Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение надежности автосцепного устройства грузовых вагонов на основе совершенствования контроля технического состояния пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов при ремонте

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

вагон поглощающий аппарат ремонт

Актуальность работы. От надежной работы автосцепного устройства зависит исправность вагонов, безопасность пассажиров, сохранность грузов и, в конечном итоге, безопасность движения на сети железных дорог, так как помимо сцепа вагонов это устройство снижает продольно-динамические нагрузки в поезде с помощью поглощающих аппаратов. Поэтому важнейшим условием безотказной работы вагонов является своевременное выявление и ремонт неисправных поглощающих аппаратов в процессе эксплуатации и ремонта.

Традиционные методы, которые используются при ремонте поглощающих аппаратов, являются субъективными, зависящими от профессиональных качеств и опыта обслуживающего персонала, и недостаточно эффективны. В результате в эксплуатацию после ремонта попадают вагоны с неисправными поглощающими аппаратами, вследствие чего в ударно-тяговом приборе образуются износы, дополнительные нерегламентированные зазоры, перемещения, которые в несколько раз увеличивают продольно-динамические усилия в поезде.

В настоящее время в России на грузовых вагонах различных лет постройки установлены шестигранные фрикционные поглощающие аппараты Ш-1-ТМ, Ш-2-В, Ш-2-Т, Ш-6-ТО4, РТ-120, пластинчатые поглощающие аппараты ПМК-110А, ПМК-110К-23.

По экспертной оценке насыщенность вагонного парка ОАО «РЖД» поглощающими аппаратами на 2007 г. составляет: Ш-1-ТМ - 35,3%, Ш-2-В - 38,6%, Ш-6-ТО4 - 3,6%, ПМК-110 - 3,9%, РТ-120 - 5,1%, эластомерные - 13,5%. Таким образом, поглощающие аппараты типа Ш-1-ТМ и Ш-2-В наиболее распространенные и эксплуатируются на вагонах, перевозящих сыпучие и неопасные грузы.

Пружинно-фрикционные поглощающие аппараты типов Ш-1-ТМ и Ш-2-В относятся к классу Т0. По данным департамента вагонного хозяйства с января 2007 г. на все вновь строящиеся вагоны в России, перевозящие неопасные грузы, устанавливаются аппараты класса Т1 и с 2008 г. при всех плановых ремонтах поглощающие аппараты класса Т0 должны быть заменены на аппараты класса Т1, но до тех пор аппараты Ш-2-В и Ш-1-ТМ еще десятилетия будут насыщать рабочий парк грузовых вагонов.

Об этом говорит то обстоятельство, что производство аппаратов типа Ш-1-ТМ прекратилось в начале девяностых годов двадцатого века, но благодаря высокой износостойкости и большому сроку службы аппарат на данный момент еще находится в эксплуатации.

Аппарат Ш-2-В по сравнению с Ш-1-ТМ имеет более мягкую характеристику. Снижение жесткости и увеличение рабочего хода приводит к увеличению подвижности деталей фрикционного узла, увеличению износа клиньев и горловины корпуса и сокращению срока службы аппарата до десяти лет. Производство поглощающего аппарата Ш-2-В было прекращено осенью 2007 г., но, исходя из опыта эксплуатации аппарата Ш-1-ТМ, грузовые вагоны еще пять-десять лет будут оснащаться аппаратами Ш-2-В.

Таким образом, актуальность темы определяется необходимостью повышения надежности пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов путем совершенствования контроля их технического состояния при ремонте.

Цель работы. Целью работы является совершенствование методики расчета и контроля технического состояния пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов грузовых вагонов при ремонте.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи.

1. Обследовать грузовые вагоны, поступившие в текущий отцепочный ремонт, с целью определения взаимосвязи неисправностей поглощающего аппарата с другими видами неисправностей вагона.

2. Определить диагностические признаки технического состояния поглощающих аппаратов.

3. Произвести расчет поглощающего аппарата по модели кромочного приложения сил для объяснения неравномерного износа деталей поглощающего аппарата, выявленного в ходе исследований.

4.Разработать математическую модель работы пружинно-фрикционного поглощающего аппарата при квазистатическом сжатии для подтверждения теоретических расчетов по выбору диагностических признаков технического состояния поглощающих аппаратов.

5. Разработать методику испытаний поглощающих аппаратов грузовых вагонов при ремонте на основе выбранных диагностических признаков технического состояния поглощающих аппаратов.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются пружинно-фрикционные поглощающие аппараты грузовых вагонов; предметом исследования - диагностические признаки технического состояния пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов грузовых вагонов.

Общая методика исследования. Теоретической и методологической основой диссертации являются труды отечественных и зарубежных ученых в области продольной динамики вагона, исследования факторов, определяющих работоспособность автосцепного устройства, исследования причин отказов грузовых вагонов в эксплуатации, теоретических и экспериментальных исследований новых типов поглощающих аппаратов, разработки приборов диагностирования вагонов.

При решении поставленных в диссертации задач использовались анализ отказов вагонов в эксплуатации, методы статистических решений, анализ и моделирование работы пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов, методы численного интегрирования.

Научная новизна.

1. Впервые определена взаимосвязь неисправностей поглощающего аппарата с другими видами неисправностей вагона.

