Удосконалення демпфуючих якостей ресорного підвішування пасажирських вагонів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля

УДК 629.45.027.2.3

69.14.018.8:669.15-194.56(043.3)

Спеціальність 05.22.07 - рухомий склад залізниць та тяга поїздів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ ДЕМПФУЮЧИХ ЯКОСТЕЙ РЕСОРНОГО ПІДВІШУВАННЯ ВІЗКІВ ПАСАЖИРСЬКИХ ВАГОНІВ

Жижко Вікторія Володимирівна

Дніпропетровськ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв'язку України на кафедрі "Вагони і вагонне господарство".

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Мямлін Сергій Віталійович Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна, проректор з наукової роботи

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник Радченко Микола Олексійович Інститут транспортних систем і технологій Національної академії наук України (ТРАНСМАГ), провідний науковий співробітник

- кандидат технічних наук, доцент Кашура Олександр Леонідович Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, доцент кафедри "Залізничного транспорту"

Захист відбудеться 23 грудня 2010 р. в 13⁰⁰ год на засіданні спеціалізованої ради Д 29.051.03 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, квартал Молодіжний, 20а.

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

Автореферат розісланий 22.11.2010 р.

В. о. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради, д.т.н., професор П.Л. Носко

Анотації

Жижко В.В. Удосконалення демпфуючих якостей ресорного підвішування пасажирських вагонів - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - рухомий склад залізниць і тяга потягів. Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, м. Луганськ, 2010.

Дисертація присвячена удосконаленню демпфуючих якостей ресорного підвішування пасажирських вагонів для поліпшення їх динамічних якостей. Вперше розроблена математична модель пневморесори, яка дозволяє ураховувати якості реального газу при демпфуванні. Удосконалена математична модель просторових коливань пасажирського вагона з візками на пневморесорах, для визначення раціональних параметрів центрального підвішування. Визначені оптимальні параметри ресорного підвішування для досягнення швидкості руху до 200 та до 300км/год. Досліджено показники ходових якостей пасажирського вагона на візках моделі КВЗ-ЦНИИ, 68-7007, 68-7041, виконано порівняльний аналіз цих показників між собою, а також з нормативними значеннями. Проведено оцінку економічної ефективності покращення параметрів ресорного підвішування, виконано розрахунок затрат електроенергії на тягу пасажирського поїзда з візками різних конструкцій, які мають паспортні та оптимальні параметри ресорного підвішування вагона.

Ключові слова: ресорне підвішування, пневматичні і гідравлічні гасителі, динамічна навантаженість, демпфуючі якості, теоретичні дослідження, оптимальні параметри, візок.

Жижко В.В. Усовершенствование демпфирующих качеств рессорного подвешивания тележек пассажирских вагонов. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - подвижной состав железных дорог и тяга поездов. Восточноукраинский национальный университета имени Владимира Даля, Луганск, 2010.

В работе рассматривается совершенствование демпфирующих качеств рессорного подвешивания тележек пассажирских вагонов для улучшения их динамических показателей. Сформулирована цель, поставлены задачи исследования.

Выполнен обзор конструкций тележек пассажирских вагонов европейских стран, рассмотрены их основные конструктивные особенности. Наиболее перспективными, определены тележки безлюлечной конструкции и имеющие раздельное гашение колебаний.

Рассмотрена тележка отечественного производства модели 68-7007, которая по своим техническим характеристикам и основным динамическим показателям не уступает западным аналогам.

Выполнен анализ технической и патентной литературы основных конструкций систем гашения колебаний рельсовых экипажей, с использованием пневматических и гидравлических гасителей. Определены перспективные конструкции рессорного подвешивания тележек пассажирских вагонов, к которым относится рессорное подвешивание с пневморессорами.

Разработаны технические решения в области совершенствования рессорного подвешивания тележек пассажирских вагонов. Представлена система гашения колебаний, которая предполагает двойное управляющее воздействие на пневмоподвешивание.

Предложено описание математической модели перетекания реального газа в различных пневмосистемах. Определены параметры демпфирования с учетом конструктивных особенностей и принятых технических характеристик. Данная модель использована как составная часть более полной математической модели пространственных колебаний пассажирского вагона, в которой применяются пневматические амортизаторы и гасители колебаний.

Усовершенствована математическая модель пространственных колебаний пассажирских вагонов для изучения их динамической нагруженности при движении по прямолинейным участкам пути с учетом возможности расчета упруго-вязких параметров всех ступеней рессорного подвешивания.

Выполнены расчеты по определению прочностных характеристик пружин центрального и буксового рессорного подвешивания тележек при использовании их под пассажирскими вагонами модели 61-779 и определены соответствующие динамические показатели, которые по результатам расчетов удовлетворяют требованиям нормативной документации.

Выполнены сравнительные расчеты в диапазоне скоростей до 250 км/ч для пассажирского вагона на тележках КВЗ-ЦНИИ и вагона модели 61-779 на тележках 68-7041. Величины всех динамических характеристики показателей износа лучшие для вагонов на тележках модели 68-7041.

Выполнены теоретические исследования динамической нагруженности пассажирского вагона при движении по прямолинейному участку пути со скоростями до 250 км/ч с целью определения динамических показателей вагона при различной массе кузова. Выполненные исследования показали, что при незначительном изменении жесткости пневморессоры (484-567 кН/м вертикальная и 201-235 кН/м горизонтальная) динамические показатели центральной ступени и плавности хода близки по значению.

Для улучшения динамических показателей в буксовой ступени подвешивания выполнены расчеты, при которых величина Кдгб не выходила бы за допустимые значения при скоростях до 200 км/ч. Для этого подбиралась величина рабочего хода и вязкость демпфера буксового подвешивания в поперечном направлении.

В результате выполненных теоретических исследования динамической нагруженности пассажирского вагона определены оптимальные параметры рессорного подвешивания для достижения скорости движения до 300 км/ч.

