Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Горбунов Микола Іванович

Луганськ 2006 р.

Дисертація є рукописом.

Роботу виконано у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки й техніки України Голубенко Олександр Леонідович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, ректор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Коротенко Михайло Леонідович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. акад. В.А. Лазаряна, професор кафедри “Теоретична механіка”;

доктор технічних наук, професор Маслієв В'ячеслав Григорович, Національний технічний університет, “ХПІ”, професор кафедри “Електричний транспорт і тепловозобудування”;

доктор технічних наук, професор Головінов Геннадій Георгійович, Академія митної служби України, начальник кафедри “Транспортні системи й технології в митній справі”.

Провідна установа: Українська державна академія залізничного транспорту Міністерства транспорту України, кафедра “Експлуатація й ремонт рухомого складу”, м. Харків.

Захист відбудеться “30” березня 2006 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.03 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою:

91034, м.Луганськ, кв.Молодіжний, 20а, СНУ ім.Володимира Даля, корп.1.

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

Автореферат розіслано “27” лютого 2006р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Ю. І. Осенін

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Залізничний транспорт є одним з найбільших секторів світової економіки, що інтенсивно розвиваються. Щорічні капітальні вкладення на його розвиток у світі становлять, приблизно 70 млрд. доларів США, у тому числі на створення нового рухомого складу витрачається 25 млрд. доларів.

Тенденції розвитку світового і європейського залізничного транспорту створюють сприятливі умови для економіки України з огляду на сучасні плани її євроінтеграції, а також взаємну зацікавленість Євросоюзу й України в організації залізничних транспортних коридорів через українську територію, що зв'язують Європу з півднем Росії та країнами Азіатського регіону.

У зв'язку з цим надзвичайно важливим державним завданням є створення у найкоротший термін вітчизняного рухомого складу, що відповідає світовим і європейським стандартам щодо основних техніко-економічних показників. Вирішення цієї проблеми можливе на основі сучасних системних наукових принципів створення та комплексних випробувань нового рухомого складу, що забезпечують максимальний ефект і мінімізацію часових витрат з огляду на вибір, обґрунтування та прийняття конструкторсько-технологічних рішень.

Актуальність теми. Покращення техніко-економічних властивостей рухомого складу виправдане лише тоді, коли зазнані витрати співвідносяться з одержуваним прибутком від експлуатації поїзних засобів залізничного транспорту, що потребує постійного зниження витрат на розробку та комплексне випробування нової техніки.

У структурі витрат на рухомий склад залізниць значну частку становлять витрати, пов'язані з основними науковими дослідженнями, розробкою конструкції, лабораторними, стендовими й експлуатаційними випробуваннями тягового рухомого складу - локомотивів.

Як показав аналіз, дорогим і проблемним є створення й технічна реалізація екіпажної частини локомотива, що більшою мірою визначає його техніко-економічну ефективність як тягового транспортного засобу. Основна складність проблеми полягає в її міждисциплінарному характері, зумовленому тим, що наукові завдання, які визначають суть проблеми, стосуються компетенції різних наукових напрямів, методичних принципів і провідних теорій. Підтвердженням цього є складна й неоднозначна залежність тягово-зчіпних і тягово-динамічних якостей локомотива від фізико-механічних, матеріалознавчих, хімічних та інших факторів. Якщо при цьому врахувати багатоваріантність технічної реалізації отриманих наукових результатів, що багато в чому визначається конструкторськими, технологічними, економічними та соціальними підходами, то складність проблеми значно зростає.

