Совершенствование математических моделей эластомерных поглощающих аппаратов для вагонов-цистерн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование математических моделей эластомерных поглощающих аппаратов для вагонов-цистерн

В транспортной системе России железные дороги занимают ведущее место [5-7]. Около 80% грузооборота (без учета трубопроводного транспорта) выполняется железнодорожным транспортом. На данный момент на российских железных дорогах эксплуатируетсясвыше 1 млн грузовых вагонов, принадлежащих ОАО «РЖД» и российским операторским компаниям. С 2000 г. начали заметно увеличиваться объемы перевозок. Это отразилось на увеличении масс вагонов и поездов, увеличении скоростей соударений вагонов при маневровых горочных операциях, что привело к росту продольной нагруженности вагонаи, следовательно, потребности в разработке эффективных устройств защиты подвижного состава от продольных ударов - поглощающих аппаратов.

В результате совместной работы ряда научных организаций и предприятий разработан ОСТ 32.175 - 2001, который предусматривает разделение поглощающих аппаратов по основным техническим показателям на 4 класса: Т0, Т1, Т2, Т3.

По сравнению с динамикой сухогрузного поезда динамика железнодорожного состава, содержащего цистерны, частично заполненные жидкостью, существенно усложняется. Это обусловлено появлением бесконечного числа дополнительных степеней свободы, связанных с волновым движением жидкости.

Рассмотрим конструкцию эластомерного аппарата ЭПА-120. Поглощающий аппарат (рис. 1) состоит из корпуса 1, выполненного заодно с тяговым хомутом автосцепки, и днища с дополнительной камерой6, называемой камерой постоянного объема, размещенной в пространстве между задними упорами автосцепки. В корпусе 1 располагаются поршень 3 с полым штоком и полый плунжер 9, междукоторыми имеется калиброванный зазор 8 переменной величины, являющийся каналом дросселирования. Камеры сжатия (2) и расширения (7) внутри плунжера 9, полость 5 внутри штока поршня 3 и камера постоянного объема 6 заполнены объемно сжимаемым и текучим телом - эластомерной композицией. Уплотнения 4 обеспечивают герметичность подвижного соединения штока и плунжера.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поглощающий аппарат ЭПА-120

Поглощающий аппарат работает следующим образом. Под действием сжимающей нагрузки, передаваемой упорной плитой 10 автосцепного устройства, плунжер 9 перемещается внутрь корпуса 1, сжимая эластомер вкамере сжатия, а также в полости штока поршня 3 и камере постоянного объема 6 через отверстия 5, одновременно заставляя перетекать эластомер через калиброванный зазор 8 между плунжером 9 и поршнем 3 в камеру расширения 7 за поршнем. Восстановление аппарата после удара происходит под действием давления на плунжер 9 объемно сжатого эластомера в камерах 6 и 2 [2].

Расчетные силовые характеристики аппарата ЭПА-120 для случая 3 ударов одиночного вагона, оборудованного этим амортизатором, в неподвижный недеформируемый упор.

Видно, что для повторных ударов при одинаковых начальных условиях силовая характеристика описывается разными кривыми, причем последующие удары протекают с меньшей максимальной силой на аппарате и большим ходом, чем предыдущие. На обратном ходе график силовой характеристики уходит в отрицательную область, чего на практике быть не может, так как конструкцией автосцепного устройства предусмотрена работа амортизатора только на сжатие [4].

Причина данной неточности заключается в том, что в математических моделях для эластомерных аппаратов точно описать все протекающие в амортизаторах физические процессы затруднительно, а иногда и невозможно (например, попадание в эластомер при заправке аппарата пузырьков воздуха, отрыв эластомера от дроссельного отверстия и т.п.).

Вследствие этого традиционная математическая модель не точно описывает изменения давлений в камерах аппарата для повторяющихся ударов (рис. 3). Давления в камерах после первого удара не восстанавливаются до начального значения, которое было задано при заправке (для ЭПА-120 это значение 34 МПа). Каждый последующий удар протекает с неверными начальными значениями давлений, в результате чего сила на аппарате уменьшается от удара к удару.

Такая неточность традиционной математической модели практически не влияет на результаты моделирования динамики сухогрузного поезда, но приводит к погрешности при моделировании наливных составов и маневровых операций с вагонами-цистернами. Как известно из практики эксплуатации вагонов-цистерн [3], максимальные усилия на автосцепках возникают не при первом рывке локомотивом наливного поезда (или ударе в сцеп, состоящий из вагонов-цистерн, накатывающихся вагонов на сортировочных горках), а при возникающих вследствие этого колебаниях жидкого груза. Это подтверждается и результатами численного моделирования [1; 7].

