Поліпшення динамічної взаємодії локомотива і шляху

Размещено на http://allbest.ru

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

05.22.07 - Рухомий склад залізниць та тяга поїздів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Поліпшення динамічної взаємодії локомотива і шляху

Спірягін Валентин Ігорович

Луганськ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі „Залізничний транспорт” навчально- наукового інституту рейкового транспорту Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля Міністерства освіти та науки України

Науковий керівник ГОРБУНОВ Микола Іванович,

кандидат технічних наук, доцент,

Східноукраїнський національний університет імені

Володимира Даля, доцент кафедри „Залізничний транспорт”

Офіційні опонентиКОРОТЕНКО Михайло Леонідович,

доктор технічних наук, професор,

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. акад. В.А. Лазаряна, завідувач кафедри „Електрорухомий склад”

ЧЕРНЯК Анна Юріївна,

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Київський університет економіки та технологій транспорту,

доцент кафедри "Рухомий склад залізниць"

Провідна установаУкраїнська державна академія залізничного транспорту Міністерства транспорту України, кафедра експлуатації та ремонту рухомого складу, м. Харків.

Захист відбудеться “ 21 ” травня 2004 р. о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.03 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

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

Автореферат розісланий “ 20 ” квітня 2004 р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої радиУльшин В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В останній час для транспортної науки стають усе більш важливими дослідження, спрямовані на зменшення сил взаємодії екіпажа з рейковою колією і зниження зносу в системі “колесо-рейка”.

Актуальність теми. Ефективне і якісне рішення задач, що поставлені перед залізничним транспортом, неможливо здійснити без удосконалювання конструкцій локомотивів, застосування нових технічних рішень для поліпшення їхніх тягово-динамічних показників і найбільш повної відповідності конкретним умовам експлуатації. Складною проблемою при цьому є створення екіпажних частин, що забезпечують гарні динамічні якості й мінімальні рівні зношення поверхонь кочення колес і рейок при необхідних тягових і швидкісних показниках локомотивів.

У зв'язку з тим, що на криві ділянки шляху приходиться значна частина загальної довжини залізниць (близько 35%), а режими взаємодії колії та екіпажів у кривих відрізняються найбільшою інтенсивністю, особливий інтерес представляють дослідження, присвячені виборові конструктивних схем і раціональних параметрів ходових частин, що дозволяють поліпшити характеристики руху екіпажів у кривих.

В умовах України - країни з розвиненою залізничною структурою, за наявністю одного з найбільших у світі виробників локомотивів - холдингової компанії “Луганськтепловоз”, а також могутніх залізничних наукових і проектних центрів у Дніпропетровську, Луганську, Харкові й ряді інших міст - ці дослідження здобувають особливу актуальність і проводяться у різних напрямках даної проблеми.

Дисертація присвячена пошукові засобів і методів поліпшення характеристик руху екіпажів за рахунок використання резервів поліпшення динамічних якостей. Основна увага приділена удосконаленню конструкції екіпажної частини локомотива на базі побудови конструктивних схем візків з радіальною установкою колісних пар і дослідженню впливу параметрів їхніх елементів на характеристики руху залізничних екіпажів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконана в рамках досліджень з теми “Розробка і модернізація тягового рухомого складу потужністю 2000-4000к.с. у секції для ведення пасажирських і приміських вагонів” (№ держ. рег. 0197U018162) і договору з Укрзалізницею №39/34, а також наукових досліджень Східноукраїнського національного університету по НДР “Дослідження процесів реалізації сили тяги при впливі на локомотив зовнішніх динамічних збурень” (№ держ. рег. 81012271), “Наукові основи, концепція і теорія створення перспективних конструкцій транспорту з поліпшеними енергетичними й екологічними характеристиками” (№ держ. рег. 0196U021048), “Розрахунково-експериментальні дослідження напружено деформованого стану пружних елементів рейкових транспортних засобів, спрямованні на підвищення експлуатаційних якостей пружних зв'язків в екіпажній частині” (30.06.2000 № держ. рег. 0197U018162). Автор є виконавцем по всіх наведених науково-дослідних роботах.

Мета і задачі дослідження. Мета проведених досліджень - Вибір конструктивних параметрів екіпажної частини локомотива і оцінка впливу конструкції на динамічну взаємодію і зношення коліс і рейок.

Для реалізації зазначеної мети поставлені й вирішені такі задачі:

досліджувати особливості кінематики буксових вузлів у процесі вписування;

розробити стендові установки і провести випробування трибосистеми колесо-рейка, зробити натурні випробування для визначення траєкторії руху колісної пари в рейковій колії, кінематики руху буксових вузлів з похило встановленими повідцями і визначити реакції в їхніх зв'язках з рамою візка;

розробити методику і комплексний критерій для оцінки параметрів екіпажної частини;

розробити імітаційну модель руху екіпажа, що враховує особливості конструкції екіпажної частини;

запропонувати рекомендації з внесення змін у конструкцію екіпажної частини рейкового транспортного засобу з метою підвищення їх тягових і динамічних якостей, зниження зношувань колісних пар і поліпшення вписування в криві ділянки шляху;

розробити пакет прикладних програм, що дозволяють робити оцінку тягово-динамічних якостей рейкового транспортного засобу й інтенсивності зносу колісних пар у залежності від змін параметрів екіпажної частини.