Для проверки правильности принятых технических решений выполнены экспериментальные исследования пассажирских вагонов. Проведены испытания пассажирского вагона модели 61-779ЭГ на тележках 68-7041 с пневматическим рессорным подвешиванием. Определены показатели ходовых качеств опытного вагона и выполнена оценка соответствия этих показателей нормативным значениям, в том числе показателей безопасности движения. По результатам испытаний видно, что значения, полученные в ходе эксперимента, значительно лучше нормативных.

Произведена оценка экономической эффективности улучшения параметров рессорного подвешивания рельсовых экипажей. Выполнены расчеты затрат электроэнергии на тягу пассажирского поезда. Снижение расхода электроэнергии для вагонов на тележках 68-7007 составляет до 8,5 %, а для вагонов на тележках 68-7041 - до 17,6 %. После определения оптимальных параметров рессорных комплектов тележек 68-7007 и 68-7041 дополнительное снижение расхода электроэнергии на тягу пассажирского поезда для тележек 68-7007 составляет до 7,3 %, а для тележек 68-7041 - до 2,9 %.

Таким образом, выбраны рациональные значения параметров рессорного подвешивания тележек пассажирских вагонов, которые способствуют улучшению их демпфирующих качеств.

Ожидаемый ежегодный экономический эффект от внедрения результатов выполненных научно-технических исследований по работе, исходя из программы производства 100 вагонов в год, составляет 1,5 млн грн.

Ключевые слова: рессорное подвешивание, пневматические и гидравлические гасители, динамическая нагруженность, демпфирующие качества, теоретические исследования, оптимальные параметры, тележка.

Zhyzhko V.V. Improvement of damping qualities of bogie's spring suspension of passenger cars - Manuscript.

Dissertation for the degree of Doctor of Science by occupation 05.22.07 - railway rolling stock and haulage of trains. Eastern Ukrainian national university named after Vladimir Dal, Lugansk, 2010.

Improvement of damping qualities of bogie's spring suspension of passenger cars for improvement its dynamical parameters are being researched in the work. For the first time developed mathematical model of pneumatic spring, that allows to take into account properties of real gas during damping. Improved mathematical model of dimensional vibrations of passenger car on bogies with pneumatic springs, with the aim of determine the rational parameters of central suspension. Optimal parameters of spring suspension, for reaching movement speed till 200 km/h and 300 km/h were determined. Indexes of running qualities of passenger car with models of bogies КВЗ-ЦНИИ, 68-7007, 68-7041 were researched, and also was completed comparative analyze of this indexes between each other and with their normative value. Cost-effectiveness analysis of improving parameters of spring suspension of rail carriages was made, also was calculated power costs on hauling of passenger train with different construction of bogies with passport and optimal parameters of railway car spring suspension.

Key words: spring suspension, pneumatic and hydraulic dampers, dynamical load, damping qualities, theoretical research, optimal parameters, bogie.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. З метою підвищення конкурентоспроможності залізничних пасажирських перевезень необхідне збільшення швидкості руху при незначному підвищенні вартості проїзду і задовільних умовах комфорту. Виконання поставлених завдань неможливе за допомогою існуючого експлуатаційного парку пасажирських вагонів, який фізично і морально застарів і не спроможний забезпечити в повному обсязі пасажирські перевезення як у внутрішньому, так і в міждержавному сполученні. Покращення характеристик пасажирських вагонів є важливим науково-технічним завданням. Одним з основних конструктивних елементів пасажирського вагона, який визначає динамічні характеристики екіпажа в цілому, є візок, тому тема дисертаційної роботи, пов'язана з удосконаленням демпфуючих якостей ресорного підвішування візків, є актуальною для залізничного транспорту.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до основних напрямів розвитку науки і техніки, Державної програми розвитку рейкового рухомого складу залізниць України на 2006 - 2020 рр. Напрям наукових досліджень відповідає також планам науково-дослідних робіт Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна і Транспортної академії України в галузі безпеки руху, вдосконалення конструкції і динаміки рухомого складу за наступними темами: "Вибір раціональних параметрів ресорного підвішування візка моделі 68-7007" (№ д. р. 0106U007471); "Теоретичні дослідження динаміки пасажирського вагона для швидкостей руху до 250 км/год" (№ д. р. 0106U007472); "Оптимізація міцнісних характеристик металоконструкцій кузова пасажирського вагона" (№ д. р. 0106U007473); "Теоретичне обґрунтування раціональних параметрів пневморесор пасажирських вагонів" (№ д. р. 0108U000643); "Теоретичні дослідження динамічної навантаженості пасажирських вагонів моделі 61-788Д з вибором раціональних параметрів пневмопідвішування візків для швидкостей до 200 км/год" (№ д. р. 0109U008691); "Програмне забезпечення для тренажерного комплексу машиніста електровоза" (№ д. р. 0100U004131); "АРМ для розрахунків режимних карт руху пасажирських поїздів на дільниці Київ-Жмеринка (електровози ЧС-4, ЧС-8)" (№ д. р. 0196U23137); "Впровадження програмного комплексу "Тяговий розрахунок"" (№ д. р. 0194U002715), за якими автор є виконавцем і автором звітів.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є вдосконалення демпфуючих якостей ресорного підвішування візків пасажирських вагонів для поліпшення їх динамічних показників та збільшення швидкості руху.

Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

- виконати огляд та аналіз конструкцій візків пасажирських вагонів;

- визначити основні тенденції розвитку конструкцій візків пасажирських вагонів для швидкісних і звичайних перевезень;

- розробити математичні моделі просторових коливань пасажирських вагонів для вивчення їх динамічної навантаженості під час руху по прямолінійних і криволінійних ділянках колії з урахуванням особливостей конструкцій візків і можливості розрахунку пружно-в'язких параметрів всіх ступенів ресорного підвішування;

- вибрати вихідні дані й виконати теоретичні дослідження динамічної навантаженості пасажирських вагонів з урахуванням покращених параметрів ресорного підвішування візків;

- розробити рекомендації з визначення раціональних параметрів ресорного підвішування візків пасажирських вагонів з умов поліпшення динамічних якостей вагонів;

- виконати розрахунки економічної ефективності запропонованих рекомендацій.