2. Разработана методика выбора диагностических признаков технического состояния поглощающих аппаратов путем сравнения их информативности и определением критериев оценки технического состояния поглощающих аппаратов по методу минимального риска со сравнительной оценкой стоимости ошибок первого и второго рода.

3. Предложена расчетная модель взаимодействия фрикционного клина с нажимным конусом и корпусом поглощающего аппарата, объясняющая неравномерный износ его пар трения.

4.Разработана математическая модель работы пружинно-фрикционного поглощающего аппарата при квазистатическом сжатии.

5. Разработана методика испытаний поглощающих аппаратов грузовых вагонов при ремонте на основе выбранных диагностических признаков технического состояния поглощающих аппаратов.

Практическая ценность.

1. Выбран диагностический признак технического состояния пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов, который дает возможность своевременного выявления неработоспособности аппаратов и предотвращения отказов автосцепного устройства в эксплуатации.

2. На базе выбранного диагностического признака разработана методика испытаний пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов грузовых вагонов при ремонте.

На защиту выносится

1. Взаимосвязь неисправностей поглощающего аппарата с другими видами неисправностей вагона, полученная на основе результатов обследования грузовых вагонов, поступивших в текущий отцепочный ремонт.

2. Разработанная методика определения диагностических признаков технического состояния поглощающих аппаратов путем сравнения их информативности и определением критериев оценки технического состояния поглощающих аппаратов по методу минимального риска со сравнительной оценкой стоимости ошибок первого и второго рода.

3. Разработанная расчетная модель взаимодействия фрикционного клина с нажимным конусом и корпусом

поглощающего аппарата, объясняющая неравномерный износ его пар трения.

4.Разработанная математическая модель работы пружинно-фрикционного поглощающего аппарата при квазистатическом сжатии для подтверждения теоретических расчетов по выбору диагностических признаков технического состояния поглощающих аппаратов.

5. Разработанная методика испытаний поглощающих аппаратов грузовых вагонов при ремонте на основе выбранных диагностических признаков технического состояния поглощающих аппаратов.

Реализация работы.

1. Результаты исследований легли в основу разработки технологии испытаний и ремонта поглощающих аппаратов грузового подвижного состава на специальном стенде СПА-160, разработанным Уральским отделением ОАО «ВНИИЖТ».

2. Ожидаемый годовой эффект от внедрения стендов для испытаний и ремонта поглощающих аппаратов грузового подвижного состава в грузовые вагоноремонтные депо ОАО «РЖД» составляет 642 тыс. руб. на один стенд.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на:

1. V межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые транспорту», Екатеринбург (УрГУПС), 2004 г.;

2. VI межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые транспорту», Екатеринбург (УрГУПС), 2005 г.;

3. международной научно-технической конференции «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России», Екатеринбург (УрГУПС) 2006 г.;

4. VII межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые транспорту», Екатеринбург (УрГУПС), 2007 г.

5. Техсовете дирекции по ремонту грузовых вагонов Свердловской железной дороги, Екатеринбург (ВЧДР-4), апрель 2008 г.

6. Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегии», посвященной 130-летию Свердловской железной дороги, Екатеринбург (УрГУПС) 16-17 октября 2008 г.

7. На расширенном заседании кафедры «Вагоны» Брянского государственного технического университета, 12 ноября 2008 г.

8. На научно-техническом совете секции «Вагоны и вагонное хозяйство» ОАО «ВНИИЖТ», Москва 13 ноября 2008 г.

Публикации. По результатам исследований, выполненных в диссертации, опубликовано 9 печатных работ, включая 2 статьи в журналах «Железнодорожный транспорт» и «Транспорт Урала», включенных в Перечень ВАК РФ, а также получены 2 патента Российской Федерации на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 124 наименования, и одного приложения. Работа содержит 126 страниц машинописного текста, 48 рисунков и 23 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен обзор работ в области продольной динамики подвижного состава, анализа причин отказов грузовых вагонов в эксплуатации и создания средств технической диагностики для определения технического состояния вагона и отдельных его узлов. Выполнен анализ отказов вагонов по неисправностям автосцепного устройства, упряжного устройства и поглощающих аппаратов, представлены результаты обследования технического состояния упряжных устройств и поставлены задачи исследования.

Исследования факторов, определяющих работоспособность автосцепного устройства, были выполнены Н.Г. Беспаловым, С.В. Вершинским, Б.Г. Кеглиным, Н.А. Костиной, В.А Котиковым, Л.Н. Никольским, В.Д. Прохоренковым, Н.А. Семиным. В трудах этих ученых решены важнейшие условия конструирования и эксплуатации автосцепного устройства. Показано, что работоспособность вагона зависит, прежде всего, от исправного состояния поглощающего аппарата, тягового хомута, клина, задних упорных угольников, являющихся деталями упряжного устройства вагонов.

Анализу и исследованию причин отказов грузовых вагонов в эксплуатации посвящен ряд работ ученых железнодорожного транспорта: А.А. Александрова, А.М. Березовского, Н.А. Козаченко, Л.Н. Косарева, В.И. Варавы, В.И. Гридюшко, Г.М. Левита, А.Г. Нетесы, Г.К. Сендерова.