Об'єкт дослідження - динамічні процеси взаємодії екіпажної частини з рейковим шляхом при зміні конструктивних параметрів і їхній вплив на триботехнічні характеристики в контакті колеса з рейкою.

Предмет дослідження - вплив кінематичних схем з'єднання і жорсткістих характеристик повідкового буксового вузла на динамічні показники рейкового екіпажа і зношування колісних пар і рейок.

Методи дослідження. Експериментальне дослідження вивчаємих процесів і дослідних вузлів, імітаційне і математичне моделювання на основі складених систем диференціальних рівнянь коливань локомотива.

Наукова новизна отриманих результатів.

?Вперше розроблено комплексний критерій для оцінки тягово-динамічних якостей локомотива, що враховує розподіл діючих сил тяги, вертикальних навантажень і динамічних сил поміж вісями локомотиву.

?Вперше проведено оцінку взаємодії між візками з радіальним встановленням колісних пар і рейками з урахуванні фрикційної взаємодії кожної колісної пари з рейками.

?Одержано аналітичний опис закономірностей зміни сили зчеплення в залежності від відносного ковзання і напряму вектора ковзання колеса по рейці, фрикційного стану поверхонь контакту, вертикального навантаження, швидкості руху, розташування колеса відносно рейці, кута набігу, на підставі чого запропоновано методи моделювання сили зчеплення.

?Розроблені теоретичні положення визначення фактора зношення колісної пари рейкового екіпажу, що дозволяють урахувати знос поверхні кочення бандажу і гребеня у кривих і прямих дільницях путі.

Практичне значення отриманих результатів. Виконані автором наукові розробки використані ХК “Луганськтепловоз” при проведенні науково-дослідних і проектно-конструкторських робіт зі створення перспективного рухомого складу для залізниць України, Іраку і Сирії.

На підставі викладених у дисертації рішень було модернізовано ряд стендів: стенд для випробовування буксових вузлів, стенд для дослідження зчеплення колеса з рейкою й іспиту елементів буксового ресорного підвішування, машина тертя.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом розроблені: математичні моделі руху колінної пари [1], екіпажної частини [5,10], фрикційної взаємодії [6]; методики для дослідження фрикційного стану в системі колесо-рейка [2,4] і випробовування елементів екіпажної частини [3]. Перевірено адекватність моделей [1,2,5,6,10]. Оцінені тягово-динамічні якості рейкових транспортних засобів і зроблений аналіз результатів [1,2,4,5,6]. Запропоновано рекомендації для поліпшення використання коефіцієнта зчеплення [8] локомотивом зменшення динамічної взаємодії і зносу в кривих ділянках шляху [7]. За участю автора розроблені конструктивні рішення, на які отримане 3 патенти України [7,8,9].

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи повідомлені на Х Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Крим, 2000р.), ХI Міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Крим, 2001р.), ХIІІ Міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (Крим, 2003р.), VII Міжнародної науково-практичної конференції “Університет і регіон” (Луганськ, 2001р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 статей. Отримано 3 патенти на винаходи.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку літератури і додатків. Обсяг дисертації 217 сторінок, у тому числі 132 сторінки машинописного тексту, 24 таблиці на 17 сторінках, 72 ілюстрацій на 43 стор., 2 додатків на 7 стор., 172 літературних джерел на 18 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладена актуальність проблеми, обґрунтований вибір об'єкта і предмета досліджень, дана загальна характеристика роботи.

Перший розділ присвячений оглядові сучасних візкових екіпажів і аналізові їхніх конструктивних схем і особливостей екіпажів, що впливають на рух у кривих ділянках шляху. Виявлено резерви поліпшення характеристик руху екіпажів. Розглянуто існуючі математичні моделі дослідження руху екіпажів і їхніх динамічних якостей у кривих і прямих ділянках шляху.

Великий внесок у рішенні задач динаміки рейкового транспорту і поліпшення його динамічних якостей зроблений ученими С.М.Андрієвським, Є.П.Блохіним, В.М.Богомазом, В.А.Браташем, М.Ф.Веріго, О.Л.Голубенко, С.М.Голубятниковим, З.Д.Дановичем, Ю.В.Дьоміним, В.В.Евенко, О.С. Євстратовим, Е.П.Єлбаєвим, О.П.Єршковим, В.М.Івановим, О.О.Камаєвим, В.О.Камаєвим, Д.Е.Карминським, В.М.Кашніковим, Б.Я.Коганом, О.І.Кокоревим, О.М.Коняєвим, В.С.Косовим, Е.Е.Косовим, К.П.Корольовим, М.Л.Коротенко, С.М.Куценко, В.Г.Маслієвим, В.Б.Менделем, Г.С.Михальченко, В.В.Монічем, І.І. Ніколаєвим, Ю.І.Осеніним, В.Н.Панським, М.П.Пахомовим, М.Л.Радченко, Ю.С.Роменом, О.М.Савоськиним, П.О.Слітніковим, О.В.Сломянським, С.М.Смирновим Е.Д.Тартаковським, Т.О.Тібіловим, В.П.Ткаченко, Х.Хейманом, О.О.Холодецьким, К.Ю.Цеглинським, Г.Юбелаккером, і ін., а також науковими колективами ЦНДІ МПС, ВНДТІ, ВЕлНДІ, МІІТ, ЛІІЖТ, РІІЖТ, ДНУЗТ ім. В.А.Лазаряна, СНУ ім. В.Даля, БІТМ, НТУ „ХПІ”.

