Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Система внутреннего представления в управлении движеняими и организации сенсомоторного взаимодействия

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Система внутреннего представления в управлении движеняими и организации сенсомоторного взаимодействия"

На правах рукописи

БОЛДЫРЕВ Алексей Петрович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПОГЛОЩАЮЩИХ АППАРАТОВ АВТОСЦЕПКИ

Специальность 05.22.07 Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет» (БГТУ) на кафедре «Динамика и прочность машин».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бороненко Юрий Павлович

доктор технических наук, доцент Бесиалько Сергей Валерьевич

ФГУП Всероссийский научно-исследовательский и

конструкторско-технологнческий институт подвижного состава

Защита состоится 28 сентября 2006 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 218.008.05 Петербургского государственного университета путей сообщения Федерального агентства железнодорожного транспорта Российской Федерации по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Отзывы на работу, заверенные печатью, просим направлять в совет университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В.А. КРУЧЕК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Железнодорожный транспорт России переживает сейчас достаточно ответственный период реформирования. Наблюдающийся в последние годы рост экономики и, соответственно, объемов перевозок требует от перевозчиков обеспечить своевременную и качественную доставку грузов. Специалисты ОАО "РЖД" и ведущих научных организаций отрасли разработали Программу развития грузового вагоностроения на 2004 — 2010 гг. Она предусматривает создание вагонов нового поколения с улучшенными потребительскими свойствами и технико-экономическими параметрами. Одно из направлений при проектировании таких конструкций — повышение надежности и долговечности автосцепного устройства, в том числе за счет применения высокоэнергоемких поглощающих аппаратов, позволяющих обеспечить сохранность перевозимого груза и самого вагона.

За последние годы скорость соударения вагонов при маневрово-горочных операциях увеличилась, растут массы вагонов и поездов. Существующие ограничения по максимальной скорости соударения не выполняются. Вероятность соударений с повышенными скоростями постоянно возрастает из-за увеличения осевых нагрузок, роста числа механизированных горок и вагонов на роликовых подшипниках. Кроме того, с повышением веса и скорости движения поездов увеличиваются и продольные усилия в межвагонных связях, достигающие наибольших значений при переходных режимах движения. Аналогичные тенденции наблюдаются также на железных дорогах многих стран мира.

Как следствие этого, увеличивается поступление вагонов в ремонт. Велики также экономические потери от повреждений при ударах транспортируемых грузов. Проблема безопасности особенно актуальна для вагонов и цистерн, перевозящих различные химические продукты, ценные, опасные и оборонные грузы. Многих произошедших в последние годы аварий и катастроф с жертвами и серьезными экологическими последствиями можно было бы избежать, оснащая такие вагоны высокоэффективными амортизирующими системами с применением гидравлических и эластомерных элементов. В Постановлении Правительства РФ № 253 содержится прямое указание на необходимость разработки перспективных отечественных поглощающих аппаратов, не уступающих мировым стандартам.

Таким образом, вопросы моделирования, расчета и оптимального проектирования широкого ряда амортизаторов удара являются актуальными и решают важные народнохозяйственные задачи — повышение безопасности движения, снижение ущерба от порчи оборудования и перевозимых грузов.

Целью работы является разработка теоретических и практических основ совершенствования поглощающих аппаратов автосцепки.

Комплекс исследований, в результате которого достигается эта цель, включает:

- совершенствование методики оптимального проектирования амортизаторов удара;

- отработку методики имитационного моделирования нагруженности вагона продольными силами в части моделирования маневровых операций, переходных режимов движения поезда для различных типов вагонов, поглощающих аппаратов и перевозимых грузов;

- применительно к задачам продольной динамики разработку математических моделей грузовых, рефрижераторных вагонов, вагонов-цистерн, контейнерных платформ, а также разработку моделей связей оборудования и пере-, возимых грузов;

- создание математических моделей новых поглощающих аппаратов и совершенствование математических моделей серийных амортизаторов удара;

- экспериментально-теоретические исследования новых поглощающих аппаратов с целью совершенствования их конструкции;

- исследование влияния показателей силовых характеристик поглощающих аппаратов на эксплуатационную нагруженность вагона и оценку эффективности работы поглощающих аппаратов для различных условий эксплуатации подвижного состава.

Общая методика исследований.

Методологической основой работы являются современные представлен™ о нестационарных динамических процессах колебаний рельсовых экипажей при продольных ударных воздействиях. Построение и решение систем нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих динамические процессы, осуществлялось с использованием современных численных методов, широко применялось компьютерное моделирование.

При разработке адекватных математических моделей амортизирующих устройств использовались современные представления о процессах в реальных жидкостях и в вязкоупругих высокоэластичных и полимерных материалах, а также процессах трения при ударном сжатии. Одновременно проводилась идентификация параметров моделей по динамическим процессам, происходящим в натурных объектах.