Наявний досвід локомотивобудування переконує, що для вирішення проблеми створення екіпажної частини сучасного тягового рухомого складу із заданими тягово-динамічними якостями (за умови обов'язкової мінімізації часових і матеріальних ресурсів) необхідно керуватися новими методологічними принципами, що дозволяють, відповідно до вибраних критеріїв, раціоналізувати весь дослідний цикл, починаючи від одержання основних, фундаментальних наукових результатів, їхньої технічної реалізації й закінчуючи комплексними тягово-динамічними випробуваннями. Отже, тема роботи є актуальною науковою проблемою, що має велике значення для залізничного транспорту України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Проведені в дисертації дослідження є частиною “Державної науково-технічної програми розвитку залізничного транспорту України”; входять у плани: нової техніки “Укрзалізницi” і роботи Академії транспорту України, а також у міжвузівську науково-технічну програму. Отримані в дисертації результати й висновки реалізовані більш ніж у 20 галузевих господарських договорах і держбюджетних НДР: “Створення перспективних конструкцій засобів рейкового транспорту й обґрунтування їх ефективності на основі модульної інформаційної системи” (№ держ. рег. 0103U000422), “Автоматизована система управління (АСУ) надійністю та діагностика рухомого складу (РС) на стадії проектування й експлуатації” (№ держ. рег. 0105U008785), “Наукові основи створення інформаційних технологій системного проектування ходових частин перспективних транспортних засобів” (№ держ. рег. 0197U0083355), “Наукові основи, концепція і теорія створення перспективних конструкцій транспорту з покращеними енергетичними й екологічними характеристиками” (№ держ. рег. 0196U021048), “Розробка способів покращення тягових і динамічних якостей рейкового транспортного засобу” (№ держ. рег. 0193U02386), “Дослідження процесів реалізації сили тяги при впливі на локомотив зовнішніх динамічних збурювань” (№ держ. рег. 81012271), “Розробка й упровадження високоефективних систем і вузлів для перспективних тепловозів” (№ держ. рег. 0191U0008851), “Теоретичні й експериментальні дослідження фізико-хімічної механіки контактної взаємодії поверхонь катання коліс локомотива та рейок” (№ держ. рег. 0193U002458), “Розробка методів, що забезпечують перспективному рейковому рухомому складу необхідні зчіпні та динамічні якості” (№ держ. рег. 0193U002336), “Технічний комплекс з визначення жорсткості пружних зв'язків колісних пар з візком і кузовом та їх розташування в залізничній колії” (№ держ. рег. 0193U002366), “Розробка фізико-технічних основ високоефективних систем і технологій транспорту” (№ держ. рег. 0196U021047), “Методи ймовірнісного дослідження окремих типів багатоелементних механічних систем” (№ держ.рег. 0100U006292), “Розробка й упровадження інформаційно-пошукового комплексу для управління конструкторськими роботами за програмою розвитку залізничного транспорту України” (№135), “Створення інформаційно-керуючого комплексу на базі ЕОМ для випробувань залізничного транспорту” (№101), “Розробка, виготовлення й поставка комплекту пристроїв для накопичувального магнітного запису результатів експериментальних досліджень вузлів і агрегатів тепловозів і трамваїв” (№107), “Теоретичні й експериментальні дослідження зі зниження зносу в системі колесо-рейка за рахунок оптимізації пружно-дисипативних зв'язків у конструкції екіпажних частин тягового рухомого складу” (№144). “Провести прогнозні дослідження в області тепловозобудування відповідно до розділу “Машинобудівний комплекс КП НТП УРСР” до 2010 року” (№ держ. рег. 0189U90080433). “Удосконалювання динамічних і тягових якостей тривісного безщелепного візка із двома обмотореними осями” (№ держ. рег 0192U0039400) та ін. Здобувач був відповідальним виконавцем чотирнадцяти й керівником дев'яти тем.

Мета й завдання дослідження. Розробка теоретичних положень створення екіпажної частини локомотива на базі системного підходу, що спирається на теорію прийняття рішень, методологію експериментально-теоретичних досліджень, пошук і обґрунтування проектних конструкцій, їх лабораторні, стендові й експлуатаційні випробування.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі наукові завдання:

1. Розробка та реалізація структурно-функціональної моделі системного підходу до науково-дослідних робіт створення екіпажної частини локомотива.

2. Дослідження методів оцінки системи екіпажної частини локомотивів, її комплексна оцінка, аналіз і обґрунтування принципів удосконалювання.