У роботах цих учених і наукових колективів описані процеси взаємодії екіпажної частини з рейковим шляхом, викладені результати експериментальних досліджень і визначені резерви поліпшення динамічних якостей екіпажів і перспективи їхнього конструктивного вдосконалювання. Відзначається, що одним із основних напрямків поліпшення динамічної взаємодії є удосконалення зв'язків першої ступіні ресорного підвішування. Оптимізація вибору їх жорсткісних і демпфіруючих характеристик дозволяє знизити сили взаємодії в точках контакту коліс з рейками і, тим самим, зменшити зношення бандажів колісних пар і рейок. Одним із ефективних засобів зниження зношення гребенів коліс у кривій є застосування візків, які дозволяють здійснювати радіальну установку колісних пар.

На підставі аналізу існуючих математичних моделей до математичної моделі пред'явлені такі вимоги: повинні максимально враховуються можливі просторові коливання екіпажа, електродинамічні процеси в приводі і їхній вплив на зміну величини тягового моменту.

Наприкінці розділу сформульована мета й задачі дослідження.

Другий розділ дисертації присвячений розробці комплексного критерію для оцінювання екіпажної частини локомотива й дослідженню впливу різних факторів на тягово-динамічні якості локомотивів.

Оцінку конструкції, що дозволяє забезпечити необхідні тягово-динамічні якості, і параметрів екіпажної частини локомотива, при накладенні ряду конструктивних обмежень на стадії проектування, запропоновано робити за комплексним критерієм для оцінки тягово-динамічних якостей, складовими якого обрані бальні оцінки таких величин: коефіцієнта вертикальної динаміки, величини вертикального навантаження при реалізації сили тяги, коефіцієнта горизонтальної динаміки в кривих ділянках шляху, коефіцієнта горизонтальної динаміки в прямих ділянках шляху , рамної сили при русі в кривих ділянках шляху , горизонтального прискорення буксового вузла , горизонтального впливу на шлях від непідресорених мас локомотива , сумарних сил впливу на шлях у горизонтальній площині , фізичного коефіцієнта зчеплення на забруднених рейках ш і кута набігання колеса на рейку г для кожної колісної пари. Бальна шкала оцінок була введена через те, що перераховані вище величини, що описують тягові і динамічні якості мають різну розмірність, крім цього для кожної із величин був уведений ваговий коефіцієнт, отриманий у результаті ранжирування думки фахівців, які займаються дослідженнями в даній області, даних періодичної літератури, монографій і результатів статистичної обробки проаналізованих даних.

Для одержання ідеального варіанта локомотива необхідно, щоб приведені оцінні величини для кожної колісної пари прагнули до номінального значення (максимальний коефіцієнт зчеплення, мінімальна бічна рамна сила, мінімальний коефіцієнт горизонтальної динаміки і т.д.), що виникає при реалізації локомотивом максимальних потенційних можливостей, і їхня різниця між колісними парами була б мінімальна

Мінімальне значення комплексного критерію відповідає оптимальній конструкції екіпажної частини.

При русі локомотива в кривій ділянці шляху виникають значні горизонтальні сили в контакті гребеня набіжного колеса, і рейки, крім цього набіжні колеса, у кривій прослизають значно більше, ніж у прямих ділянках шляху. Ці два фактори є одними з основних складових причин зношення гребеня колеса. Радіальна установка колісної пари сприяє зменшенню прослизання гребеня по рейці і величини направляючої сили.

Одним з варіантів забезпечення радіальної установки колісної пари в кривій є застосування буксових вузлів з повідками, похилими до подовжньої осі шляху в горизонтальній площині

У даній роботі зроблене дослідження кінематики буксових вузлів з різними варіантами установки повідків за допомогою методу векторних контурів для важельних механізмів і побудовані графічні залежності між подовжніми і поперечними переміщеннями буксового вузла з похилими повідками без обліку зазору, а також між поперечним переміщенням і кутом повороту колісної пари.

Експериментальні дослідження силових і кінематичних характеристик зв'язку колісної пари з рамою візка виконані на спеціальному натурному стенді, що дозволяє створити умови навантажування дослідного буксового вузла, максимально наближені до реальних. Величини усиль, амплітуди і частоти перемінних складових відповідали режимам роботи буксового вузла тепловоза 2ТЕ116. Випробування на стенді проводилися з різними варіантами установки буксових повідків.

За допомогою машини тертя модернізованою прецизійною платою L-1221, досліджувалися фрикційні характеристики контактної пари колесо-рейка із різними видами поверхневих забруднень. Обробка сигналів вимірюваних параметрів здійснювалася за допомогою комплекту програм, що входили в комплект поставки плати, що дозволяють здійснювати введення-вивід з аналогових каналів у різноманітних режимах.

Аналізуючи отримані результати, можна зробити такі висновки: підтверджено наявність мінімуму залежності коефіцієнта тертя спокою від питомого тиску, що знаходиться в межах 800...1000 Мпа; матеріал контактуючих тіл робить кількісний і якісний вплив на залежність; при поганих умовах контактування коефіцієнт тертя спокою виявляється незалежним, як від матеріалів контактуючих тіл, так і від питомого тиску в контакті; при коченні з ковзанням і досягненні визначеного рівня останнього для кожного фрикційного стану поверхонь максимально досягнуті коефіцієнти ш вище коефіцієнтів шсц,, обмірюваних у тих же умовах контактування.