Для устранения описанной неточности в математической модели аппарата была разработана специальная методика.

Введем некоторые определения:

- восстановление аппарата - приведение давлений в камерах эластомерногоаппарата к исходным значениям (34 МПа для ЭПА-120);

- время восстановления аппарата (или давлений)(с) - это заданное время, за которое давления должны принять исходное значение;

-скорость восстановления эластомерного аппарата - это скорость приведения давлений эластомера в камерах аппарата к исходному значению (для каждой камеры своя скорость).

Выберем время восстановления аппарата как показано на рис. 4, на котором изображен совмещенный график силы на аппарате (верхняя кривая) и давлений в камерах аппарата (3 нижние кривые). Для трех значений давлений (в камерах сжатия, расширения и постоянного объема) примем его одинаковым.

Вычислим скорости восстановления давлений .

Для камеры расширения:

вагон поезд эластомерный

где - разница между давлением в камере в момент, когда сила на аппарате меняет знак, и начальным давлением закачки эластомера (рис. 4).

Аналогично для камер сжатия и постоянного объема:

Модифицируем систему дифференциальных уравнений, описывающих работу эластомерного поглощающего аппарата, введя в нее условные операторы и дополнительную функцию :

Здесь - зазор в автосцепном устройстве.

Рассмотрим последовательные удары вагона в неподвижный недеформируемый упор с одинаковыми начальными условиями с использованием модифицированной системы дифференциальных уравнений.

Видно, что изменение силы на аппарате при повторных ударах происходит по одной и той же кривой, которая не переходит в отрицательную область. Нарис.6 показано изменение давлений в камерах аппарата в момент первого (рис. 6а) и третьего (рис. 6 б) ударов. Давления в камерах возвращаются к своему начальному значению, что соответствует реальным режимам эксплуатации эластомерных аппаратов.

Сравним результаты расчетов динамических процессов для традиционной математическоймодели и модели, описанной системой (1).

Аналогичный результат получаем при моделировании трогания с места состава весом 3150 т, состоящего из 31 вагона (17 цистерн и 13 полувагонов). Для данного случая усилие на аппарате, полученное с использованием модели (1), почти на 20% больше, чем при использовании традиционной модели.

Итак, в результате проведенных исследований выявлены несовершенства традиционных математических моделей эластомерных поглощающих аппаратов, вносящие погрешность в результаты моделирования динамики наливных составов. Разработанамодифицированная математическая модель эластомерных амортизаторов.

Сравнение результатов расчетов при использовании традиционной и модифицированной математических моделейэластомерного аппаратапоказало, что усилия на автосцепках при повторных ударах больше на 10-20%, что хорошо согласуется с результатами натурных испытаний [3].

Новуюметодику возможно применять как для чисто эластомерных поглощающих аппаратов, так и для аппаратов смешанного типа, имеющих в своей конструкции эластомерные вставки.

Список литературы

вагон поезд эластомерный

1. Богомаз, Г.И. Динамика железнодорожных вагонов-цистерн / Г.И. Богомаз. - Киев: Наукова думка, 2004. - 224 с.

2. Болдырев, А.П. Расчет и проектирование амортизаторов удара подвижного состава/ А.П. Болдырев, Б.Г. Кеглин. - М.: Машиностроение -1, 2004. - 199 с.

3. Долматов, А.А. Динамика и прочность четырехосных железнодорожных цистерн/ А.А. Долматов, Н.Н. Кудрявцев - М.: Трансжелдориздат, 1963. - 124 с.

4. Коломийченко, В.В. Автосцепное устройство железнодорожного подвижного состава/ В.В. Коломийченко, Н.А. Костина, В.Д. Прохоренков, В.И. Беляев. - М.: Транспорт, 1991. - 232 с.

5. Гарг, В.К. Динамика подвижного состава: [пер. с англ.] / В.К. Гарг, Р.В. Дуккипати. - М.: Транспорт, 1988. - 391 с.

6. Шахнюк, Л.А. О влиянии измененияраспределения масс грузовых вагонов и скоростей соударения на спектрыпродольных сил, действующих на вагон / Л.А. Шахнюк, О.В. Фетисов, Е.Г. Шахнюк // Вопросы транспортного машиностроения. - Брянск: Приок. кн. изд-во, 1974. - Вып. III. - С. 142-147.

7. Андриянов, С.С. Нагруженность элементов специализированных вагонов, оборудованных амортизаторами повышенной энергоемкости: автореф. дис…. канд. техн. наук С.С. Андриянов. - М., 2006.

Размещено на Allbest.ru