3. Розвиток методу інтелектуальної підтримки прийняття рішень для обґрунтування вибору напрямів дослідження та проектних варіантів конструкцій, що використовує експертні оцінки й теорію корисності.

4. Розвиток методів теоретичного й експериментального дослідження трибосистеми (ТС) “колесо-рейка”, що базуються як на відомих раніше наукових положеннях, так і на отриманих у роботі. Вдосконалення математичної моделі зчеплення колеса і рейки з урахуванням впливу динамічних процесів при реалізації сили тяги, стану контакту, конструктивних особливостей екіпажа та колії.

5. Розробка комплексу спрощених математичних моделей визначення характеристик екіпажної частини рейкового транспорту для оперативного прогнозування їх якостей.

6. Розробка методів, способів і засобів експериментального дослідження екіпажної частини рейкового транспортного засобу і її складових; експериментальні дослідження на стендовому устаткуванні та натурному екіпажі для побудови характеристик в імітаційній математичній моделі (ІММ).

7. Удосконалювання методів побудови математичних моделей просторового руху локомотива за даними експериментальних досліджень окремих вузлів екіпажа, характеристик колії й особливостей зчеплення кожного колеса локомотива з рейкою, створення ІММ екіпажа в режимі реалізації сили тяги, вибігу й гальмування на прямих і кривих ділянках колії.

8. Наукове узагальнення й розробка практичних рекомендацій, що забезпечать покращення тягово-динамічних якостей залізничних екіпажів, створення, випробування та практичну реалізацію нових схем і конструкцій ходової частини рейкового транспортного засобу.

9. Створення інформаційно-вимірювального обчислювального комплексу (ІВОК) і програмно-апаратних засобів для проведення стендових і експлуатаційних випробувань рухомого складу, обробки їхніх результатів і управління процесом дослідження.

Об'єкт дослідження. Екіпажна частина локомотива, її тягово-динамічні якості та процеси створення.

Предмет дослідження. Процеси в екіпажній частині локомотива та принципи технічної реалізації наукових результатів.

У вступі обґрунтовано актуальність і новизна тематики роботи, сформульовано цілі та завдання дисертації, вибрано об'єкт і методологію дослідження, сформовано основні напрями вирішення проблеми.

У першому розділі проведено аналіз наукових праць з проблеми створення екіпажних частин локомотивів, визначено найбільш актуальні завдання вдосконалювання теоретичних і експериментальних досліджень, що забезпечують ефективність робіт зі створення нової техніки. Зроблено огляд критеріїв оцінки тягових і динамічних якостей локомотива, наявних моделей зчеплення колеса з рейкою, використовуваних при моделюванні руху екіпажів у рейковій колії, аналіз особливостей моделювання руху локомотивів, що працюють у режимі тяги (гальмування), і сучасних тенденцій розвитку залізничного транспорту.

Для досягнення поставленої мети розроблено структурно-функціональну схему системного підходу при створенні екіпажної частини локомотивів. Вона складається з таких етапів: визначення й оцінка основних напрямів досліджень; підготовка та прийняття рішень щодо проблеми створення екіпажної частини з покращеними функціональними якостями; розробка теоретичних і експериментальних методів проведення досліджень, спрямованих на пошук найкращого рішення, з використанням математичного моделювання, декомпозиційоного аналізу й регулювання; аналіз, узагальнення й оцінка результатів; реалізація ухвалених рішень з науковим обґрунтуванням і дослідно-експериментальним підтвердженням.

Теоретичні й експериментальні методи дослідження динаміки та тяги рухомого складу, зчеплення колеса локомотива з рейкою одержали значний розвиток у працях А. І. Бєляєва, І. В. Бірюкова, Є. П. Блохіна, В. О. Браташа, В. Ф. Веріго, С. В. Вершинського, О. Л. Голубенка, В. Н. Данилова, В. Д. Дановича, Ю. В. Дьоміна, А. С. Євстратова, В. В. Іванова, І. П. Ісаєва, А. А. Камаєва, Д. Є. Кармінського, А. Я. Когана, О. М. Коняєва, М. Л. Коротенко, С. М. Куценка, В. А. Лазаряна, А. А. Львова, В. Г. Маслієва, В. Б. Меделя, Д. К. Мінова, Г. С. Михальченка, А. П. Павленка, Е. Д. Тартаковського, Т. А. Тібілова, А. Н. Савоськіна, В. Ф. Ушкалова, В. Д. Хусидова та ін., а також зарубіжних учених Жолі, Калкера, Картера, Креттека, Мюллера, де Патера та ін.