Об'єкт дослідження - процес динамічної навантаженості пасажирських вагонів.

Предмет дослідження - ресорне підвішування візків пасажирських вагонів з урахуванням поліпшення їх динамічних якостей та збільшення швидкості руху.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань використовувалися розрахунково-аналітичні методи. Теоретичні дослідження базуються на теорії диференціальних та інтегральних рівнянь, методах числового інтегрування. Під час виконання експериментальних досліджень застосовувалися методи статистики і теорії імовірностей.

Наукова новизна одержаних результатів. У результаті виконання досліджень отримані наступні основні наукові результати:

- вперше розроблена математична модель просторових коливань пасажирського вагона з візками на пневморесорах, яка дозволяє визначати раціональні параметри центрального ресорного підвішування;

- вперше розроблена математична модель пневморесори, яка на відміну від існуючих дозволяє враховувати властивості реального газу при демпфіруванні;

- удосконалено метод якісної ідентифікації демпферів з використанням теорії фазових траєкторій в частині визначення параметрів жорсткості демпферів;

- удосконалені жорсткісні та в'язкісні характеристики ресорного підвішування візків, що дозволяє досягти поліпшення динамічних якостей пасажирських вагонів та збільшення швидкості руху.

Практичне значення одержаних результатів. Впровадження результатів дисертаційної роботи спрямоване на досягнення основної мети - вдосконалення демпфуючих якостей ресорного підвішування візків пасажирських вагонів для поліпшення їх динамічних показників. Результати роботи, що отримані під час підготовки дисертаційної роботи, впроваджені у виробництві візків пасажирських вагонів перспективних конструкцій на ВАТ "Крюківський вагонобудівний завод" (акт впровадження від 17.11.08), на залізницях України, (акт впровадження від 10.11.08) і на кафедрі вагонів і вагонного господарства Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна (ДНУЗТ) під час виконання наукових досліджень і в навчальному процесі (акт впровадження від 18.06.10).

Обрані раціональні параметри ресорного підвішування використані при виробництві візків для пасажирських вагонів на ВАТ "Крюківський вагонобудівний завод". Розроблені математичні моделі просторових коливань пасажирських вагонів і математична модель пневматичного гасителя коливань впроваджені й використовуються у відділі головного конструктора ВАТ "КВБЗ" та на кафедрі вагонів і вагонного господарства ДНУЗТ.

Очікуваний щорічний економічний ефект від впровадження результатів виконаних науково-технічних досліджень за темою дисертації, виходячи з програми виробництва 100 вагонів за рік, складає 1,5 млн грн.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, аналізі отриманих результатів, розробці конструктивних рішень. Основні наукові результати отримані автором самостійно. Наукові публікації [1, 2, 5, 15, 17, 20] підготовлені без співавторів. У публікаціях, надрукованих у співавторстві, особистий внесок автора полягає у наступному:

- виконано моделювання просторових коливань поїзда [6, 7, 9-12];

- розроблено математичний опис ідентифікації параметрів ресорного підвішування [8];

- виконано моделювання динамічної навантаженості пасажирських вагонів [18, 19];

- розроблено математичний опис пневматичного гасителя коливань з урахуванням властивостей реального газу [21, 22];

- виконані теоретичні дослідження динамічних якостей пасажирських вагонів на візках різних конструкцій [3, 4, 16].

У патентах [13, 14] особистий внесок визначається довідкою про творчу участь.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на IX, X, XI, XII міжнародних конференціях "Проблеми механіки залізничного транспорту: динаміка, надійність і безпека рухомого складу" (м. Дніпропетровськ, 1996, 2000, 2004, 2008 рр.); на 3-й і 4-й міжнародних конференціях "Вплив людського чинника на безпеку руху на залізничному транспорті" ЧФТ'99 (м. Луганськ, 1999 р., м. Львів, 2001 р.); 14th International Conference "Current Problems in Rail Vehicles" (PRORAIL '99, 1999); міжнародній науково-технічній конференції "Енергоефективність - 2004" (м. Одеса, 2004 р.); на ІІ науково-практичній конференції "Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління" (м. Київ, 2004 р.); на IV, V і VI міжнародних науково-технічних конференціях "Рухомий склад XXI століття: ідеї, вимоги, проекти" (Росія, Санкт-Петербург, 2005, 2007, 2009 рр.); на ІІ і III міжнародних науково-практичних конференціях "Впровадження наукоємних технологій на магістральному та промисловому залізничному транспорті" (Крим, м. Алушта, 2006 р., м. Дніпропетровськ, 2007 р.); на 66, 67, 68, 69, 70 міжнародних науково-практичних конференціях "Проблеми та перспективи розвитку залізничного транспорту" (м. Дніпропетровськ, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 рр.); I міжнародній науково-практичній конференції "Електромагнітна сумісність на залізничному транспорті" (м. Дніпропетровськ, 2007 р.); на I міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні технології на транспорті, в промисловості та освіті" (м. Дніпропетровськ, 2007 р.); на I міжнародній науково-практичній конференції "Технічне регулювання на залізничному транспорті" (м. Дніпропетровськ, 2007 р.); 11 th mini conference on VEHICLE SYSTEM DYNAMICS, IDENTIFICATION AND ANOMALIES, Budapest University of technology and economics, faculty of transportation engineering (Budapest, Hungary, 2008 р.); International Scientific Conference "TRANSBALTICA - 2009" (м. Вільнюс, 2009 р.); на міжнародній партнерській конференції "Проблеми рухомого складу: шляхи вирішення через взаємодію державного та приватного секторів" (АР Крим, м. Севастополь, 2010 р.); на І міжнародній науково-практичній конференції "Інноваційні технології на залізничному транспорті" (Донецька обл., м. Красний Лиман, 2010 р.).