Следует особо выделить труды последнего времени, в которых изложены теоретические и экспериментальные исследования новых типов поглощающих аппаратов. К ним относятся работы Б.Г. Кеглина, И.Б. Феоктистова, Д.А. Ступина, А.В. Иванова, В.И. Беляева, Н.С. Бачурина, С.А. Горячева, П.Ю. Шалимова и др.

Выбор рациональной формы силовой характеристики межвагонного амортизирующего устройства рассматривался в работах Е.П. Блохина, П.Т. Гребенюка, Б.Г. Кеглина, Л.А. Манашкина, Л.Н. Никольского, Н.А. Панькина, А.И. Бутенко, Г.Б. Крайзгура, Л.Д. Кузьмича, П.А. Устича.

В настоящее время созданы различные устройства для определения технического состояния вагона и отдельных его узлов, как в эксплуатации, так и при деповском ремонте. Активное участие в разработке приборов диагностирования вагонов приняли ученые: В.Ф. Барабанщиков, В.П. Баранов, С.Н. Лозинский, В.Л. Образцов, М.В. Орлов, М.М. Соколов, А.Ф. Тагиров, Ю.В. Зыков, В.Б. Свердлов.

На основе анализа работ в области создания средств технической диагностики для определения технического состояния вагона и отдельных его узлов установлено, что в настоящее время мало внимания уделяется испытанию при квазистатическом сжатии пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов грузовых вагонов при ремонте, что сказывается на надежности пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов.

Исследования Г.К. Сендерова позволяют проследить динамику отказов грузовых вагонов по неисправностям автосцепного устройства, его узлам и деталям за период с 2000 - 2006 г. Данные показывают, что по неисправностям поглощающих аппаратов количество отказов вагонов возросло в 1,5 раза, по обрывам упорной плиты, начиная с 2004 г. по 2006 г. почти в 2 раза. Чаще возникают отказы поглощающих аппаратов у вагонов, образующих группу «прочие», в которую входят изотермические вагоны, минераловозы, вагоны по перевозке агломера окатыша и др. (в 2006 г. на 1000 вагонов рабочего парка приходится 93,7 случаев отказа). За ними идут крытые вагоны и полувагоны ? 56,4 и 57,9 соответственно. У цистерн по данному типу неисправности с 2005 г. по 2006 г. наметилось снижение числа отцепок на 10,4%, связанное с внедрением эластомерных поглощающих аппаратов.

Для определения критериев оценки технического состояния поглощающих аппаратов в эксплуатации было проведено обследование упряжных устройств автосцепного устройства грузовых вагонов, поступивших в ремонт на МПРВ станции Свердловск-Сортировочный. У вагонов, отцепленных по неисправностям упряжного устройства, и вагонов, отцепленных по другим неисправностям, сравнивались установочные размеры и износ элементов автосцепки.

Анализ результатов обследования вагонов по показаниям аппаратуры диагностирования упряжного устройства показал, что неисправный поглощающий аппарат может стать причиной неисправности других узлов вагона.

Следовательно, для уменьшения отказов вагонов в эксплуатации необходимо обеспечить ремонт поглощающих аппаратов с определением их работоспособности на основе совершенствования методики контроля технического состояния поглощающих аппаратов грузовых вагонов при ремонте.

Вторая глава посвящена исследованию влияния неисправного поглощающего аппарата на техническое состояние вагона в целом.

С целью определения элементов конструкции автосцепного устройства, по которым можно выделить диагностические признаки, характеризующие надежность работы автосцепного устройства в целом, исследована взаимосвязь между различными неисправностями.

Проведено натурное обследование более тысячи вагонов, поступивших в текущий ремонт, а также вагонов, у которых были показания от устройств автоматического контроля перегрева букс (ДИСК2-Б), неровностей на поверхности катания (ДИСК2-К), устройства контроля подреза гребня колеса, аппаратуры диагностирования упряжного устройства (АДУ), устройства контроля угла набегания колеса на рельс (УНКР).

В ходе обследования вагона, забракованного по неисправности поглощающего аппарата, который будем именовать «системой А₁», выявлялись неисправности других узлов, систем, например, трещина корпуса автосцепки А₂, рамы вагона Q₁, литых деталей тележки Т₂, которые могли быть причиной или следствием неисправности системы А, выявленной при техническом обслуживании (осмотре) вагона на ПТО.

По данным обследования определялась условная вероятность наличия на вагоне неисправности j (например, состояние системы В_j) в случае выявления на нем i-й неисправности другой системы А_i.

, (1)

где: N(В_jА_i) - количество вагонов, отказавших по i-ой неисправности системы А и имеющих j-ю неисправность системы В;

N(А_i) - общее количество вагонов, отказавших по i-й неисправности системы А.

На вагоне, отцепленном в ремонт по неисправности i, другая неисправность j может быть в следующих случаях:

- случайное совпадение двух неисправностей на одном вагоне;

- неисправность i является причиной появление неисправности j;

- неисправность j является причиной появление неисправности i;

- обе неисправности i и j являются следствием других неисправностей или нарушений технического состояния вагона.