Досвід проектної та дослідної роботи зі створення екіпажів показує, що одним з найважливіших завдань є вибір критеріїв оцінки їхніх якостей.

Тягові якості локомотивів оцінюються експериментальними й теоретичними методами. Експериментальна оцінка можлива при наявності натурного зразка або моделі локомотива і є дорогим і трудомістким процесом. Результатом багаторічних досліджень і узагальнень експериментальних даних переважно є формули з визначення розрахунково-нормативного коефіцієнта зчеплення для різних типів локомотивів. Теоретичні методи, у свою чергу, можна розділити на кількісні і якісні, першим надається перевага. Доцільно тягові якості локомотива оцінювати двома критеріями: середньою по ділянці руху силою тяги (F0), що він може довго розвивати без зриву в боксування, і коефіцієнтом використання зчеплення (при рухові в режимах тяги (0) і гальмування ()), які враховують динамічні процеси руху екіпажа:

,

,

,

де й - сила зчеплення та вертикальне навантаження колісної пари, що лімітує, відповідно.

Динамічні якості локомотива оцінюються за величинами сил і прискорень та коефіцієнтами горизонтальної та вертикальної динаміки, оскільки по них є найбільш багатий експериментальний матеріал.

Часто покращення тягових якостей локомотивів може викликати погіршення їхньої динаміки. Тому оцінка такої технічної системи, як рейковий транспортний засіб, є складним завданням. Вирішити його можна за допомогою комплексного показника, що враховує основні властивості транспортного засобу, такі, як швидкість, потужність, надійність, показники динаміки, тягові якості та ін. Порівняння комплексних показників різних конструкцій допомагає об'єктивно виявляти кращі.

Для рейкового рухомого складу підходить поняття технічної цінності, визначеної як сукупність якостей (вектор) технічних властивостей, а саме: властивості функціонування, обслуговування та виробництва. Сюди можна віднести також технологічність і конструктивні властивості. Отже, узагальнену оцінку визначаємо як векторну суму (радіус-вектор), компонентами якого є оцінки вищезгаданих властивостей.

Моделювання руху рейкового екіпажа використовується для перспективної оцінки тягових і динамічних якостей локомотива. Модель повинна адекватно описувати реальні процеси, тому в ній ураховують просторові коливання екіпажа, тяговий момент і електродинамічні процеси в приводі, зчеплення кожного колеса з рейкою та ін. Імітаційні моделі, побудовані за результатами дослідних експериментальних даних, більш вірогідно відображають реальні процеси.

Проведений огляд літератури показує, що ефективність використання тягової одиниці рейкового транспортного засобу здебільшого залежить від процесів зчеплення в контакті “колесо-рейка”, які, у свою чергу, зазнають багатофакторного впливу динамічних, кінематичних, реологічних, технологічних та інших складових руху й реалізації тягового зусилля рейковим екіпажем. Тому моделювання сил зчеплення є досить складним і важливим завданням.

Аналіз шляхів і методів удосконалювання екіпажної частини локомотива показав, що вдосконалювання, у більшості випадків, проводиться на рівні модернізації окремих підсистем і вузлів: букс, колісно-моторних блоків (КМБ), колісних пар, зв'язків кузова з візками, гасителів коливань та ін. Крім того, сучасні розробки не мають комплексного характеру як щодо постановки завдання, так і методів його вирішення (удосконалювання тягових, динамічних, за впливом на колію, гальмових властивостей екіпажів).

