні, уздовж осей	кутові, відносно осей
	ОX	ОY	ОZ	OX	OY	OZ
Кузов	xкз	yкз	zкз	икз	цкз	шкз
Рама візка		yтк	zтк	итк	цтк	штк
Колісні пари	xкі	yкі	zкі	икі	цкі	шрij
Двигун			zді			шдві
Якір						шяі
Рейки в точках контакту		yрij	zрij

Залежності динамічних показників тепловоза ТЭП150, отримані за результатами експериментальних і теоретичних досліджень, підтверджують адекватність математичної моделі.

РОЗДІЛ 4 присвячений експериментальним дослідженням ходових частин в стендових умовах і ходовим динамічним випробуванням тепловоза ТЭП150 з дослідними опорами кузова на візки. На динамічному стенді були проведені експериментальні дослідження проектних опор по вибору пари тертя й визначенню пружних характеристик опорно-зворотнього пристрою. Досліджено працездатність опорно-зворотнього пристрою в умовах, максимально наближених до експлуатаційних.

Результати досліджень опори з різними парами тертя і видами змащення наведені в таблиці 2.

Аналіз результатів випробувань показав:

- найбільші моменти опору повороту в опорі отримано з накладкою ковзуна, із фторопласта 4П і поліаміда 6 без змащення пар тертя;

- найменший момент опору повороту в опорі отримано з накладкою ковзуна, з поліаміду 6, зі змащенням пар тертя маслом осьовим марки “3”;

- за три години роботи стенда інтенсивність зношування накладки із фторопласта 4П склала в середньому 0,33...0,7 мм/ год;

- зношування накладки з поліаміду 6 не спостерігалось, тому на другий етап випробувань обрана опора з парою тертя поліамід 6 - сталь з консистентним змащенням, тому що опора конструктивно не пристосована для роботи при рідинному

змащенню. Значення жорсткостей опори отримані експериментальним шляхом до рівнюють:

- вертикальна - 5000 кн/м;

- горизонтальна без обмежника - 170 кн/м.

Ресурсні випробування опори проводились з парами тертя поліамід 6- сталь. Тривалість роботи опори на стенді дорівнює 120 моточасам, що відповідає еквівалентному пробігу - 1,6х106 км. Опора витримала ресурсні випробування, зношування поліамідної накладки складає 0,0003м.

Таблиця 2 Результати випробувань варіантів опор тепловоза ТЭП150.

Варіанти конструкцій ковзуна Характеристики	Позначення	Пари тертя: фторопласт -сталь	Пари тертя: поліамід 6ОСТ6-06-09-83-сталь
		Без змащення	Консистентне змащення №158	Рідке мастило - осьове масло ДРЖСТ 6110-72	Без змащення	Консистентне змащення №158	Рідке мастило - осьове масло ДРЖСТ 6110-72
Сили опору в опорі	Fоп, [Н]	20460	13720	12250	20150	11370	10110
Момент опору повороту візка	Моп, [Нм]	117030	78550	75260	115250	65040	57830
Момент тертя в опорах при повороті візка	Мтр, [Нм]	91290	52810	49520	91030	39300	32090
Приведений коефіцієнт тертя ковзана по сталі	f	0,145	0,08	0,07	0,142	0,062	0,051

Для визначення величин рамних сил при ходових динамічних випробуваннях на стенді були визначені осьові буксові поперечно-жорсткісні характеристики, максимальна жорсткість I, III, IV і VI осей дорівнює 6740кн/м і відповідає вимогам стійкого руху локомотива. Розроблена методика прискорених випробувань опор тепловоза з метою визначення ресурсу роботи на динамічному стенді. При цьому еквівалентний пробіг у стендових умовах визначається по формулі

Режими навантаження опори відповідають експлуатаційним, інші параметри отримані експериментальним шляхом. Методика визначення ресурсу вузлів ходових частин дозволяє замінити дорогі ходові випробування на стендові. Розроблена методика на спосіб визначення кута перекосу осі колісної пари залізничного транспортного засобу щодо поздовжньої осі рейкової колії дозволила знизити помилку виміру кута перекосу й проводити вимір на шляху великої довжини. Для визначення кута перекосу осі колісної пари [6] реєструючі прилади розміщуються в одній площині між рамою візка й корпусом букси й приводяться у взаємодію з корпусом букси в поздовжньому напрямку осі шляху перпендикулярно осі колісної пари. Поздовжні зсуви корпуса букси щодо рами візка реєструються й за отриманими даними визначається кут перекосу осі. Величина кута перекосу визначається залежністю