Розрахунковим шляхом встановлено, що виникаюча зміна вертикальних навантажень на колесах локомотива виникаюча через різницю навантажень в опорах кузова на візки, приводить до зміни швидкості ковзання коліс. Максимальна різниця вертикальних навантажень між колісьми =7620Н, що складає 4,5% від загального навантаження на колісну пару Рв. При цьому значенні можемо одержати зміну відносної швидкості ковзання на 1,12...2,02% .

Дослідження інтенсивності зношення кожної з колісних пар локомотивів проводилося в депо Кондрашевська-Нова і Родаково Донецької залізн., за результатами досліджень зроблені спеціальні вибірки що до прокату ізносові гребенів для 20 секцій тепловоза 2ТЕ116.

Статистична оцінка отриманих результатів зроблена за допомогою ЕОМ. Отримано експериментальні залежності зміни прокату бандажа й товщини гребеня кожної з колісних пар як для окремих тепловозів, так і для розглянутого парку в цілому.

При прокаті коліс від 2 до 5,5 мм темп зношування знижується. У той же час для цього інтервалу прокатів характерні максимальні значення коефіцієнта тертя спокою ш0. Найбільше зношування гребенів і прокат спостерігаються на крайніх колісних парах екіпажа. Результатом нерівномірного зношування коліс є нерівномірний розподіл навантажень, що приводить до різниці рівня сил зчеплення між колісьми як самої колісної пари, так і в складі екіпажа, наслідком чого є збільшення ковзань колісних пар, а це приводить до зростання зношування бандажів і рейок.

Третій розділ присвячений розробці моделі руху локомотива. Блок-схема створеної імітаційної моделі представлена на рис.2.

Імітатор сили зчеплення розроблений для випадків: контактування нових профілів колеса локомотива (ДСТ 11018-87) і рейки Р65 (ДСТ 8161-75); зношеного профілю колеса (для цього використаний так називаний "стабільний профіль"), і нової рейки Р65 (ДСТ 8161-75); зношеного колеса і зношеної рейки.

Імітатор ходової частини створений з обліком викладених у другому розділі випробувань конструкцій буксових вузлів. Оброблені імітаторами дані підставляються в математичну модель руху локомотива для дослідження його тягово-динамічних якостей.

В основу побудови математичної моделі руху шестиосного локомотива були закладені загальні для математичних моделей передумови. На рис.4 показаний загальний вид розглянутої моделі (однієї секції).

У системі 21 тіло (кузов, два візки, шість ТЕД, шість якорів ТЕД, шість колісних пар), кожне з них має шість ступенів волі. Рейки під кожним колесом мають два ступені волі (розглядається дискретна модель шляху). З урахуванням накладених зв'язків система має 76 ступенів волі. Її поводження описується диференціальними рівняннями другого порядку.

Друга секція локомотивів має стільки ж зв'язків.

При моделюванні складу поїзда, який складається з n вагонів, відповідно до математичної моделі додається n узагальнених координат, у залежності від числа вагонів.

Моделювання подовжніх коливань поїзда розглядалося в двох режимах руху:

1. Сталий, який має місце при сталості або повільній зміні зовнішніх стосовно поїзда сил, де поїзд представлявся ланцюжком шарнірно зв'язаних твердих тіл, і прийняте таке рівняння руху поїзда

За розробленою математичною моделлю складено програму для ЕОМ для дослідження просторових коливань локомотива, що рухається по ділянці шляху довільного профілю в плані при різних режимах тяги, вибігу й електродинамічного гальмування.

У результаті інтегрування диференціальних рівнянь обчислюються всі лінійні і кутові переміщення кузова, рам візків, колісних пар і тягових електродвигунів, сили струмів у ланцюгах двигунів, сили зчеплення в контакті коліс з рейками, вертикальні і поперечні горизонтальні переміщення рейок, подовжні переміщення вагонів, а також відповідні швидкості і прискорення тіл системи. Отримані таким чином дані використовуються для визначення величин, що характеризують динамічні і тягові якості локомотива, для яких розраховувалися максимальні і мінімальні значення при сталих режимах руху локомотива. Такими величинами були: рамні і бічні сили, вертикальні сили в контакті, у буксовому підвішуванні й опорах кузова на візки, вертикальні і поперечні горизонтальні прискорення кузова і рам візків, ковзання коліс по рейках, кутові швидкості і прискорення колісних пар, кути закручування осей, кути повороту колісних пар у горизонтальній площині, сили зчеплення, тягові моменти, сили струмів у ланцюгах тягових електродвигунів.

У четвертому розділі зроблена перевірка адекватності роботи математичної моделі руху локомотива і порівняння впливу різних варіантів установки буксових повідків і жорсткістних характеристик зв'язку буксових вузлів колісної пари з рамою візка на тягові і динамічні якості, розглянуто дві задачі: рух локомотива на вибігу; рух локомотива в режимі тяги.

Результати розрахунків динамічних процесів, отримані при рішенні першої задачі, тестувалися шляхом порівняння з результатами ходових випробувань тепловозів 2ТЕ116, проведених відділом динамічних і міцнісних випробувань ХК "Лугансктепловоз" і ВНДТІ(м. Коломна). Результати тестування зведені в табл. 1.