Накопичений досвід створення й експлуатації тягових одиниць рейкового транспорту та теоретичний апарат дозволять більш ефективно вирішувати завдання проектування екіпажів на базі системного підходу шляхом розвитку теоретичних положень і методів експериментальних досліджень.

У другому розділі розроблено алгоритм прийняття рішень з проблеми створення екіпажів локомотивів, що поєднує метод експертних оцінок для визначення напряму досліджень і теорію корисності для вибору варіанта конструктивного виконання рейкового рухомого складу. Ця проблема включає багатокритеріальне завдання вибору альтернатив. Найчастіше вона вирішується на основі суб'єктивних оцінок і, незважаючи на величезну підготовчу роботу у вигляді аналізу численних наукових даних, не завжди дає позитивний результат. Як будь-яке інженерне та наукове завдання, воно вимагає кількісних оцінок.

Для цих цілей годиться метод експертних оцінок, що передбачає інтелектуальну підтримку прийняття рішень шляхом опитування експертів і аналізу літературних і виробничих даних з метою ранжирування всіх факторів за ступенем їхнього впливу на вихідну величину. Як показав досвід, звертання до експертних оцінок при вирішенні завдань наукового й економічного характеру себе виправдало. Тому в дисертації напрями досліджень визначені за допомогою дворівневого ранжирування.

Обробка й аналіз результатів експертного опитування показав, що найбільш ефективними є заходи, основані на перерозподілі вертикальних навантажень, тягових і гальмових моментів по колісних парах рейкових засобів. Дієвими є: використання гребенезмащувачів, радіальна установка колісних пар, піскові системи з дозованою подачею піску, збалансоване ресорне підвішування колеса, що роздільно обертаються та ін. Тобто це ті заходи, використання яких доцільно проводити при проектуванні найсучасніших видів рейкового транспорту.

Остаточним результатом досліджень є створення тягового рухомого складу нової конструкції. Оскільки завжди існують варіанти конструктивного виконання об'єкта, то вибрати найбільш прийнятний доцільно на основі прийнятих критеріїв (1-7: коефіцієнт вертикальної, горизонтальної динаміки, величина вертикальних, горизонтальних сил, коефіцієнт використання зчіпної маси, сумарна на ділянці колії сила тяги, комплексний критерій) з використанням апарата теорії корисності як багатокритеріального, статистичного, недетермінованого методу ухвалення рішення.

Розроблений метод дозволив вирішити завдання вибору найкращого з двох варіантів конструктивного виконання трамвайного вагона ЛТ10 і ЛТ20 ХК "Луганськтепловоз". Значення характеристик щодо кожного з варіантів, які отримані розрахунковим шляхом, подано в табл. 1.

Таблиця 1 - Характеристика порівнюваних варіантів конструктивного
виконання трамвайного вагона

Використовуючи шість графіків з визначеними точками рівноцінності й додаткову умову , створюємо систему лінійних рівнянь:

Розв'язавши систему, одержуємо значення шкальних коефіцієнтів: k1 = 0,193, k2 = 0,116, k3 = 0,125, k4 = 0,0965, k5 = 0,193, k6 = 0,119, k7 = 0,154.

Отже, багатовимірна функція цінності може бути представлена у вигляді:

або

За формулою (3) виконано розрахунки цінності для обох варіантів конструктивного виконання. Ці значення для даного прикладу;. Таким чином, видно, що екіпаж ЛТ20 вважається кращим, тому конструктивні зміни в ньому виправдані.

Запропонований алгоритм дає можливість обробляти та відображати знання фахівців (фактів, досвіду, правил), прискорювати вирішення складних проблем за рахунок використання емпіричних правил побудови логічних ланцюжків висновків і способів дій незалежно від суб'єктивної оцінки особи, що приймає рішення. Він забезпечує прийняття обґрунтованих рішень на всіх стадіях створення екіпажної частини.

У третьому розділі проведено комплексні дослідження й установлено нові закономірності реалізації зчеплення в контакті "колесо-рейка".