В таблице 1 представлены значения условных вероятностей неисправностей автосцепки. Полагаем, что данные состояния могут возникнуть в период между техническими обслуживаниями вагона на пунктах технического обслуживания.

На основании статистических данных по частоте отказов вагонов определяется вероятность отказа вагона по данной неисправности в течение года W_Bj. Зная годовой пробег L и длину гарантийных участков l_уч, определяется вероятность обнаружения В_j на данном вагоне при прохождении очередного технического обслуживания

. (2)

Таблица 1 Условные вероятности неисправностей автосцепки, кузова и рамы

Выявленная неисправность i	Условная вероятность неисправности j
	трещина автосцепки, А1	неисправность поглощающего аппарата, А2	трещина рамы вагона, Q1	неисправ-ность кузова, Q2
Трещина автосцепки, А1	1	0,8	-	-
Неисправность поглощающего аппарата, А2	0,052	1	0,031	0,014
Трещина рамы вагона, Q1	-	0,78	1	-
Неисправность Кузова, Q1	-	0,62	-	1

По данным статистического анализа отказов грузовых вагонов определена частота отказов по неисправностям автосцепки, представленная в таблице 2.

Таблица 2 Вероятность обнаружения на вагоне неисправности при прохождении очередного технического обслуживания

Вид неисправности	Условная вероятность отказов за год, Wj	Вероятность, P(Вj)
Неисправность литых деталей тележки, Т2	0,013	0,000071
Трещины, изгиб автосцепки, А1	0,183	0,00099
Неисправность поглощающего аппарата, А2	0,149	0,00081
Трещины рамы, Q1	0,085	0,00047
Неисправности кузова (обрыв стоек, сдвиг котлов цистерн), Q2	0,625	0,0034

На основании полученных данных определено количество информации, оценивающее степень взаимосвязи того или иного состояния систем грузового вагона, результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3.Информативность взаимосвязанных систем грузового вагона

Выявленная неисправность, j	Взаимосвязанная неисправность, i	P(j/i)/P(j)	Ji(j)
Неисправность поглощающего аппарата, А2	Трещина корпуса автосцепки А1	64,19	6,00
	Трещина рамы вагона, Q1	38,27	5,26
	Неисправность кузова, Q2	17,28	4,11

Техническое состояние автосцепного устройства может быть оценено интегральными, прямыми и косвенными диагностическими признаками.

Интегральные признаки определяются основными характеристиками вагона R и параметрами процесса функционирования F, прямые признаки определяются структурными параметрами Е, которые включают и дефекты D, косвенные признаки определяются, в основном, вспомогательными, сопутствующими параметрами V.

Третья глава посвящена определению силовых параметров поглощающих аппаратов, диагностирование которых при квазистатическом сжатии дает оценку их технического состояния.

В диссертационной работе исследование диагностических признаков производится на основе пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов, относящихся к классу Т0, типов Ш-1-ТМ и Ш-2-В, как наиболее распространенных на сети железных дорог ОАО «РЖД».

Для определения работоспособного состояния поглощающих аппаратов грузовых вагонов было проведено обследование неисправностей поглощающих аппаратов, снятых с вагонов, поступающих в деповской ремонт. Обследования проводились в 2005 по 2006 гг. в грузовом вагонном депо ст. Свердловск-Сортировочный по методике ОАО «ВНИИЖТ». Согласно методике каждый поглощающий аппарат подвергался испытанию на сжатие при квазистатическом сжатии со скоростью 0,01 м/с с усилием 600 кН с последующим снятием силовой характеристики и обмером всех деталей. Результаты обследования приведены в таблицах 4 и 5.

Таблица 4Результаты испытаний поглощающих аппаратов Ш-2-В

Характеристика	Количество аппаратов	Процент, %
Всего испытано аппаратов	73	100
Исправные	23	31,5
Неисправные	50	68,5
в том числе: трещины корпуса	5	6,8
износ стенки и износ клиньев	9	18,0
излом болта	23	31,5
просадка аппарата	13	17,8

Таблица 5 Результаты испытаний поглощающих аппаратов Ш-1-ТМ

Характеристика	Количество аппаратов	Процент, %
Всего испытано аппаратов	131	100
Исправные	12	9,16
Неисправные	119	90,8
в том числе: трещины корпуса	24	18,3
износ стенки и износ клиньев	26	19,8
излом болта	21	16,0
просадка аппарата	48	36,6

По данным проведенных испытаний выяснилось, что по износам фрикционных клиньев и стенок корпусов происходит около 20% неисправностей у каждого типа пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов. Данное обстоятельство связано с тем, что при проектировании поглощающих аппаратов применялась расчетная схема, не учитывающая условия взаимодействия контактных поверхностей и место приложения сил.

В эксплуатации наблюдается неравномерный износ фрикционных поверхностей клиньев и корпусов поглощающих аппаратов типов Ш-1-ТМ и Ш-2-В, и с помощью применяемой упрощенной схемы приложения сил этого не объяснить.

Для анализа работы фрикционного узла требуется системный подход, с помощью которого рассматривается взаимодействие нажимного конуса, клиньев и внутренних стенок корпуса поглощающего аппарата. Каждый поглощающий аппарат содержит три фрикционных гасителя колебаний, а каждый гаситель - две пары плоских фрикционных поверхностей. При таком количестве фрикционных поверхностей с учётом допусков обеспечить полный контакт всех рассматриваемых плоскостей, да ещё с приложением равнодействующей посредине площадок, практически невозможно.