Аналіз результатів розрахунку, представлених у табл. 1, отриманих при використанні розробленого імітатора сил зчеплення, показує їхню задовільну збіжність із експериментальними даними за коефіцієнтами вертикальної і горизонтальної динаміки, вертикальним і горизонтальним прискоренням візків і кузова серійного локомотива. При рішенні задачі про рух локомотива в режимі тяги на рівній площадці розбіжність максимальних рамних сил, отриманих у результаті іспитів локомотивів 2ТЕ116 і розрахунки оцінок математичних чекань їхніх максимальних значень для швидкостей від 11,1 м/с до 33,3м/с, склали для прямої ділянки шляху 10-15% і для кривої до 10%.

Дослідження динамічної взаємодії локомотива з радіальною самоустановкою колісних пар з рейковим шляхом для руху в прямій і кривій ділянках шляху радіусом

R=300м; 600м моделювалося для однієї секції тепловоза 2ТЕ116, що рухається в режимі тяги і вибігу зі швидкостями руху v=10 м/с v=20 м/с і v=30 м/с.

Кутова жорсткість повороту колісної пари буксової ступіні жбуг змінювалася в межах від 4000 кН/рад. до 1·105 кН/рад. на один буксовий вузол.

Таблиця 1

Зіставлення результатів розрахунків з експериментальними даними за

величинами коефіцієнтів горизонтальної і вертикальної динаміки

Експеримент /Розрахунок
v, м/с	16,7	22,2	27,8
кдг	0,07/0,085	0,1/0,111	0,14/0,143
кдв	0,15/0,155	0,16/0,167	0,18/0,183

Зменшення жбуг привело до зменшення максимальних бічної сили колісної пари до 40% на направляючій першій колісній парі при швидкостях 10м/с і 20м/с і 30% при швидкості 30м/с у кривій R=300м. При цьому зменшення кута набігання колеса на рейку для першої колісної пари для жорсткості 1·105 кН/рад. склало від 10% до 12% при всіх досліджуваних швидкостях руху локомотива, для жорсткості 4000 кН/рад. - від 55 % при швидкості 10м/с до 100% при швидкості 30м/с.

Аналогічна картина спостерігається для руху локомотива в кривій R=600м: зменшення максимальної бічної сили на першій колісній парі для досліджуваного інтервалу жорсткостей жбуг, склало від 37% для швидкості 10м/с до 43% для швидкості 30м/с. Зменшення кута набігання, при всіх досліджуваних швидкостях руху, склало від 6... 8% для жорсткості жбуг= 1·105 кН / рад. до 45-100% для жбуг= 4000 кН/рад.

Аналіз залежностей складових сили зчеплення подовжньої Fх (рис.6а) і поперечної Fy (рис.6б) для кривої R=300м показує, що зменшення жорсткості жбуг у досліджуваному діапазоні швидкостей приводить до зменшення поперечної складової Fy на 10% і зростанню на 7% подовжньої складової Fх. Це сприяє реалізації більш високої сили тяги на ділянці шляху крайніми колісними парами візка приблизно на 6% при жбуг= 4000 кН/рад. Пояснити це можна зменшенням поперечного ковзання першої і третьої колісних пара. Аналогічне явище спостерігається для четвертої і шостої колісних пар, однак зростання склало 4%. Характер розподілу сил на залежності (рис.7) відповідає фізичному розподілові коефіцієнта зчеплення по колісних парах локомотива. Спостерігається зростання коефіцієнта зчеплення на кожній наступній колісній парі, тому що є присутнім ефект очищення поверхні рейки від забруднення перед колісними парами, що йдуть. Це добре узгоджується з результатами експерименту, викладеного в 2-ому розділі, і даними, отриманими в інших наукових дослідженнях.

Розрахунки по розробленій моделі використані для оцінки впливу на тягу локомотива коливань у вертикальній і горизонтальній площинах. Для спрощення задачі величина сили тяги оцінювалася в залежності від жорсткості буксової ступіні ресорного підвішування у вертикальному і горизонтальному напрямку, тому що рівень динамічних сил у локомотиві прямо залежить від жорсткості елементів ресорного підвішування. Дослідження проводилися для однієї секції тепловоза 2ТЕ116, що рухається в режимі тяги з v=10 м/с. Вертикальна жорсткість буксової ступіні жбz змінювалася в межахвід 300 до 1508 кН/м, поперечна (жбу) - від 3000 до 16000 кН/м на один буксовий вузол.

Збільшення привело до збільшення максимальних вертикальних динамічних сил у буксовому ресорному підвішуванні на 55%, від колісних пар на рейки - на 56%. Rby і Rry зменшилися на 35% і 41,2% відповідно. Середня сила тяги зменшилася на 8%.

Збільшення ЖБY привело до збільшення рамних і бічних сил на 100 і 14% відповідно, середня сила тяги при цьому зменшилася на 4,5%. Величини максимальних вертикальних динамічних сил практично не змінилися.

Таким чином, результати розрахунків показують, що динамічні процеси, що протікають при русі локомотива, значно впливають на реалізацію сили тяги.

У роботі розроблена методика теоретико-експериментального визначення фактора зношування колісної пари.

Кочення колеса по рейці зв'язана з подовжнім ковзанням, поперечним ковзанням і спіном, відповідно в контакті колеса з рейкою виникають подовжня і поперечна складові. Спін у розрахунку не враховувався, тому що його вплив на зношування незначній. Основними складовими зношування є швидкості ковзання і .

Зношування гребеня колеса залежить від роботи поперечних сил у момент коли гребінь вступає в контакт із бічною гранню рейки.