Дана методика була реалізована при проведенні ходових динамічних випробувань по виявленню механізму утворення зношування гребенів бандажів колісних пар тепловоза 2ТЭ116-895. Результати вимірів кута перекосу, що приблизно дорівнює куту набігання гребеня на рейку, для напрямної колісної пари наведені на рис.5.

Відзначимо, що зміна кута перекосу колісної пари від швидкості руху тепловоза зумовлена зростанням амплітуд виляння коліс. Отримані результати досліджень підтверджуються теорією руху самотньої колісної пари.

Використання цієї методики дозволяє:

- знизити погрішність вимірів через розміщення реєструючих приладів, в одній площині між рамою візка й корпусом букси;

- безперервно реєструвати кут перекосу осі на шляху різного профілю;

- одержувати інформацію для оцінки зношування гребенів бандажів колісних пар;

- одержувати інформацію для оцінки безпеки руху транспортного засобу по сходу коліс із рейок.

При ходових динамічних випробуваннях тепловоза ТЭП150 методом “скидання з клинів” отримані осцилограми видів власних коливань тепловоза. Як видно, фактичні значення коефіцієнтів відносного демпфірування коливань тепловоза ТЭП150 з гідродемпферами відповідають рекомендованим, тобто перебувають у межах 0,25...0,3. Результати обробки осцилограм наведені в таблиці3.

Таблиця 3 Частоти власних коливань і коефіцієнти відносного демпфірування

Вид коливань	Тип гасників	Буксове ресорне підвішування	Коефіцієнт відносного демпфірування
		Без гасників	4 гасника
	Гідродемпфер умовний №680	N періодів до загасання	f, Гц	N періодів до загасання	F, Гц
Підскакування	Гідравлічний 2-х сторонньої дії	6-7	1,95	2,0-2,5	1,84	0,29-0,30
Галопування кузова		5	2,0	2,0-1,5	1,95	0,28-0,30
Бічна хитавиця		7	0,85	1,5-2,0	0,05	0,27-0,3
Галопування візка		6	1,93	2	8,35	0,25

Ходові динамічні випробування тепловоза ТЭП150 показали, що у порівнянні з тепловозами ТЭ109 і ТЭ125 у прямих ділянках рейкової колії він має кращі показники динаміки в горизонтальній і вертикальній площинах, а також по при-скоренню кузова (рис. 6 - 10). Рівень рамних сил у прямих у тепловоза ТЭП150 значно менше, ніж у тепловозів ТЭ109 і ТЭ125 рис. 8 (а).

При русі по кривим ділянкам рейкової колії рівень рамних сил у тепловоза ТЭП150 трохи вище, ніж у тепловозів ТЭ109 і ТЭ125 рис. 8 (б, в, г), це можна пояснити тим, що тепловоз ТЭП150 має більше навантаження на вісь і більшу поперечну жорсткість буксових зв'язків, тому що характеристики ходової частини вибиралися з умови стійкого руху в прямих зі швидкістю руху 160км/год.

ВИСНОВКИ

У дисертації розв'язано важливу задачу: розроблено наукові методичні і прикладні основи поліпшення динамічних показників пасажирського тепловозу шляхом вибору раціональних характеристик силових зв'язків в екіпажі.

На основі комплексного аналізу впливу характеристик ходових частин екіпажу на динаміку локомотива встановлено, що для забезпечення швидкості руху до 160 км/год опорно-зворотній пристрій повинен мати момент тертя в опорах, величина якого забезпечує стійкий рух локомотива, буксове ресорне підвішування повинно бути індивідуальним з великим статичним прогином і гідродемпферами, які забезпечують гасіння коливань у всьому діапазоні експлуатаційних швидкостей, колісно-моторний блок має бути третього класу з пружньо-компенсаційною ланкою і мінімальною непідресореною масою.