Аналіз сучасних моделей зчеплення дозволяє зробити висновок про недостатнє врахування факторів і їхніх зв'язків, що впливають на процеси тяги й динаміки та ефективність роботи локомотива в цілому. Тому для більш точного моделювання руху ходової частини потрібен дальший розвиток моделі зчеплення в контакті "колесо-рейка".

Проведення експериментальних досліджень процесів зчеплення здійснено на створених натурному стенді та машині тертя, які дозволяють вивчити вплив динамічних і трибологічних факторів. Структурні та принципові схеми стенда й машини тертя зображено на рис.1 і 3.

Моделювання на стенді відрізняється від реального процесу руху колеса по рейці тим, що змінено місце приєднання обмежуючого зв'язку, який дозволяє лінійні переміщення тільки одному з тіл силової передачі руху "колесо-рейка".

На стенді отримано залежності коефіцієнта зчеплення від різних факторів (нерівнопружності колії, динаміки крутного моменту та ін.), що є складовими імітаційної моделі, розгляду якої присвячені наступні розділи роботи. Так, наприклад, зміна амплітуди коливань крутного моменту ТЭД від 5 до 25 кН*м знижує коефіцієнт зчеплення на 20-25% залежно від вертикальної жорсткості колії.

Для дослідження явища очищення рейки, а також впливу фрикційного стану контакту вдосконалено машину тертя. Вона являє собою механізм, що здійснює реалізацію тягового зусилля з регульованими силовими парами - робочими роликами на натурній рейці.

На машині тертя досліджені залежності коефіцієнта тертя від питомого тиску в контакті при різному фрикційному стані поверхні рейки. Ці результати описані рівнянням регресії:

f 0 = a0+ a1*у + a2 *у2 ,

де f0 - коефіцієнт тертя, a0, a1, a2 - коефіцієнти кореляції.

Дослідження ефекту очищення рейки колесами, які рухаються попереду, показали, що функції розподілу коефіцієнта тертя підвладні нормальному закону розподілу й можуть бути представлені для кожного стану рейки:

;

;

.

За результатами експериментального дослідження отримано залежності коефіцієнта тертя ковзання від питомого тиску, швидкості ковзання й температури в зоні контакту, а також динамічних процесів і явища очищення рейки; одержала розвиток математична модель зчеплення.

Величина питомого тиску та швидкість ковзання є визначальними для температури в контакті. Тому при розгляді залежності коефіцієнта тертя виключено швидкість ковзання, і завдання звелося до визначення

f = f(у,И).

Експериментальні дані найкраще описувалися рівнянням

,

де И, у - відповідно температура та питомий тиск у зоні контакту; k - коефіцієнт, що підбирався індивідуально для кожного фрикційного стану.

Модель зчеплення реалізується послідовним вирішенням двох задач: нормальної та тангенціальної. Нормальна задача вирішена на основі подання контактуючих тіл у вигляді пружних півпросторів числовими методами, у результаті чого визначено координати точок початкового дотику коліс колісної пари з рейками, форма й розміри плями контакту колеса з рейкою, розподіл по ньому нормальних напруг (i,j). Ці результати є вихідними даними для вирішення тангенціальної задачі.

Метою вирішення тангенціальної контактної задачі є визначення сили зчеплення колеса (колісної пари) локомотива з рейкою (рейковою колією). У результаті її вирішення отримано апроксимаційні залежності, які можна використовувати безпосередньо в рівняннях руху рейкового екіпажа при моделювання процесів зчеплення коліс локомотива з рейками:

,

де A1, A2, A3, A4, A5 - коефіцієнти рівняння; - вектор ковзання; - відносне ковзання, [%]; T1, T2 - коефіцієнти, що враховують фрикційний стан поверхонь контакту; T3, T4 - вертикальне навантаження, T5 - швидкість руху; T6, T7 - поперечне переміщення колеса щодо рейки; T8 - кут набігання; Т9 - жорсткість рейкової колії й положення колеса по ходу руху; Т10 - коливання крутного моменту (табл. 2).