Час контакту гребенів коліс з рейками при русі локомотива визначалося за допомогою спеціального пристрою для виміру траєкторії руху колісної пари. У результаті розшифровки й обробки осцилограм статистичними методами були побудовані функції розподілу довжини хвилі виляння в режимах тяги й вибігу та час контакту гребеня і рейки. Проведені експериментальні дослідження показали, що при русі локомотива по прямій ділянці шляху в режимі тяги математичні чекання довжини хвилі виляння колісної пари менше на 20%, ніж при русі на вибігу.

Оцінка зношування коліс локомотива здійснювалася таким чином, визначена ділянка шляху розбивалася на менші ділянки руху локомотива в режимі тяги, гальмування і вибігу з урахуванням плану місцевості. Після чого для кожної ділянки визначався час контакту конічної частини бандажа і гребеня з рейками, а також сили взаємодії для даних частин колеса, отримані з розрахунків за математичною моделлю або експериментальним шляхом. Далі обчислювалася робота сил тертя по зношуванню конічної частини бандажа і гребеня, і з формули питомого зношування визначалося зношування відповідних частин коліс.

За допомогою імітаційної моделі була зроблена оцінка розроблених за участю автора конструктивних рішень, що поліпшують умови реалізації сили тяги і гальмування й умови вписування екіпажів у криві ділянки шляху. За даними конструктивними рішеннями отримані патенти України №38098A МКИ B61C15/00, №38097А МКИ B61F5/26.

Згідно “Способу підвищення тягово-динамічних якостей локомотивів” (патент №38098A МКИ B61C15/00) при перерозподілі величини навантажень між колісними парами в режимі тяги назад пропорційно коефіцієнтові використання зчіпної маси; при швидкості V=1,39м/с сила тяги зростає на 16%, а при швидкості V=2,78м/с на 10%. При використанні візка з радіальною установкою колісних пар (“Тривісний візок рейкового транспортного засобу”, патент №38097А МКИ B61F5/26) зменшуються кути набігання направляючих колісних пар у кривих до 0 рад, і відбувається зниження горизонтальних направляючих зусиль до 20%.

ВИСНОВКИ

Наведені в дисертаційній роботі результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють зробити наступні висновки:

Розроблено методику і комплесний критерій для оцінки тягово-динамічних якостей конструкції екіпажної частини локомотива при русі в прямих і кривих ділянках шляху, які враховують нерівномірність розподілу сил тяги, вертикальних навантажень, динамічних сил, а також геометричних параметрів, що впливають на взаємодію колеса з рейкою;

Досліджено особливості кінематики буксового вузла з похило-встановленими повідками, що дозволяє здійснювати радіальну установку колісної пари.

Розроблено й модернізовано стендові установки, на яких проведені випробування трибосистеми колесо-рейка й виконані натурні випробування за визначенням траєкторії руху колісної пари в рейковій колії. Отримано залежності зміни коефіцієнта зчеплення від вертикального навантаження.

Розроблено імітаційну модель для дослідження тягово-динамічних якостей локомотивів, що враховує особливості конструкції екіпажної частини і зміна фрикційної взаємодії в системі колесо-рейка для кожного колеса.

Зроблено перевірку адекватності моделі для дослідження тягово-динамічних якостей локомотивів. Порівняння результатів моделювання локомотива 2ТЕ116 із серійним візком і цього же локомотива з візком із радіальною установкою колісних пар показало, що розбіжність результатів експериментальних даних за розрахунковими по максимальними величинами бічних сил у діапазоні швидкостей 10-30м/с склали 15%, за величинами коефіцієнтів вертикальної динаміки - до 5%, горизонтальної - до 10%. Результати розрахунку також показали, що жорсткістні характеристики буксової ступіні ресорного підвішування сутево впливають на зміну середньої по ділянці сили тяги, максимальних динамічних сил у системі "локомотив-шлях" і на перерозподіл вертикальних навантажень по колісних парах при тязі і гальмуванні для їхнього вирівнювання.

У результаті оцінки тягово-динамічних характеристик розглянутого рейкового транспортного засобу запропоновані оптимальні жорсткістні характеристики зв'язку буксового вузла з рамою візка, що дозволяють збільшити силу тяги, знизити динамічні сили і зношування колісних пар.

Розроблено й впроваджено пакет прикладних програм, які дозволяють робити оцінку тягово-динамічних якостей рейкового транспортного засобу в залежності від конструктивних змін.

Розроблено й використано рекомендації з внесення змін у конструкцію екіпажної частини рейкового транспортного засобу з метою поліпшення його тягових і динамічних якостей, одночасно полегшуюче вписування в криві ділянки шляху. За даним конструктивним рішенням отримані патенти №38098A МКИ B61C15/00, №38097А МКИ B61F5/26.

Результати розрахунків і експериментів підтвердили ефективність запропонованих конструкцій. Так при реалізації винаходу “Спосіб підвищення тягово-динамічних якостей локомотивів” (патент №38098A МКИ B61C15/00), перерозподіл навантажень між колісними парами в режимі тяги обернено пропорціонально коефіцієнтові використання зчіпної маси, при швидкості V=1,39м/с сила тяги зростає на 16%, а при швидкості V=2,78м/с на 10%. При використанні візка з радіальною установкою колісних пар зменшуються кути набігання направляючих колісних пар у кривих до 0 рад, і знижується величина горизонтальних направляючих зусиль до 20%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Вивденко Ю.Г., Спирягин В.И. Исследование конструкции колесной пары, позволяющей уменьшить боковые динамические силы// Вістник Східноукр. держ. ун-ту. - Луганськ: СУДУ. -1999. - Вип. 1(16). -С. 64-69.