Публікації. За результатами виконання дисертаційної роботи надруковано 53 наукові публікації, у тому числі 13 статей в наукових фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, а також 2 патенти на винахід і 38 тез доповідей.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Основний текст дисертації викладений на 209 сторінках, в тому числі 31 таблиця і 141 рисунок на 38 сторінках. Список використаних джерел з 286 найменувань на 34 сторінках та 2 додатки на 20 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі викладена актуальність, сформульовані основні завдання дослідження, наукова новизна, практична цінність і наведені структура і обсяг роботи.

У першому розділі виконано аналіз технічного стану парку пасажирських вагонів залізниць України. Інвентарний парк пасажирських вагонів налічує близько 7700 одиниць; основними типами пасажирських вагонів є вагони відкритого типу - 3788 од. і купейні - 2523 од. Структура парка за віком, 2760 вагонів, або 35,9 %, вже вичерпали свій термін служби (28 років), але вагони не виключаються з експлуатації, оскільки рухомого складу не вистачає для формування пасажирських поїздів. Тому створення нових конструкцій пасажирських вагонів і вдосконалення існуючих є актуальним завданням.

Виконано аналіз досліджень, присвячених вивченню динамічних і міцносних якостей рейкових екіпажів, зокрема пасажирських вагонів.

До перших досліджень з оцінки поведінки рейкових екіпажів слід віднести наукові праці Жуковського Н.Е., Петрова М.П., Вінокурова М.В., Годицького-Цвірко А.М., Марье Г. Значного розвитку теорія взаємодії рухомого складу і колії набула в працях вчених різних наукових шкіл: Лазаряна В.А., Блохіна Є.П., Вершинського С.В., Тибілова Т.А., Веріго М.Ф., Грачевої Л.Й., Ромена Ю.С., Черкашина Ю.М., Богданова В.М., Погорелова Д.Ю., Когана А.Я., Львова О.А., Меделя В.Б., Анісімова П.С., Хусідова В.Д., Філіппова В.М., Шадура Л.А., Савоськина А.М., Кегліна М.Б., Кобіщанова В.В., Челнокова І.І., Соколова М.М., Бороненко Ю.П., Варави В.І., Третьякова О.В., Орлової Г.М., Бітюцького А.А., Шашкова Н.А., Соколова О.М., Богача Р., Худзікевіча А., Сітажа М., Сладковського А., Лінгайтіса Л.П., Коняєва А.М., Голубенко А.Л., Осеніна Ю.І., Ткаченко В.П., Кулікова Ю.А., Коротенка М.Л., Дановича В.Д., Манашкіна Л.А., Деміна Ю.В., Кельриха М.Б., Богомаза Г.І., Редько С.Ф., Радченко М.О., Савчука О.М., Пшінька О.М., Мямліна С.В., Бубнова В.М., Скалозуба В.В. та ін.

Виконано огляд та аналіз патентної літератури і наукових публікацій з конструкцій візків пасажирських вагонів виробництва основних європейських країн, а також Російської Федерації як для звичайного руху (для швидкостей руху до 160 км/год), так і для швидкісного руху. Розглянуто основні конструктивні особливості візків пасажирських вагонів і визначено найбільш перспективні конструкції візків.

Також розглянуто двовісний візок моделі 68-7007 вітчизняного виробництва розроблений "Крюківським вагонобудівним заводом" спільно з ДІІТом (рис. 1). Візок обладнаний торсіонним пристроєм, що забезпечує ефективне гасіння бічних коливань, і пристроями стримування високочастотної складової вертикальних коливань у центральному і буксовому ступенях підвішування.



Рис. 1. Загальний вигляд візка моделі 68-7007

Проведено порівняльний аналіз технічних характеристик візків різних моделей, який підтверджує, що вітчизняний візок не поступається своїм західним аналогам.

У другому розділі розглянуті особливості основних конструкцій систем гасіння коливань рейкових екіпажів з використанням пневматичних і гідравлічних гасителів. Визначені перспективні конструкції ресорного підвішування візків пасажирських вагонів, до яких належить ресорне підвішування з використанням пневморесор.

Рис.2. Ресорне підвішування

Запропоновано технічне рішення ресорного підвішування візка пасажирського вагона (рис. 2). Наведена система гасіння коливань, яка передбачає подвійну управляючу дію на пневмопідвішування. Тут враховується нахил кузова і рівень прискорень рами кузова. При цьому досягається найбільш сприятливий режим управління роботою пневморесори 8 за рахунок автоматичного регулювання пневмоклапана 2, який забезпечує підтримку тиску в пневморесорі на необхідному рівні, виходячи з динамічного впливу на вагон.

Робота електропневматичного клапана відбувається автоматично залежно від параметрів контрольної системи. Контрольна система управління жорсткістю пневморесори 3 складається з двох підсистем, а саме підсистеми контролю за рівнем прискорень 1 на обресоренній частині візка і підсистеми контролю за нахилом кузова вагона 4.

У третьому розділі наведено математичне моделювання роботи пневморесор з урахуванням особливостей реального газу. Визначені параметри демпфування з урахуванням конструктивних особливостей і прийнятих технічних характеристик.

Для вирішення поставленого завдання розглянуто математичний опис роботи пневморесори візка пасажирського вагона, як найбільш перспективної конструкції демпфуючої системи на залізничному транспорті, і наведено опис математичної моделі просторових коливань чотиривісних пасажирських вагонів. ресорний демпфуючий вагон витрати

При розрахунку і моделюванні пневматичних виконавчих та управляючих елементів зазвичай використовуються рівняння стану ідеального газу. У даній роботі застосована наближена формула, що дозволяє з достатньою для технічних розрахунків точністю обчислювати значення коефіцієнта стисливості реального газу при заданих температурі і тиску. Розглядається ізоентропне і адіабатичне перетікання газу з простору 1 в простір 2 з відомими параметрами стану реального газу. На цьому прикладі показана суттєва відмінність функції витрати реального газу від функції витрати ідеального газу при різних початкових температурах і тиску газу.