Крім процесів зчеплення, найважливішими характеристиками екіпажа при моделюванні його руху є характеристики окремих вузлів і зв'язків. Їхні параметри багато в чому визначають як тягово-динамічні якості ходової частини, так і процеси, що відбуваються в контакті.

Автором створені: статистичний і динамічний стенди дослідження зв'язків кузова з візками; буксових вузлів; гасителів коливань; характеристик колії під колесами візка; пристрої для комплексних досліджень характеристик зв'язків на натурному екіпажі. Новизна технічних рішень щодо цих розробок підтверджена авторськими свідоцтвами на винаходи: №1211622; №1643985; №1532833; №1442857; №1478074 та ін.

У дисертаційній роботі представлено характеристики ресорного підвішування різних типів екіпажів, отримані в ході проведених випробувань, характеристики колії, а також розроблені автором способи й методи проведення експериментів.

Створене стендове устаткування, що є складовою інформаційного вимірювального й обчислювального комплексу, використано для дослідження пропонованих до реалізації на сучасних локомотивах технічних рішень.

У четвертому розділі створено спрощені математичні моделі розрахунку коефіцієнта використання зчіпної маси локомотива та поперечних сил при вписуванні екіпажа в криві ділянки колії для попередньої оцінки проектних рішень.

Розрахункові схеми й позначки подано на рис. 4, 5. При складанні рівнянь, що описують взаємодію елементів локомотива й колії, прийнято такі припущення: локомотив знаходиться на твердій та ідеально плоскій колії (єдиною причиною виникнення додаткових вертикальних навантажень з боку підресорених частин є сила тяги); всі елементи екіпажа, крім ресор, представлені

Таблиця 2 - Коефіцієнти рівняння регресії для визначення сили зчеплення колеса з рейкою при різних поєднаннях контактуючих тіл

як тверді тіла; поздовжнє тягове зусилля від колеса до рами візка рівномірно передається двома буксовими повідками; локомотив розглядається як плоска система, симетрична щодо поперечної вертикальної площини, яка проходить через центр кузова; тертя в ресорному підвішуванні й автозчепленні відсутнє.

На розробленій і доповненій математичній моделі проведено розрахунки коефіцієнта використання зчіпної маси (КВЗМ) і перерозподілу вертикальних навантажень по колісних парах шестивісного локомотива з двома необмотореними осями, впливу на них зміни характеристик локомотивів у процесі експлуатації від проектних.

Для варіантів конструктивного виконання ходової частини, основні параметри яких близькі до відповідних параметрів локомотива ТЭ140ГК, проведено розрахунки характеристик руху в кривих екіпажів тепловозів.

У результаті розрахунків отримано силові характеристики та характеристики зносу при рухові екіпажів у кривих з радіусами від 80 до 800 м, а також проведено параметричний аналіз ходових частин з варіюванням значень величини поздовжнього зсуву шворня щодо середини 3-вісного візка, поперечної жорсткості першого та другого ступенів ресорного підвішування, величини непідресореної маси та ін. Виконані розрахунки стали основою для вибору напряму в створенні екіпажів тепловоза ТЭ136 і дизель-поїзда ДПЛ-1. За результатами досліджень створено проектну документацію модернізації тепловоза 2М62 (тривісний візок з двома обмотореними осями), розроблено рекомендації й установлено зв'язки кузова з візком на локомотиві 2ТЭ116 №895. локомотив рейковий транспорт паровоз

У п'ятому розділі одержали дальший розвиток теорія досліджень характеристик екіпажів локомотивів на основі розробки й обґрунтування імітаційної математичної моделі, що дозволяє вивчати властивості ходової частини моделюванням складних фізичних процесів при точному визначенні вихідних даних і кількісно оцінювати вплив кожного вихідного параметра на одержувані результати. Модель використовує експериментально отримані нелінійні характеристики пружних зв'язків екіпажа й колії, зчеплення колеса з рейкою та ін.