2.Голубенко А.Л., Кашура А.Л., Горбунов Н.И., Спирягин В.И., Спирягин М.И Результаты экспериментального исследования на машине трения фрикционных свойств контакта колесо-рельс/Новые технологии железнодорожного транспорта: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств. Сб. научн. стат. с международн. участием Омского гос. ун-та путей сообщения. - Омск: ОмГУПС - 2000. - С. 274-277.

3.Горбунов Н.И., Спирягин В.И., Спирягин М.И, Заратуйченко А.А., Сун Енпин. Совершенствование стенда для исследования сцепления колеса с рельсом и испытания элементов буксового рессорного подвешивания// Вістник Східноукр. держ. ун-ту. - Луганськ: СУДУ. -2000. - Вип. 7(29). -С. 79-83.

4.Горбунов Н.И., Кашура А.Л, Костюкевич А.И., Спирягин В.И., Марченко Д.Н. Информационно-измерительный комплекс характеристик сцепления в контакте “колесо-рельс”// Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. - Луганськ: СНУ. -2001. - Вип. 7(41). -С. 89-95.

5.Горбунов Н.И., Спирягин В.И., Спирягин М.И. Исследование характеристик буксового узла с наклонными поводками// Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. - Луганськ: СНУ. -2001. - Вип. 7(41). -С. 96-104.

6.Горбунов Н.И., Кашура А.Л., Спирягин В.И., Спирягин М.И. Улучшение тягово-тормозных свойств локомотивов за счет применения микропроцессорных систем// Перспективні задачі інженерної науки. - Дніпропетровськ:GAUDEAMUS. - 2002. - Вип. 4.- С.168-172.

7.Патент України №38097А, МПК 6 В 61F5/26, опубл. 15.05.2001, бюл. №4. “Тривісний візок залізничного транспортного засобу” Горбунов М.І., Лучанінов О.В., Спірягін В.І., Спірягін М.І.

8.Патент України №38098А, МПК 6 В 61С15/00, опубл. 15.05.2001, бюл. №4. “Спосіб підвищення тягово-динамічних якостей локомотивів” Горбунов М.І., Кашура О.Л., Спірягін В.І., Спірягін М.І.

9.Патент України №52970А, МПК 7G01M1/04 опубл. 15.01.2003, бюл. №1 “Стенд для дослідження зчеплення колеса з рейкою та випробування елементів буксового ресорного підвішування залізничного рухомого складу”. Горбунов М.І., Кашура О.Л., Спірягін В.І., Спірягін М.І., Костюкевіч О.І., Міхєєв А.С.

10.Спирягин В.И. Исследование влияния жесткостных характеристик буксовой ступени рессорного подвешивания на силы взаимодействия колес с рельссами// Вісн. Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ: СНУ.-2003. - Вип. 9(67). -С. 70-75.

АНОТАЦІЯ

Спірягін В.І. “Поліпшення динамічної взаємодії локомотива і шляху ”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів. - Східноукраїнський національний університет ім.В.Даля, м. Луганськ, 2004.

Захищаються 7 наукових праць, 3 патенти, що містять дослідження питання оцінки впливу внесених змін у конструкцію екіпажної частини і її параметрів на динамічну взаємодію коліс рейкових транспортних засобів і рейок. На основі імітаційної моделі, складовою частиною якої є імітатор сил зчеплення, імітатор екіпажної частини і математична модель просторових коливань локомотива, за допомогою комплесного критерію виробляється оцінка тягово-динамічних якостей локомотива в кривих і прямих ділянках шляху, визначається зношення колісної пари за методикою теоретико-експериментального визначення фактора зношування. У запропонованій математичній моделі враховується взаємна робота механічної й електричної частин екіпажа, фрикційний стан контакту колеса з рейкою, подовжні коливання в складі поїзда, показується вплив жорсткістних характеристик ресорного підвішування і механізмів радіальної установки колісних пар на протікання динамічних процесів у системі „локомотив - шлях” у кривих і прямих ділянках у вертикальній і горизонтальній площинах. Проведено перевірку адекватності запропонованої імітаційної моделі шляхом порівняння результатів розрахунку з експериментальними даними.

Зроблено оцінку тягово-динамічних якостей тепловоза 2ТЕ116 c серійним виконанням візка і з візками обладнаними механізмом радіальної установки колісних пар, проведена оцінка зношування колісних пар для відповідних локомотивів,

запропоновано жорсткістні характеристики зв'язку колісної пари з рамою візка і конструкції, що поліпшують динамічні і тягові якості рейкового транспортного засобу.

Ключові слова: Рейковий транспортний засіб, буксовий вузол, поводок, візок, радіальна установка колісних пар, динамічні сили.

АННОТАЦИЯ

Спирягин В.И. “Улучшение динамического взаимодействия локомотива и пути”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов. - Восточноукраинский национальный университет им. В. Даля, г. Луганск, 2004.

Защищаются 7 научных робот, 3 патента, содержащие исследование вопроса оценки влияния вносимых изменений в конструкцию экипажной части и ее параметров на динамическое взаимодействие колес и рельсов рельсовых транспортных средств.