Для достоверного анализа работы пружинно-фрикционного комплекта следует исходить из реальных условий и принять переход от полного контакта плоскостями к кромочному контакту отдельными гранями клина при сборке поглощающего аппарата.

Переход к кромочному контакту отдельными гранями клина учтён в предлагаемой расчётной модели взаимодействия фрикционного клина с нажимным конусом и корпусом поглощающего аппарата, представленной на рис. 1, которая обеспечивает принятую фазу взаимодействия, кроме того принимается, что износ наклонной поверхности нажимного конуса недопустим.

Рис. 1. Модель взаимодействия фрикционного клина с нажимным конусом и корпусом поглощающего аппарата

а) при сжатии; б) при разгрузке

Из проекций на координатные оси получаем соотношения

(3)

при движении нажимного конуса вниз;

(4)

при движении нажимного конуса вверх,

где Q - усилие пружины клина; м - коэффициент трения.

Момент сил относительно точки приложения силы В₂ с учётом плеч действующих сил:

УМ = 95В₁ - 35К₂ + 5К₁ - 45Q = 0 . (5)

Рассматривается последовательный ряд вариантов.

Распределение сил, действующих на клин при сжатии и разгрузке поглощающего аппарата при К₁=0, м=0,2.

Рис. 2 Распределение сил, действующих на клин при К₁=0, м = 0,2

а) сжатие поглощающего аппарата; б) разгрузка поглощающего аппарата

Распределение сил, действующих на клин при сжатии и разгрузке поглощающего аппарата, при К₂=0, м=0,2.



Рис. 3. Распределение сил, действующих на клин при К₂=0, м=0,2

а) сжатие поглощающего аппарата; б) разгрузка поглощающего аппарата

Для каждого рисунка представлена картина поведения клина при колебании нажимного конуса в вертикальной плоскости и даны величины действующих усилий при коэффициенте трения м = 0,20. Для рассмотренных вариантов особенным является изменение положения клина относительно контактных плоскостей; он меняет поверхности контакта и свое расположение в поглощающем аппарате при изменении направления смещения нажимного конуса (нагружение или разгружение).

В случае контакта по варианту 1 (К₁ = 0) наибольшее усилие В₁ = 1,16Q действует на верхней кромке фрикционного клина, поэтому на стенке корпуса поглощающего аппарата в верхней части наблюдается повышенный износ; в случае контакта по варианту 2 (К₂ = 0) наибольшее усилие В₂ = 1,14Q действует в нижней кромке фрикционного клина, поэтому повышенный износ будет наблюдаться в нижней части стенки корпуса поглощающего аппарата, от неравномерного износа образуется ступенька.

Таким образом, расположение фрикционных клиньев относительно стенок корпуса поглощающего аппарата определяет место возникновения и величину неравномерного износа стенок корпуса аппарата. Различие в относительном расположении рассматриваемых деталей вызывает также изменение расположения нажимного конуса.

Применение кромочного контакта поверхностей трения при расчётах позволяет выявить действительное нагружение рассматриваемого фрикционного узла и определить характер распределения удельной нагрузки на поверхность контакта по величине кромочных усилий.

Разработанная методика расчёта клинового фрикционного узла учитывает условия его работы в эксплуатации и создаёт возможность прогнозирования и выявления причин интенсивного изнашивания стенок корпуса поглощающего аппарата и позволяет реализовать меры по его предотвращению.

Для подтверждения теоретических расчетов по выбору диагностических признаков технического состояния поглощающих аппаратов необходимо смоделировать работу пружинно-фрикционного поглощающего аппарата при квазистатическом сжатии и полученные результаты сравнить с результатами испытаний поглощающих аппаратов на специальном стенде.

Разработка математической модели работы поглощающего аппарата при квазистатическом сжатии производилась в аналитической программной среде «Универсальный механизм» (АПС). Математическая модель записывались на встроенном языке программирования, основанном на языке высокого уровня PASCAL, и компилировалась в АПС.

Расчетная схема модели базируется на шести твердых телах, геометрия которых учитывалась в модели с минимальным количеством допущений. Схема нумерации тел: 1 - нажимной конус; 2, 3, 4 - фрикционные клинья (клин - тело 4, на схеме не отражен); 5 - нажимная шайба; 6 - корпус (рис. 4). Уравнение движения представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка с нелинейными правыми частями (в матричном виде) и записываются в общем виде:

, (6)

где - матрица масс;

- обобщенная координата;

- матрица-столбец сил инерции;

- матрица-столбец обобщенных сил.

Система (6) записана в общем виде. Для вывода правой части уравнения - обобщенных сил - разработана математическая модель силовых связей в поглощающем аппарате, затем производился синтез общих уравнений движения с использованием аналитической программной среды UM.

Характерной особенностью поглощающих аппаратов Ш-1-ТМ являются взаимодействий контактного типа: конус-клин, клин-корпус, клин-шайба. Для моделирования взаимодействий такого типа были использованы модели контактов типа «точка-плоскость» и «плоскость-окружность» реализованные в виде программных процедур АПС UM.