Раніше, для опису роботи пневмопристроїв використовувалися формули Сен-Венана і Вантцеля, що дозволяють розрахувати масову витрату ідеального газу при його перетіканні з одного простору в інший. Проте у ряді випадків, тиск і температура газу у зв'язаних порожнинах можуть бути такими, що стан газу істотно відрізняється від стану ідеального газу.

Вважатимемо, що газ з простору 1, який характеризується температурою T₁, густиною с₁ і тиском p₁, перетікає в простір 2 з температурою T₂, густиною с₂ і тиском p₂. Стан реального газу кожної з камер описується рівняннями:

(1)

де Z(p_r,T_r) - коефіцієнт стисливості реального газу,

R = 8,31441 ± 0,00026 - універсальна газова постійна.

Відомі узагальнені криві залежності коефіцієнта стисливості газів від величин тиску при різних температурах. За допомогою цих кривих для ряду значень приведеного тиску і приведеної температури отримані числові величини експериментально визначеного коефіцієнта стисливості газу Z(p_r,T_r). Значення тиску і температури дорівнюють співвідношенням величин тиску

і температури

до їх критичних значень T_c і p_с, Т_с- критична температура, вище за яку ніяким тиском газ не може бути перетворений на рідину, а p_c - критичний тиск так, для азоту T_c = 126°К, p = 3, 39 МПа.

Експериментальні графіки можливо достатньо точно для практики технічних розрахунків апроксимувати виразом:

(2)

у якому у₀(5,0 - p_r) - оператор Хевісайда, який дорівнює одиниці при р_r ? 5,0 і нулю при р_r > 5,0.

У роботі наведено значення Z_appr(р_r, T_r), і похибки визначені за допомогою апроксимуючої формули (3.2) коефіцієнта стисливості газів, які показують, що в межах 0 ? р_r ? 40 и 1,8 ? T_r ? 6,0 (для азоту від -50°С до +483°С) точність розрахунку коефіцієнта стисливості газу за допомогою апроксимуючого виразу (3.2) достатня для виконання технічних розрахунків.

Для визначення витрати газу через канал, що поєднує простори 1 і 2 один з одним, застосовується рівняння Бернуллі, для випадку постійних об'ємних потенційних сил у вигляді:

, (3)

де х_i- швидкість перетікання газу з простору i,

Р(р_i) - функція тиску (рух баротропний).

, (4)

с_i(р)- залежність густини газу від тиску,

р_i - деякий початковий тиск у просторі з номером i.

Для побудування зазначених залежностей використовуємо спрощене рівняння Ван-дер Ваальса, наведене у вигляді:

, i = 1, 2, (5)

де µ - маса одного моля газу,

b_i - величина коефіцієнта, яка визначається (виходячи з виразів (3.5) і (3.1)) у кожен момент часу за допомогою виразу:

, i = 1, 2, (6)

де - експериментально визначене значення коефіцієнта стисливості газу для його стану, зумовленого температурою Т_i в даний момент та середнім значенням тиску в інтервалі [р_i, р_i(t)].

При адіабатичному процесі буде справедливе наступне рівняння:

, (7)

де k = 1, 4 для двохатомних газів,

р_i і с_i - фіксовані, для певного початкового моменту часу значення тиску і густини газу у відповідній номеру індексу камері. Звідси маємо:

, (8)

У разі ідеального газу, коли b_i = 0, вираз зводиться до відомого рівняння Сен-Венана і Вантцеля.

Визначивши швидкість перетікання газу, отримаємо витрату G(t) за формулою

, (9)

де - коефіцієнт опору каналу перетіканню газу, визначений експериментально, і, залежить від форми каналу й опору руху газу по каналу,

ѓ_i - площа перерізу каналу, по якому перетікає газ із однієї камери в іншу.

Точніше густина газу в кожній з камер визначається за допомогою виразу:

i = 1, 2 (10)

де V_i - об'єм порожнини,

н_i - кількість молей газу в порожнині.

Для визначення кількості газу в порожнинах кінцевого об'єму і температури газу в них, необхідно розв'язати додаткові диференціальні рівняння.

Визначивши значення с₂ через значення с₁ при заданій величині у, і, після ряду перетворень, отримаємо формулу для витрати реального газу при його перетіканні з порожнини 1 в порожнину 2 з меншим тиском:

(11)

де ,

- величина коефіцієнта стисливості газу при тиску

і температурі Т ₁. Таким чином, запропоновано математичну модель роботи пневморесори, яка має сполучення за запропонованою розрахунковою схемою.

У роботі подано також математичний опис визначення параметрів ресорного підвішування з використанням фазових траєкторій. Встановлено, що досліджена модель, належить до класу систем з кусково-лінійною пружною характеристикою, а саме до триланкових систем з жорсткими обмежувачами.

Далі в роботі виконано математичний опис просторових коливань пасажирського вагона. Розрахункова схема пасажирського вагона з розглянутими візками являє собою механічну систему (рис. 3), яка складається з дев'яти твердих тіл: один кузов, дві надресорні балки, дві рами візка, чотири колісних пари.

На розрахунковій схемі прийняті наступні позначення: x, у, z - лінійні переміщення тіл системи уздовж відповідних осей, при цьому переміщення уздовж осі колії х - смикання, упоперек осі колії у - бічне віднесення, за вертикаллю z - підстрибування; , , - кутові переміщення відносно відповідних осей: відносно осі х - , бічні хитання; осі у - , подовжня хитавиця або галопування; відносно осі z - , виляння.

Додатні значення поступових переміщень - уздовж відповідних осей, а додатні кутові переміщення - проти годинникової стрілки, якщо дивитися з додатнього напряму відповідної осі в центр координат. На рис. 3 зображені додатні напрями лінійних і кутових переміщень для кузова з центром мас в точці С.