При выполнении диссертации, сделан обзор работ по совершенствованию конструкций экипажных частей из которого следует, что тележки с радиальной установкой колесных пар позволяют значительно снизить направляющие силы в кривых участках пути, на динамическое взаимодействие колес с рельсами влияют жесткостные характеристики рессорного подвешивания. Для выбора оптимальной конструкции экипажной части предложено использовать комплесный критерий, составляющими которого стали бальные оценки: коэффициента вертикальной динамики; величины вертикальной нагрузки при реализации силы тяги; коэффициента горизонтальной динамики в кривых участках пути; коэффициента горизонтальной динамики в прямых участках пути; рамной силы при движении в кривых участках пути; горизонтального ускорения буксового узла; горизонтального воздействия на путь от неподрессоренных масс локомотива; суммарных сил на путь в горизонтальной плоскости; физического коэффициента сцепления на загрязненных рельсах; угла набегания колеса на рельс.

В диссертационной работе проведено теоретическое и экспериментальное исследование кинематики буксового узла с наклонными поводками и реакций связи его с рамой тележки для различных вариантов установки поводков. Теоретически исследованы факторы, влияющие на процесс движения экипажа в кривой.

В результате численного эксперимента получена зависимость силы сцепления от относительного скольжения, температуры в зоне контакта колеса и рельса, фрикционного состояния поверхностей, вертикальной нагрузки, положения колеса относительно рельса и угла набегания колеса на рельс.

Создана имитационная модель движения экипажа, состоящая из имитатора силы сцепления, имитатора ходовой части и математической модели, позволяющая исследовать, с учетом взаимной работы механической и электрической частей локомотива, фрикционного состояния системы колесо рельс и продольных колебаний в составе поезда, тягово-динамические свойства локомотивов.

Проверка адекватности предложенной модели осуществлялась путем сравнения результатов расчета движения локомотива 2ТЭ116 с различными исполнениями тележек с экспериментальными данными, полученными ХК “Лугансктепловоз” и ВНИТИ. Сравнение показало, что отклонения результатов расчета от экспериментальных данных не превышало 15%. Что говорит о достаточной достоверности имитационной модели. Оценка тягово-динамических качеств локомотивов 2ТЭ116 с серийным исполнением тележки и с тележкой с радиальной установкой колесных пар показала преимущество последнего при движении в кривых участках пути, и сохранение им тягово-динамических качеств в прямых. Так, уменьшение направляющих и рамных сил на крайних колесных парах для скорости 30м/с составило до 30%. С помощью модели была произведена оценка эффективности предлагаемых конструкционных решений. В частности, была получена оценка разработанных решений, таких как способ перераспределения вертикальной нагрузки по колесным парам локомотива, который позволяет увеличить коэффициент использования сцепного веса от 4% до 16%; а также конструкции тележки с радиальной установкой колесных пар, позволяющей уменьшить углы набегания колес на рельсы до 0 рад и силы их взаимодействия в кривых до 30%.

Также было проведено исследование износа колесных пар локомотивов с тележками серийными и с радиальной установкой колесных пар по методике теоретико-экспериментального определения фактора износа колесной пары. Исследование показало, что износ гребней у локомотива с серийными тележками значительно выше на 15%.

Основными результатами работы являются: создание методики выбора оптимальной конструкции экипажной части на стадии проектирования, рекомендации по выбору жесткостных характеристик связи буксового узла с рамой тележки и кинематических схем буксовых узлов с наклонно установленными поводками; методика теоретико-экспериментального определения износа колесной пары.

Ключевые слова: Рельсовое транспортное средство, буксовый узел, поводок, тележка, радиальная установка колесных пар, динамические силы.

THE SUMMARY

Spiryagin V.I. Improvement of dynamic interaction between the locomotive and railway track.

Thesis in competition of the candidate of technical science on a speciality 05.22.07 - rolling stocks and train traction. Vladimir Dal's East Ukrainian National University, Lugansk, 2004.

The scientific position is presented in 7 scientific technical articles and 3 patents, which are research for the estimation of the influence of the change for the design of a locomotive underframe and its parameters on dynamic interaction between wheels of railway vehicles and

the rails. Usage of the imitation model, which is based on the imitator of adhesive forces, the imitator of locomotive underframe and mathematical model of locomotive, and by means of complex criterion allows for the estimation of dynamic tractive characteristics of the locomotive and for the forecast of wear of wheel pairs by using theoretic-experimental method for determination of a wear of wheel pair. The proposed mathematical model of the locomotive contains the cooperative work of mechanical and electric parts of the vehicle, friction conditions of rail-wheel contact, longitudinal oscillations of a train, the influence of the rigid characteristics of spring suspension and equipment for radial installation of wheel pair on dynamic processes in "locomotive-railway track" system for straight and curving parts on horizontal and vertical planes. The mathematical model was checked by means of comparison calculation results with experimental data.

The estimation of dynamic tractive characteristics of locomotive 2TE116 with serial bogies and with radial installation of wheel pairs' bogies was made. The estimation of a wear of wheel pairs for these two types of locomotives was executed. The rigid characteristics of the link between a wheel pair and a bogie and constructions for improving of dynamic and tractive characteristics were proposed.

Key words: a railway vehicle, an axlebox, an axlebox link, a bogie, radial installation of wheel pairs, dynamic forces.

Размещено на Allbest.ru

...