Коэффициенты контактной жесткости с_к, приведенных выше взаимодействий, подбираем опытным путем изменяя величину контактного проникновения тел в точке:

(7)

где - величина контактного проникновения;

- статическая нагрузка в точке контакта.



Рис. 4. Схема силового взаимодействия между телами поглощающего аппарата

Коэффициент диссипации в_R принимается по заданной доле от критического демпфирования:

, (8)

где m_Т - масса тела.

Модель силового взаимодействия нажимного конуса и клина включает четыре контактных взаимодействия типа точка-плоскость. Точками задана геометрия наклонной поверхности нажимного конуса, а плоскостью - верхняя наклонная поверхность клина.

Силовое взаимодействие клина и корпуса поглощающего аппарата задано 8-ми контактными взаимодействиями типа точка-плоскость. Точками задана геометрия вертикальной поверхности клина, плоскостями - внутренние грани горловины корпуса поглощающего аппарата.

Модель силового взаимодействия нажимного конуса и клина включает 4 контактных взаимодействий типа точка-плоскость. Точками задана геометрия наклонной поверхности нажимного конуса, а плоскостью - верхняя наклонная поверхность клина.

Силовое взаимодействие клина и корпуса поглощающего аппарата задано 8-ми контактными взаимодействиями типа точка-плоскость. Точками задана геометрия вертикальной поверхности клина, плоскостями - внутренние грани горловины корпуса поглощающего аппарата.

Модель силового взаимодействия нажимной шайбы и клина представлена контактным взаимодействием типа плоскость-окружность. Окружностью задана геометрия верхней части шайбы, а плоскостью - нижняя наклонная поверхность клина.

Две пружины поглощающего аппарата, связывающие корпус и нажимную шайбу представлены в виде безынерционных линейных упругих элементов. Реактивные силы и моменты, возникающие в упругом элементе:

, (9)

где - вектор смещения шайбы относительно основания пружины (отклонения от положения статического равновесия);

F₀ - значения сил в положении статического равновесия.

Для оценки применимости разработанных математических моделей к моделированию была проведена верификация математической модели работы поглощающего аппарата при квазистатическом сжатии. Адекватность математической модели определялась сравнением значений максимального усилия сжатия и хода поглощающего аппарата по силовым характеристикам, полученных расчетным и экспериментальным путем.

Анализ приведенных силовых характеристик показывает, что из семи поглощающих аппаратов по энергоемкости четыре аппарата наиболее близки по значениям ? это №1, №2, №5 и №6 с расхождением от экспериментальных данных 9,1%, 3,0%, 0% и 3,6% соответственно. Учитывая то, что наиболее полное представление о работоспособности поглощающих аппаратов дает энергоемкость, можно сказать об удовлетворительной сходимости расчетных и экспериментальных данных.

Полученные результаты сопоставления показывают, что разработанная математическая модель испытаний поглощающих аппаратов на стенде адекватно отражает работу деталей поглощающего аппарата с различными износами и может быть использована для дальнейших теоретических исследований и выбора диагностических признаков технического состояния пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов в условиях деповского ремонта с использованием силовых характеристик, полученных при сжатии на специальном стенде.

В ходе исследования силовых характеристик поглощающих аппаратов (рис. 5.) по кривым сжатия были проанализированы следующие диагностические признаки:

- энергоемкость поглощающего аппарата Е, кДж. Определяется как площадь, ограниченная кривой сжатия;

- ход поглощающего аппарата Х при сжимающем усилии, мм;

- приращение силы сжатия Fd при нулевом ходе Хd=0, Н. Этот параметр отвечает за наличие ступенчатого износа на стенке корпуса поглощающего аппарата. Характеризуется вертикальной линией сжатия при остановившемся ходе;

- жесткость поглощающего аппарата с, МН/м. Данный диагностический признак отвечает за износы фрикционных деталей аппарата и характеризуется наклоном кривой на прямолинейном участке в начальный момент сжатия аппарата.



Исправные Неисправные

Рис. 5. Силовая характеристика пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов

Для всех диагнозов D_i технического состояния поглощающих аппаратов, полученных в результате обследования, необходимо рассчитать диагностическую ценность реализации признака . Расчеты производятся по следующей формуле:

(10)

где - вероятность диагноза D_i при условии обнаружения признак;

- априорная вероятность диагноза D_i, для Ш-1-ТМ Р(D₂)=0,458, для Ш-2-В Р(D₂)=0,342.

По результатам расчетов диагностической ценности наибольшее значение у аппаратов Ш-1-ТМ имеет диагностический признак - ход Х (1,4); у аппаратов Ш-2-В ? жесткость с (1,6).

Для определения сравнительной оценки стоимости ошибок первого и второго рода по условию минимального риска необходимо задаться пороговым значением л для отношения правдоподобия - отношение плотностей вероятностей распределения x при двух состояниях объекта.