Розроблено методику вибору параметрів силових зв'язків рами візка з кузовом і колісними парами й теоретично обґрунтовано раціональну величину коефіцієнту відносного демпфірування в буксовій ступені яка дозволила на стадії проектування виконувати інженерні розрахунки. Чисельні значення характеристик силових зв'язків розрахованих по запропонованими залежностям дорівнюють:

поперечна жорсткість буксової ступені - 5900 кН/м;

поперечна жорсткість кузовної ступені - 160 кН/м;

довжина математичного маятника - 0,66 м;

вертикальна жорсткість опори - 5000 кН/м;

момент тертя в опорах - 33,117 кН·м;

- визначена критична швидкість руху тепловоза з проектними опорами, яка дорівнює 200 км/год;

опорно-зворотній пристрій реалізований на тепловозі ТЕП150 відповідає вимогам стійкого руху в прямих Мо > Мтр (41,318кНм > 33,117кНм) момент опору повороту візка більше моменту тертя в опорах;

показник стійкості руху візка дорівнює 0,0446 і знаходиться в межах рекомендованих значень 0,03 < 0,0446 < 0,07.

Уточнена і адаптована просторова математична модель руху тепловоза ТЭП150. Проведена теоретична оцінка впливу характеристик силових поперечних зв'язків рами візка з кузовом і колісними парами на динаміку тепловоза. Адекватність математичної моделі підтверджена результатами експериментальних досліджень.

Шляхом натурних стендових досліджень обрана пара тертя поліамід - сталь опори кузова на візок, визначені характеристики опори і ресурс роботи пари тертя. Експериментальні характеристики ресорного підвішування дорівнюють:

буксова ступень, поперечна жорсткість - 6740 кН/м;

кузовна ступень, поперечна жорсткість - 160 кН/м;

приведений коефіцієнт тертя в опорі 0,062;

ресурсні випробування пари тертя відповідають еквівалентному пробігу тепловозу 1,6·106 км, при цьому зношування поліамідної накладки дорівнює 0,0003м.

Для прогнозування динамічних якостей тепловоза ТЕП150 експериментальні значення поперечних жорсткостей буксової і кузовної ступенів, а також коефіцієнт тертя були введені в математичну модель.

На основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено методику прискорених випробувань гумово-металевих опор з метою прогнозування ресурсу роботи на динамічному стенді і заміни ходових випробувань стендовими, що дозволило скоротити цикл створення екіпажу нового локомотива.

Розроблено методику визначення кута перекосу осі колісної пари в рейковій колії, що дозволяє безперервно реєструвати кут перекосу в русі й прогнозувати зношування гребенів бандажів колісних пар тепловоза й визначати показник безпеки руху локомотива по сходу коліс з рейок.

На базі проведених теоретичних і експериментальних досліджень створена екіпажна частина тепловоза ТЭП150 яка при швидкості руху 160 км/год має такі динамічні показники:

коефіцієнт вертикальної динаміки буксової ступені - 0,169;

коефіцієнт горизонтальної динаміки - 0,14;

рівень рамних сил в прямих- 27,25кН;

За динамічними показниками тепловоз ТЭП150 відповідає кращим закордонним зразкам локомотивів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Басов Г.Г., Нестеренко В.И., Бурка М.Л. Проблемы демпфирования колебаний в системе амортизации железнодорожного подвижного состава. Луганск.: Вестник ВНУ им. В. Даля №11(81). - 2004. - с.84-89.

2. Басов Г.Г., Старченко В.Н, Чесноков В.В., Нестеренко В.И., Бурка М.Л., Паранич А.А. Экспериментальные исследования новых материалов для опорно-возвращающих устройств подвижного состава. Днепропетровск.: Сборник научных трудов Национального горного университета №24.- 2006.-с.105-109.

3. Нестеренко В.И. Конструктивные особенности ходовой части тепловоза ТЭП150 и ее динамические показатели. Луганск.: Вестник ВНУ им. В. Даля. №8 (102). Часть I. 2006. - с.120-124.

4. Нестеренко В.И. Определение параметров поперечных связей рессорного подвешивания экипажа на стадии проектирования. Луганск.: Вестник ВНУ им. В. Даля. №8, 2005. - с. 61-66.