Рис. 3. Розрахункова схема пасажирського вагона

При цьому в розрахунковій схемі вважається, що наведені маси колії в точках контакту коліс з рейками зміщаються у двох напрямах - горизонтальному поперечному відносно осі колії та у вертикальному. Кількість переміщень складе 9 · 6 + 2 · 8 = 70.

Розглянуті зв'язки, які накладені на механічну систему, і складені вирази для їх опису:

- між кузовом пасажирського вагона і надресорними балками можливі взаємні переміщення в горизонтальному подовжньому і поперечному напрямках та при вилянні:

(12)

де - половина бази екіпажа;

- кутові переміщення подовжнього хитання колісних пар визначаються через горизонтальні подовжні переміщення (смикання):

(13)

де - радіус колеса по колу кочення;

- припускається, що колеса рухаються без відриву від рейок:

, (14)

де - половина відстані в поперечному напрямі між колами кочення коліс;

- зміна радіуса кола кочення колеса при бічному віднесенні колісної пари;

- ординати вертикальної нерівності колії.

Отримано 18 рівнянь для переміщень у зв'язках між елементами вагонів. Тому система має 70 - 18 = 52 степені вільності. Введені наступні узагальнені координати:

- переміщення кузова,

}

- переміщення рам візка;

}

- переміщення колісних пар,

- переміщення надресорних балок,

- віджимання рейок у точках контакту з колесами,

}

- смикання тіл системи.

Визначені статичні навантаження, що діють в системі.

Для складання рівнянь просторових коливань пасажирського вагона визначені переміщення між тілами системи і значення сил.

Сили, що діють на колісну пару в зоні контакту, визначаються за теорією Картера.

При складанні диференціальних рівнянь коливань системи використовується рівняння Лагранжа 2-го роду у вигляді

(15)

де Т - кінетична енергія системи,

- узагальнені координати,

Q_n - відповідні їм узагальнені сили.

Вираз для визначення кінетичної енергії системи з використанням теореми Кеніга:

.

Запропоновано також математичний опис об'єктно-орієнтованої математичної моделі просторових коливань пасажирського вагона. На базі запропонованих математичних моделей розроблено відповідне програмне забезпечення для проведення теоретичних досліджень з визначення динамічної навантаженості пасажирських вагонів.

Для перевірки адекватності комп'ютерних програм розроблено ряд тестів з порівнянням результатів моделювання і аналітичних розрахунків на прикладі коливань колісної пари, яке повністю підтверджує адекватність математичної моделі.

У четвертому розділі наведені результати теоретичних досліджень. Виконані розрахунки з визначення міцнісних характеристик пружин центрального і буксового ресорного підвішування візків при використанні їх під пасажирськими вагонами моделі 61-779 і визначені відповідні динамічні показники.

Виконано розрахунок пружини центрального підвішування від вертикального навантаження на міцність (за двома режимами).

Визначено, що конструкційний коефіцієнт запасу прогину та міцність пружин центрального і буксового підвішування, а також динамічні показники візка задовольняють вимоги нормативної документації.

Виконані порівняльні розрахунки з визначення показників динаміки та зносу в діапазоні швидкостей руху до 250 км/год для пасажирського вагона моделі 61-779 на візках КВЗ-ЦНІІ, 68-7007 удосконаленої конструкції і 68-7041 з пневморесорами.

За результатами розрахунків визначено, що величини всіх динамічних показників і показників зносу гірші у вагонів на візках КВЗ-ЦНІІ і кращі для вагонів на візках моделі 68-7041.

Виконані теоретичні дослідження динамічної навантаженості пасажирського вагона під час руху прямолінійною ділянкою колії зі швидкостями до 250 км/год, з метою визначення динамічних показників вагона при різній масі кузова.

Залежність вертикальної і горизонтальної жорсткості пневморесори від маси кузова визначалися за виразом:

,

де - показник політропи,

- ефективна площа пневморесори,

- сумарний об'єм пневморесори та додаткового резервуара,

- надмірний тиск в пневморесорі при вертикальному статичному навантаженні,

- відношення горизонтальної жорсткості до вертикальної.

При незначній зміні жорсткості пневморесори (484-567 кН/м вертикальна і 201-235 кН/м горизонтальна) динамічні показники центрального ступеня підвішування і плавності ходу близькі за значенням.

Для пошуку параметрів, що поліпшують динамічні показники в буксовому ступені підвішування, виконані розрахунки, за яких величина К_дгб не виходила б за допустимі значення при швидкостях до 200 км/год. Для цього підбиралася величина робочого ходу і в'язкість демпфера буксового підвішування в поперечному напрямі.

З розрахунків. приведених на графіках (рис. 4), видно, що величина робочого ходу 10 мм не дозволяє досягти швидкості 200 км/год, а при величині робочого ходу 20 мм і величині в'язкості демпфера 10 або 20 кНс/м допустима швидкість руху зростає і складає 200 км/год.

Рис. 4. Показники К_дгб: 1 - робочий хід у буксі 10 мм, 2- робочий хід у буксі 20 мм

У результаті виконаних теоретичних досліджень динамічної навантаженості пасажирського вагона визначені оптимальні параметри ресорного підвішування для досягнення швидкості руху до 200 км/год.

Для пошуку оптимальних значень параметрів сформований вектор функції мети:

.

Сума значень вагових коефіцієнтів повинна дорівнювати одиниці. Остаточно функція мети має вигляд:

Для пошуку оптимальних параметрів ресорного підвішування використано метод Нелдера-Міда, який дозволяє знайти локальний мінімум функції мети навколо заданої точки.

Виконано також теоретичні дослідження динамічної навантаженості пасажирського вагона на візках моделі 68-7007 і 68-7041 зі швидкостями до 300 км/год і визначені оптимальні параметри ресорного підвішування для цього рівня швидкостей. В результаті виконання розрахунків отримано по три варіанти параметрів буксового і центрального ступенів підвішування (табл. 1, 2).