_, (11)

где С₂₁ и С₁₂ - условные значения, оценивающие последствия пропуска дефекта и ложной тревоги. В данном случае соотношение цены последствия пропуска дефекта и ложной тревоги принят 40 (по экспертной оценке последствий ошибок). Тогда отношение правдоподобия л для аппаратов Ш-2-В составит 20, при котором оптимальная величина жесткости аппаратов с для определения технического состояния равна 14 МН/м (рис. 6); для аппаратов Ш-1-ТМ - 33,8, при котором оптимальная величина хода аппарата х для определения технического состояния равна 14 мм (рис. 5).

Распределения плотностей вероятности диагностического параметра исправного D₁ и дефектного D₂ состояний поглощающих аппаратов приведены на рис. 6 и 7.



Тогда оценка стоимости ошибок первого и второго рода для аппаратов Ш-2-В составит:

, (12)

. (13)

Для аппаратов Ш-1-ТМ

, (14)

. (15)

По расчетам были получены следующие значения вероятностей возможных ошибок при определении технического состояния поглощающих аппаратов:

- жесткость поглощающих аппаратов Ш-2-В - вероятность ложной тревоги Р(Н₂₁) = 0,1618; вероятность пропуска дефекта Р(Н₁₂)= 5,25Ч10^-4;

- ход поглощающих аппаратов Ш-1-ТМ - вероятность ложной тревоги Р(Н₂₁) = 0,283; вероятность пропуска дефекта Р(Н₁₂)= 0,084.

По полученным вероятностям возможных ошибок диагностический признак, определяющий техническое состояние поглощающих аппаратов Ш-1-ТМ, недостаточно эффективен, так как вероятность пропуска дефекта равна 8,4%.

Таким образом, для определения исправного технического состояния пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов при деповском ремонте необходимо проводить их испытание на сжатие усилием 600 кН с контролем следующих параметров:

- жесткость поглощающего аппарата Ш-2-В, величина которой должна быть не меньше 14 МН/м, согласно расчетам в диссертационной работе;

- высота поглощающих аппаратов составляет 568⁺⁷ мм согласно требованиям инструкция ЦВ-ВНИИЖТ-494;

- усилие начальной затяжки составляет от 100 до 400 кН согласно требованиям ОСТ 32.175-2001.

Четвертая глава посвящена описанию стенда для испытаний и ремонта поглощающих аппаратов грузового подвижного состава и методике испытаний поглощающих аппаратов при ремонте.

В настоящее время вагоноремонтные предприятия всей сети железных дорог Российской федерации испытывают трудности с ремонтом поглощающих аппаратов. Это, прежде всего, связано с многообразием эксплуатирующихся типов поглощающих аппаратов:Ш-1-ТМ, Ш-2-В, Ш-6-ТО-4, металлокерамических ПМК - 110. Многочисленные депо не имеют стендов и устройств, позволяющих разобрать и зарядить эти аппараты.

Существующая технология ремонта поглощающих аппаратов не в полной мере обеспечивает надежность автосцепного устройства в эксплуатации, так как не производится проверка работоспособности поглощающего аппарата перед постановкой на вагон.

На сегодняшний день существует стенд СПА-160 для испытаний и ремонта поглощающих аппаратов грузового подвижного состава (рис. 8.), разработанный Уральским отделением ОАО «ВНИИЖТ», предназначенный для контроля технического состояния и технического диагностирования поглощающих аппаратов согласно инструкции ЦВ-ВНИИЖТ-494; для разборки, сборки и зарядки аппаратов в вагонных депо и на вагоноремонтных заводах, а также для проверки их функциональной работоспособности перед постановкой на вагон.

На стенде СПА-160 можно испытывать под нагрузкой до 160 тс любые поглощающие аппараты пассажирских и грузовых вагонов по мере внесения в инструкцию ЦВ-ВНИИЖТ-494 нормативных параметров для проверки этих аппаратов.

Результаты испытаний отображаются на дисплее, установленного на раме стенда контроллера и распечатываются на прилагаемом принтере, 125 результатов испытаний также сохраняются в памяти контроллера и переносятся в память прилагаемого компьютера, в конце рабочей смены. В компьютере результаты испытаний хранятся в виде таблиц «ЕХCЕL».

Контроллер СПА позволяет осуществить полный контроль процесса диагностики и ремонта поглощающих аппаратов

Стенд развивает максимальное усилие на прессе 160 тс (1600 кН). Максимальное рабочее давление в гидросистеме 20 МПа создается двигателем мощностью 22 кВт с нерегулируемым насосом типа 3102.56-04. Для испытания и разборки поглощающих аппаратов принята скорость перемещения плунжера гидроцилиндра 10 мм/с, что достаточно для получения достоверной характеристики всех типов поглощающих аппаратов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что вследствие неисправности поглощающего аппарата условная вероятность отказа вагона по трещинам корпуса автосцепки составляет 0,052; трещинам рамы вагона - 0,031; неисправностям кузова вагона - 0,014.

2. Выявлена взаимосвязь неисправного поглощающего аппарата с неисправностями корпуса автосцепки, кузова и рамы вагона, которая оценена количеством информации.

3. Предложена расчетная модель взаимодействия фрикционного клина с нажимным конусом и корпусом поглощающего аппарата, учитывающая неравномерный износ его пар трения.

4. Разработана математическая модель работы поглощающего аппарата при квазистатическом сжатии. Установлено, что расхождение результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных по энергоемкости не превышает 9%.