В основу побудови математичної моделі просторового руху шестивісного локомотива (рис. 6) закладено загальноприйняті передумови. Крім того, величина сили зчеплення визначається окремо для кожного колеса залежно від швидкості руху екіпажа, швидкості ковзання контактуючих тіл, вертикального навантаження, фрикційного стану, профілів коліс і рейок, їхнього взаємного розташування. Для розрахунків сили зчеплення колеса з рейкою використано розроблену модель фрикційної взаємодії; поздовжня швидкість локомотива визначається в процесі інтегрування диференціальних рівнянь руху й жодних обмежень на її величину не накладається; бандаж і рейка мають довільні профілі і їх взаємодія визначається за розробленою методикою; ураховуються електродинамічні процеси при роботі ТЕД і поздовжні коливання складу вагонів.

Для складання диференціальних рівнянь руху екіпажа використано рівняння Лагранжа другого роду. Система диференціальних рівнянь представлена у вигляді:

,

де - матриці інерційних, дисипативних і пружних коефіцієнтів відповідно; - вектори прискорень, швидкостей і переміщень тіл в узагальнених координатах; -вектор узагальнених сил.

Роз'вязання рівнянь перебуває в часовій області у вигляді вектора стану {x}:

.

На основі створеної математичної моделі складено програму для дослідження просторових коливань екіпажа локомотива, що рухається в різних режимах по колії шляху довільного профілю в плані. Ця програма дозволяє досліджувати просторові коливання локомотивів у режимах тяги, вибігу й гальмування.

З диференціальних рівнянь обчислюються всі лінійні та кутові переміщення кузова, рам візків, колісних пар і тягових електродвигунів, сила струму в ланцюгах двигунів, сили зчеплення в контакті коліс із рейками, вертикальні й поперечні горизонтальні переміщення рейок, поздовжні переміщення вагонів, а також відповідні швидкості та прискорення тіл системи. Отримані результати використовуються для визначення величин, що характеризують динамічні й тягові якості локомотива.

Результати розрахунків динамічних процесів тестувалися за даними ходових випробувань тепловозів 2ТЭ-116, проведених відділом динамічних і міцнісних випробувань ХК "Луганськтепловоз" і Всеросійським науково-дослідним тепловозним інститутом (м. Коломна) (наприклад, табл. 3). Використання розробленої моделі зчеплення, облік нерівножорсткості колії і реальних характеристик зв'язків та ін. дозволяє адекватно описати процеси, що відбуваються при рухові локомотива, уточнити кількісні і якісні характеристики.

Таблиця 3 - Зіставлення результатів розрахунків з дослідними даними за величинами коефіцієнтів горизонтальної та вертикальної динаміки

У процесі створення екіпажів локомотивів на основі декомпозиційного морфологічного аналізу з дальшим елементним і комплексним регулюванням створено велику кількість варіантів ходової частини і її складових.

Розрахунки на ІММ підтвердили ефективність розроблених автором конструктивних рішень, що забезпечують покращення умов реалізації сил тяги й гальмування локомотива та його динамічних якостей, основаних на принципах перерозподілу тягових моментів, вертикальних навантажень по колісних парах і застосування пісочниць, конструкції опор кузова на візки, гасителів коливань, візків з радіальною установкою колісних пар і перерозподілу навантажень при реалізації сили тяги, за якими отримано авторські свідоцтва й патенти. Їх практична реалізація здійснена на тепловозах 2ТЭ116, 2ТЭ121, ТЭМ2, ТЭП150.

У шостому розділі вирішено завдання обґрунтування конструкції, принципово нової структурно-кінематичної схеми екіпажа на прикладі проектного трамвайного вагона ЛТ-20 на базі створення ІММ його просторового руху.

На рис. 7 представлено загальний вигляд розглянутої моделі ходової частини транспортного засобу. При створенні ІММ прийнято апробовані в попередньому розділі принципи моделювання руху екіпажів локомотивів.

Для оцінки тягово-динамічних якостей створюваного трамвайного вагона проведено низку досліджень: рух у режимі тяги й на вибігу в прямих і кривих ділянках колії. Розрахунки виконані для мінімального, номінального й максимального завантаження.