Таблиця 1. Оптимальні параметри ресорного підвішування візка 68-7007

№	Буксовий ступінь підвішування	Центральний ступінь підвішування
	Kzб	вzб	Ky б	вyб	Kxб	вxб	Kzц	вzц	Kyц	вyц	Kxц	вxц
П/з	490	15	403	75	342	0	514	6,25	814	0	920	20
I	372	5,62	515	0	806	16,7	391	13,2	290	58,4	275	0,183
II	368	5,64	526	0,022	853	17,2	388	48,9	283	59,9	274	0,185
III	384	5,81	513	0	804	17,1	387	23,4	302	58,4	262	0,191

Таблиця 2. Оптимальні параметри ресорного підвішування візка 68-7041

№	Буксовий ступінь підвішування	Центральний ступінь підвішування
	Kzб	вzб	Kyб	вyб	Kxб	вxб	Kzц	вzц	Kyц	вyц	Kxц	вxц
П/з	514	25	814	0	10000	0	484	30	201	70	201	0
I	392	21	535	0	860	0	410	24	220	40	190	0,2
II	385	32	550	0,05	920	5	395	42	265	34	195	0,21
III	397	26	515	0	896	4,5	382	31	272	32,5	281	0,18

Виконано моделювання руху пасажирського вагона на візках моделі 68-7007 і 68-7041 за трьома варіантами з оптимальними і паспортними параметрами (рис. 5, 6).



Рис. 5. Динамічні показники К_двб, К_дгб і К_у пасажирських вагонів

Точками показані результати для паспортних параметрів, суцільною лінією варіант 1, пунктиром - варіант 2 і штриховою - варіант 3. З отриманих результатів видно, що всі три варіанти краще за паспортні значення. Найкращим виявився варіант 2, де за рахунок більшого значення коефіцієнта демпфування відсутній пік на графіках динамічних показників у вертикальній площині.

Таким чином, у результаті виконання теоретичних досліджень динамічної навантаженості пасажирського вагона визначені оптимальні параметри ресорного підвішування для досягнення швидкості руху до 300 км/год.

Аналіз результатів досліджень свідчить про те, що використання пневморесор приводить до суттєвого покращення динамічних показників у центральному ступені підвішування пасажирського вагона, а отримані оптимальні параметри ресорного підвішування також дають можливість зменшення динамічної навантаженості пасажирського вагона та збільшують швидкість руху.

У п'ятому розділі наведені результати експериментальних досліджень. Для перевірки правильності прийнятих технічних рішень виконані експериментальні дослідження пасажирських вагонів. Проведені випробування пасажирського вагона моделі 61-779ЭГ на візках 68-7041 з пневматичним ресорним підвішуванням. Метою випробувань було визначення показників ходових якостей дослідного вагона і оцінка відповідності цих показників нормативним значенням, зокрема показникам безпеки експлуатації на магістральних коліях.

За результатами випробувань виконано порівняння динамічних показників якості, отриманих розрахунковим шляхом, з їх нормативними значеннями, з яких видно, що значення, отримані в ході експерименту, значно кращі нормативних (табл. 3).

Таблиця 3. Витрати електроенергії на тягу пасажирського поїзда з різними візками

Час ходу, хв	Модель візка
	КВЗ-ЦНІІ	68-7007	68-7041
	Витрати [кВтч]	Витрати [кВтч]	%	Витрати [кВтч]	%
100,1	13733	12560	8,5	11310	17,6
105,5	10630	9760	8,2	8870	16,6
112,6	9030	8430	6,6	7670	15,1
123,1	8020	7520	6,2	6820	15,0
135	7230	6890	4,7	6280	13,1
146,1	6690	6370	4,8	5960	10,9
153,8	6400	6090	4,8	5770	9,8
166,7	6000	5790	3,5	5520	8,0
180	5740	5590	2,6	5330	7,1

Показники плавності ходу вагона та показники комфорту (рівень вібрації та шуму), що діють на пасажирів, визначалися за величинами вертикальних і горизонтальних прискорень вагона. За результатами розрахунків величина коефіцієнта плавності ходу (у порожньому і навантаженому режимах) знаходиться в межах 1,6 - 2,1 (при допустимій величині 3,25).

Проведена оцінка економічної ефективності покращення параметрів ресорного підвішування рейкових екіпажів. Для цього виконані розрахунки витрат електроенергії на тягу пасажирського поїзда залежно від часу ходу ділянкою, які наведені в.

При виконанні розрахунків поїзди формувалися з 16-ти пасажирських вагонів масою 60 т, в першому випадку всі на візках КВЗ-ЦНІІ (штрихова лінія), в другому випадку - на візках моделі 68-7007 (пунктирна лінія) і в третьому випадку - на візках моделі 68-7041 (суцільна лінія) (рис. 7).

Наведені дані свідчать, що зниження витрати електроенергії для вагонів на візках 68-7007 складає до 8,5 %, а для вагонів на візках 68-7041 - до 17,6 %.

Рис. 7. Витрати електроенергії на тягу поїзда

Після визначення оптимальних параметрів ресорних комплектів візків 68-7007 і 68-7041 були також виконані розрахунки витрати електроенергії на тягу поїзда.

Поліпшення параметрів дає додаткове зниження витрат електроенергії на тягу пасажирського поїзда, для візків 68-7007 зниження витрати електроенергії складає до 7,3 %, а для візків 68-7041 - до 2,9 %.

Таким чином, вибрані раціональні значення параметрів ресорного підвішування візків пасажирських вагонів, які сприяють поліпшенню їх демпфуючих якостей та збільшенню швидкості руху.

Висновки

1. Виконано аналіз технічного стану парку пасажирських вагонів залізниць України. Інвентарний парк пасажирських вагонів налічує близько 7 700 одиниць, основними типами пасажирських вагонів є вагони відкритого типу - 3 788 од. і купейні - 2 523 од.

З аналізу структури парку за віком видно, що 2 760 вагонів, або 35,9 %, вже вичерпала свій термін служби (28 років), але не виключаються з експлуатації, оскільки рухомого складу не вистачає для формування повноскладених пасажирських потягів. Тому створення нових конструкцій пасажирських вагонів і вдосконалення існуючих є актуальним завданням.