5. Выбраны на основе исследования диагностической ценности диагностические признаки технического состояния пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов - ход поглощающего аппарата Ш-1-ТМ и жесткость поглощающего аппарата Ш-2-В.

6. Установлено с использованием разработанной методики выбора диагностических признаков технического состояния поглощающих аппаратов при квазистатическом сжатии с усилием 600 кН, что поглощающий аппарат типа Ш-1-ТМ будет исправен при ходе не более 14 мм, а поглощающий аппарат Ш-2-В - при жесткости не менее 14 МН/м. При этом вероятности ложной тревоги и пропуска дефекта будут равны: для Ш-1-ТМ - 0,283 и 0,084; для Ш-2-В - 0,1618 и 5,25Ч10^-4 соответственно.

7. Разработан стенд для испытаний и ремонта поглощающих аппаратов грузовых вагонов, позволяющий испытывать поглощающие аппараты всех типов со снятием силовых характеристик при квазистатическом сжатии до 1,6 МН со скоростью 0,01 м/с. Данная разработка запатентована Уральским отделением ОАО «ВНИИЖТ».

8. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения стендов для испытаний и ремонта поглощающих аппаратов по сети железных дорог ОАО «РЖД» составляет 642 тыс. руб. на один стенд.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ СОИСКАТЕЛЯ

1. Сендеров Г.К., Поздина Е.А., Антропов А.Н., Пряников С.А. Обеспечивать сохранность вагонов // Железнодорожный транспорт, 2005. - № 10. - С. 55 - 58. Издание «Железнодорожный транспорт» входит в Перечень изданий рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертаций.

2. Пряников С.А., Зыков Ю.В. Исследование и разработка новых технических решений по обеспечению безотказности автосцепного устройства грузового подвижного состава // Транспорт Урала, 2008. - № 2(17). ? С. 31 - 34. Издание «Транспорт Урала» входит в Перечень изданий рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертаций.

3. Пряников С.А. Диагностирование поглощающих аппаратов при деповском ремонте // Молодые ученые - транспорту: Труды V межвузовской научно-технической конференции в двух частях. Часть 2. - Екатеринбург: УрГУПС, 2004. - С. 68 - 72.

4. Пряников С.А. Анализ диагностических признаков технического состояния поглощающих аппаратов грузовых вагонов при деповском ремонте // Безопасность движения, совершенствование конструкций вагонов и ресурсосберегающие технологии в вагонном хозяйстве: Сб. науч. тр. // Под науч. ред. А.В. Смольянинова, д.т.н. - Екатеринбург: УрГУПС, 2008. ? Вып. 61(144). ? С. 47 -56.

5. Свердлов В.Б., Иргер Г.Ю., Пряников С.А. Стенд для ремонта и испытания поглощающих аппаратов подвижного состава // Тяжелое машиностроение, 2005. - №4 ? С. 39 - 40.

6. Сендеров Г.К., Поздина Е.А., Антропов А.Н., Пряников С.А. Мониторинг работы железных дорог по сохранности грузового вагонного парка // Ж.-д. транспорт. Сер. Вагоны и вагонное хозяйство. Ремонт вагонов. - ОИ/ЦНИИТЭИ ОАО «РЖД», 2006. - Вып. 1. ? С. 1 - 16.

7. Свердлов В.Б., Пряников С.А., Акмалов С.Г., Иргер Г.Ю. Повышение надежности работы автосцепных устройств грузовых вагонов // Ж.-д. транспорт. Сер. Вагоны и вагонное хозяйство. Ремонт вагонов. - ОИ/ЦНИИТЭИ ОАО «РЖД», 2006. - Вып. 2. ? С. 1 - 12.

8. Пат. 61033 RU U1 МПК G01М 17/08. Стенд для испытания и ремонта поглощающих аппаратов грузовых вагонов / Свердлов В.Б., Иргер Г.Ю., Акмалов С.Г., Ступин Д.А., Пряников С.А. Опуб. 10.02.07. Бюл. №4.

9. Пат. 48628 RU U1 МПК 7 G 01 B 13/00, B 61G 9/00. Стенд для испытания и ремонта поглощающих аппаратов пассажирских вагонов / Свердлов В.Б., Иргер Г.Ю., Акмалов С.Г., Беляев В.И., Пряников С.А. Опуб. 27.10.05. Бюл. №30.

10. Пряников С.А., Зыков Ю.В. Методика обследования технического состояния поглощающих аппаратов грузовых вагонов и проведение стендовых испытаний // Безопасность движения, совершенствование конструкций вагонов и ресурсосберегающие технологии в вагонном хозяйстве: Сб. нуач. тр., посв. 50-летию УрГУПС и 35-летию механ. факультета // Под ред. проф. А.В. Смольянинова. - Екатеринбург: УрГУПС, 2005 ? Вып. 38(121). - С. 112-116.

11. Пряников С.А., Зыков Ю.В. Выбор диагностических признаков технического состояния пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов грузовых вагонов при деповском ремонте // Молодые ученые - транспорту: Сб. науч. тр., посв. 170-летию российских железных дорог. - Екатеринбург: УрГУПС, 2007. - С. 111 - 127.

Размещено на Allbest.ru

...