Методики оптимального проектирования предусматривали применение вероятностно-статистических методов и современных алгоритмов нелинейного программирования.

Экспериментальные исследования проводились с использованием методов математической статистики и теории планирования эксперимента, статистических испытаний. Применялась современная контрольно-измерительная и регистрирующая аппаратура; обработка результатов проводилась на ЭВМ.

Научная новизна-работы.

Разработаны теоретические и практические основы совершенствования поглощающих аппаратов автосцепки грузовых вагонов, включающие:

- усовершенствованную методику оптимального проектирования амортизаторов удара, использующую критерии эффективности, которые учитывают реальные условия эксплуатации, физическую природу возможных отказов, величину экономического ущерба от продольных перегрузок, а также затраты на производство, эксплуатацию и ремонт поглощающего аппарата;

- уточненную методику имитационного моделирования нагруженности вагона продольными силами в части моделирования маневровых операций, переходных режимов движения поезда для различных типов вагонов, поглощающих аппаратов и перевозимых грузов;

— разработанную и апробированную методику идентификации параметров математических моделей аппаратов, основанную на минимизации рассогласования расчетных и экспериментальных данных;

— применительно к задачам продольной динамики математические модели грузовых, рефрижераторных вагонов, вагонов-цистерн, контейнерных платформ, а также модели связей оборудования и перевозимых грузов;

- математические модели новых поглощающих аппаратов и усовершенствованные математические модели серийных амортизаторов удара.

С использованием разработанных методик созданы конструкции поглощающих аппаратов: эластомерный аппарат ЭПА-120 (пат. РФ № 2115578), фрикционно-полимерный аппарат ПМКП-110 (пат. РФ № 2128301), фрикционно-эластомерный аппарат ПМКЭ-110 (пат. РФ № 2198809), гидрополимерный аппарат ГП-120А (пат. РФ № 2260533), фрикционный пластинчатый аппарат с автоматической компенсацией износа (а.с. №№ 1093590, 1341088), аппарат с объемным распором (а.с. №№ 1315352, 1643265).

Разработаны специальные порошковые фрикционные материалы, позволившие повысить ресурс и энергоемкость поглощающих аппаратов (пат. РФ № 2034086).

Получены силовые характеристики ударного и квазистатического сжатия эластомерных, полимерных, гидрополимерных и комбинированных фрикционных амортизаторов в широком диапазоне скоростей соударения и масс вагонов, а также при работе в условиях масляной среды, низких температур, которые используются для оценки продольной нагруженности вагона.

Исследовано влияние параметров силовых характеристик поглощающих аппаратов на эксплуатационную нагруженность вагона и проведена сравнительная оценка эффективности работы серийных и перспективных поглощающих аппаратов на грузовых вагонах нескольких типов.

Показано, что основными путями повышения эффективности поглощающих аппаратов являются:

- совершенствование конструкций с использованием методов оптимизации, учитывающих как техническую, так и экономическую целесообразность установки на вагоны конкретного типа поглощающего аппарата и обеспечивающих минимальные значения критериев эффективности;

— обеспечение стабильной и надежной работы в широком диапазоне эксплуатационных параметров;

— применение современных фрикционных и полимерных материалов;

- использование комбинированных конструкций поглощающих аппаратов - фрикционно-полимерных, фрикционно-эластомерных, гидрополимерных и др.

Практическая ценность и реализация работы.

Применение разработанных в диссертации математических моделей, методик оптимизации и расчета силовых характеристик позволяет сократить сроки проектирования поглощающих аппаратов.

В результате расчета оптимальных параметров конструкции значительно снижается объем экспериментальных исследований за счет ограничения количества опытных образцов.

Основные научные положения работы реализованы при создании поглощающих аппаратов автосцепки, внедренных на железнодорожном транспорте:

— с 1986 года выпускается и устанавливается на всех грузовых вагонах общего назначения фрикционный поглощающий аппарат ПМК-110А (ПМК-110К-23), разработанный с участием автора;

— совершенствование аппарата ПМК-11ОА привело к созданию с участием автора двух конструкций - фрикцнонно-полимерного аппарата класса Т1 — ПМКП-110 и более энергоемкого фрикционно-эластомерного аппарата класса Т2-ПМКЭ-110;

— для вагонов, имеющих сложное оборудование, перевозящих оборонную технику, а также цистерн для перевозки опасных грузов при непосредственном участии автора разработаны поглощающие аппараты класса ТЗ - эла-стомерный ЭПА-120 и гидрополимерный ГП-120А.

Оценено влияние начальной затяжки поглощающих аппаратов на продольную нагруженность вагона.

Получено статистическое распределение продольных сил, действующих" на грузовой вагон в эксплуатации в случае оборудования его различными поглощающими аппаратами.