2. Проведено огляд та аналіз конструкцій візків пасажирських вагонів виробництва основних європейських країн, а також Російській Федерації, як для звичайного руху (для швидкостей руху до 160 км/год), так і для швидкісного. Розглянуті основні конструктивні особливості візків пасажирських вагонів. Перспективними визначені двовісні візки, що мають окреме гасіння коливань.

3. Розглянуто візок моделі 68-7007 в порівнянні з іншими конструкціями. Порівняльний аналіз технічних характеристик візків різних моделей: Y-32, GP-200, КВЗ-ЦНІІ, 68-7007 свідчить про те, що візок моделі 68-7007 за такими важливими показниками, як максимальне розрахункове статичне навантаженя від колісної пари на рейки, сумарне статичне прогинання візка під тарою вагона, плавність руху -у межах 1,6 - 2,1 (при допустимій величині 3,25) не гірше акордонних аналогів, а за іншими технічними характеристиками знаходиться на рівні кращих зразків.

4. Виконано аналіз досліджень з динаміки та міцності рейкових екіпажів, зокрема пасажирських вагонів. Підтверджена актуальність даних питань і правильність вибраного алгоритму рішення науково-прикладної задачі, пов'язаної з удосконаленням ресорного підвішування пасажирських вагонів.

5. Виконано аналіз технічної і патентної літератури з конструкцій демпферів та гасителів коливань і отримано висновок про те, що перспективними є конструкції ресорного підвішування пасажирських вагонів з пневматичним ресорним підвішуванням. Автором розроблені власні технічні рішення з удосконалення ресорного підвішування візків вагонів.

6. Запропоновано опис математичної моделі перетікання реального газу в різних пневмосистемах, які використовуються на залізничному транспорті при демпфуванні коливань пасажирських вагонів. Дана математична модель використана як складова частина математичної моделі просторових коливань пасажирського вагона, у якому застосовуються пневматичні амортизатори і гасителі коливань.

7. Розроблено математичну модель з використанням фазових траєкторій на площині для визначення параметрів віброударних гасителів коливань, що мають нелінійні пружні зв'язки.

8. Запропоновано математичний опис просторових коливань пасажирського вагона з використанням рівнянь Лагранжа другого роду. Для цього описані особливості зв'язків між елементами вагона і переміщення тіл системи, що виникають під час руху вагона рейковою колією. Отримано систему рівнянь 52-го порядку. Розроблено відповідну програму розрахунків.

9. Запропоновано математичний опис об'єктно-орієнтованої математичної моделі просторових коливань пасажирського вагона, яка на відміну від класичної моделі дозволяє описувати коливання окремих елементів і спрощує процес формування математичної моделі вагона в цілому.

10. Для перевірки правильності математичного моделювання динамічних процесів, що виникають в окремих елементах і зв'язках пасажирського вагона під час його руху рейковою колією, розроблено ряд тестів. На прикладах, що описують взаємодію колеса і рейки, а також рух одиночної колісної пари по нерівностях різної конфігурації, виконано порівняння результатів моделювання і аналітичних рішень. Отриманий задовільний збіг результатів, що підтверджує адекватність математичної моделі просторових коливань пасажирського вагона.

11. Виконано розрахунки з визначення міцнісних характеристик пружин центрального і буксового ресорного підвішування візків при використанні їх під пасажирськими вагонами моделі 61-779 і визначені відповідні динамічні показники.

12. Здійснено порівняльні розрахунки в діапазоні швидкостей до 250 км/год для пасажирського вагона на візках моделі КВЗ-ЦНІІ, 68-7007 і 68-7041. Величини всіх динамічних показників і показників зносу гірші у вагонів на візках КВЗ-ЦНІІ і кращі для вагонів на візках моделі 68-7041.

13. Проведено теоретичні дослідження динамічної навантаженості пасажирського вагона під час руху прямолінійною ділянкою колії зі швидкостями до 300 км/год, з метою визначення динамічних показників вагона при різній масі кузова. При незначній зміні жорсткості пневморессори (484-567 кН/м вертикальна і 201-235 кН/м горизонтальна) динамічні показники центрального ступеня і плавності ходу близькі за значенням.

14. У результаті розрахунків визначено, що при величині робочого ходу амортизатора буксового підвішування 20 мм і величині коефіцієнта в'язкості демпфера 10 або 20 кНс/м допустима швидкість руху дорівнює 200 км/год, тобто досягається поліпшення демпфуючих властивостей ресорного підвішування і збільшення швидкості руху вагона на 40 км/год або на 25%.

15. Визначено, що використання пневморессор приводить до суттєвого поліпшення динамічних показників у центральному ступені підвішування пасажирського вагона. В результаті виконаних теоретичних досліджень динамічної навантаженності пасажирського вагона визначені оптимальні параметри ресорного підвішування для досягнення швидкості руху до 250 та до 300 км/год.

16. Для перевірки правильності прийнятих технічних рішень виконано експериментальні дослідження пасажирських вагонів. Проведено випробування пасажирського вагона моделі 61-779ЭГ на візках 68-7041 з пневматичним ресорним підвішуванням. За результатами випробувань виконано порівняння результатів теоретичних та експериментальних досліджень і отримана їх збіжність.

17. Проведено оцінку економічної ефективності поліпшення параметрів ресорного підвішування рейкових екіпажів. Виконані розрахунки витрат електроенергії на тягу пасажирського поїзда залежно від часу ходу ділянкою. Зниження витрати електроенергії для вагонів на візках 68-7007 складає до 8,5 %, а для вагонів на візках 68-7041 - до 17,6 %. Застосування оптимальних параметрів ресорних комплектів дає додаткове зниження витрат електроенергії на тягу пасажирського поїзда: для візків 68-707 - 7,3 %, а для візків 68-7041 - до 2,9 %.

...