5. Петров А.С., Бурка М.Л., Романенко О.В., Нестеренко В.И. Способ определения угла перекоса оси колесной пары железнодорожного транспортного средства относительно продольной оси рельсовой колеи. Харьков.: Вестник НТУ “ХПИ”. №47.2005. - с. 134-138.

6. Старченко В.Н., Нестеренко В.И. Повышение тяговых и тормозных свойств электропоездов путем совершенствования конструкции их тележек. Луганск.: Вестник ВНУ им. В.Даля. №9(67). - 2003. - с.

7. Нестеренко В.И. Экспериментальное определение динамических параметров тягового привода транспортного средства. Днепропетровск.: Вестник ДИИТ им. Лазаряна. - №8.2005.- с.86-88.

8. Басов Г.Г, Нестеренко В.И., Богопольский Е.М. Новая моторная тележка для электропоездов ЭПЛ2Т, ЭПЛ9Т. Залізничний транспорт України №4. 2003. - с.10-12.

9. Патент України МКП 7G01В11/02. Спосіб визначення кута перекосу осі колісної пари транспортного засобу відносно поздовжньої осі рейкової колії. / Петров О.С., Бурка М.Л., Романенко О.В., ., Полупан Ю.В., Нестеренко В.І- №20040705617; заявлено 09.07.2004; опубл. 15.02.2005, бюл. №2.

10. Патент України МКП 7G01М17/00. Спосіб визначення ресурсу роботи вузла ходової частини залізничного транспортного засобу. / Бурка М.Л., Петров О.С., Романенко О.В., Полупан Ю.В., Нестеренко В.І., - №20040705577; заявлено 09.07.2004; опубл. 15.06.2005, бюл. №6.

Додаткова література

1. Басов Г.Г., Нестеренко В.И., Бурка М.Л. Теоретические и экспериментальные исследования демпфирования в рессорном подвешивании тягового подвижного состава. Днепропетровск.:2006. - с.47-53

2. Басов Г.Г., Нестеренко В.И., Антонов С.В. Унифицированные тележки электропоездов ЭПЛ2Т, ЭПЛ9Т и перспективы их дальнейшего развития.// Конференція “Сучасні напрямки розвитку та перспективи розробки по створенню вітчизняних та удосконаленню існуючих конструкцій ходових частин для рейкового рухомого складу”. Кременчук.: УкрНДІВ. 2005. - с.14-15.

3. Патент України МКП 7В61F5/02. Вузол опирання кузова на раму візка залізничного транспортного засобу. / Нестеренко В.І., Басов Г.Г., Найш Н.М., МіщенкоК.П., Богопольский Е.М., Антонов С.В., - №2003042919; заявлено 03.04.2003; опубл. 15.01.2004, бюл.№1.

4. Патент України МКП 7В61F5/06. Опора кузова транспортного засобу на візок. / Нестеренко В.І., Басов Г.Г., Найш Н.М., Міщенко К.П., Богопольский Е.М., Антонов С.В., - №2003042920; заявлено 03.04.2003; опубл. 15.01.2004, бюл. №1.

5. Патент України МКП 7В61F5/00. Візок рейкового транспортного засобу. / Нестеренко В.І., Басов Г.Г., Мельников М.П., Міщенко К.П., - №2003087287; заявлено 01.08.2003; опубл. 15.06.2004, бюл.№6.

6. Патент України МКП 7В61F3/00, МКП 7В61Н1/00. Візок рейкового транспортного засобу. / Нестеренко В.І., Басов Г.Г., Бикадоров В.П., МіщенкоК.П., Сергієнко М.І. - №2003087288; заявлено 01.08.2003; опубл. 15.06.2004, бюл.№6.

7. Аналитическое обоснование и экспериментальная проверка технических решений конструкций ходовой части локомотива для скоростей движения 160-180км/ч./Басов Г.Г., Горбунов Н.И., Гундарь В.П.,Догадин В.А., Игнатьев О.Л., Кашура А.Л., Креспо Н.В., Михеев А.С., Нестеренко В.И., Попов С.В., Шап-ранЕ.В./ Луганск.: Отчет НИР ВНУ. - 2005-с.6-75

Размещено на Allbest.ru

...