Основной объем исследований проводился в соответствии с планами и перспективными программами МПС (ОАО "РЖД"), по заказам ведущих железнодорожных организаций и предприятий России: ФГУП ВНИИЖТ, ОАО "Брянский машиностроительный завод", ООО "ПК " Бежицкий сталелитейный завод" и др., а также по линии Министерства образования РФ в рамках программ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", "Фундаментальные исследования в области технических наук", "Инновационная деятельность высшей школы".

Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе БГТУ в рамках курсового и дипломного проектирования, НИРС и УИРС, а также при подготовке диссертационных работ аспирантами и соискателями.

Разработанные методики и научные принципы, обширный расчетный и экспериментальный материал могут служить основой в проблеме нормирования показателей и проектирования перспективных амортизирующих устройств железнодорожных и других транспортных средств.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на Всесоюзных, Всероссийских и международных конференциях, симпозиумах и конгрессах: Проблемы механики железно-

дорожного транспорта. - Днепропетровск, 1984, 1988, 1992, 1996, 2000, 2004; Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта. 65 Между-нар. науч-практич. конф.- Днепропетровск, 2005; Наука в транспортном измерении. I международная науч. - практич. конф. - Киев, 2005; Проблемы развития рельсового транспорта. VII междунар. науч.-техн. конф. - Крым, Ливадия, 1997; Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Междунар. на-уч.-практ. конф. - Донецк: ДонГТУ. - 2002; Проблемы развития рельсового транспорта. XIII - XV Междунар. науч.-практ. конф. Луганск, Крым - 20032005; Полимерные композиты - 2000. Междунар. науч.-техн. конф. - Гомель: ИММС НАНБ, 2000; Надежность машин и технических систем. Междунар. на-уч.-техн. конф. - Минск: Институт технической кибернетики HAH Беларуси, 2001; Подвижной состав железнодорожного транспорта. Междунар. науч.-практ. конф. - Гомель: БелГУТ, 2004; Перспективы развития вагоностроения: Всес. науч. техн. конф. - Москва.: ВНИИ вагоностроения, 1988; Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия. Междунар. науч. симпозиум. - Орел: ОГТУ, 2000; Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты. III науч.- техн.. конф. - Санкт-Петербург: ПГУПС МПС России, 2003; Механика и трибология транспортных систем - 2003. Междунар. конгресс. - Ростов - на - Дону: Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2003; Вопросы качества, надежности, прочности и долговечности машиностроительной продукции. XIII, XIV науч. техн. конф. - Калинин, 1989; Тверь, 1991; Проблемы и перспективы развития вагоностроения. II междунар. науч.-практ. конф. г. Брянск: БГТУ, 2005; Качество машин. 4-я междунар. науч.-техн. конф. - Брянск: БГТУ, 2001; Проблемы повышения качества промышленной продукции. 3-я междунар. науч.-тех. конф. - Брянск, 1998; 53 - 57 науч. конф. проф.-препод. состава. - Брянск: БГТУ, 2001-2005.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 74 работы, из них 1 монография, 8 публикаций в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 5 авторских свидетельств, б патентов РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав и списка литературы. Материал диссертационной работы изложен на 360 машинописных листах и содержит 49 таблиц и 211 рисунков. Список использованной литературы состоит из 296 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе обоснована актуальность темы диссертации, дан анализ современного состояния проблемы совершенствования поглощающих аппаратов автосцепки, сформулированы цели и задачи исследования.

За последние годы скорость соударения вагонов при маневрово-горочных операциях значительно увеличилась, растут массы вагонов и поездов. Доля вагонов, поврежденных на железных дорогах, соответственно также возрастает: если в 1971-75 гг. она составила 8,5%, то в 1992 г. - 33,4 %. При этом повреждения вагонов почти полностью происходят при маневровых работах, и основной причиной этого остается превышение нормативной скорости соуда-

рения вагонов, нарушения технических условий погрузки и крепления грузов, приводящие к их сдвигу. Вероятность соударений с повышенными скоростями постоянно возрастает из-за увеличения осевых нагрузок, роста числа механизированных горок.

В свете вышеизложенного вопросы моделирования, расчета и оптимального проектирования широкого ряда амортизаторов удара являются актуальными.

В настоящее время наибольшее применение на отечественном и зарубежном подвижном составе нашли фрикционные, гидрофрикционные, резино-металлические и гидрополимерные амортизаторы удара. А в последние годы в России широкое распространение получают эластомерные и фрикционно-полимерные аппараты.

Обилие конструкций поглощающих аппаратов предполагает различные физические процессы, протекающие при их ударном сжатии. Для эффективного проектирования амортизаторов требуются современные методики, основанные на достоверном описании работы различных типов поглощающих аппаратов, использующем адекватные математические модели, как самих аппаратов, так и различных элементов конструкции вагонов, оборудования и перевозимых грузов.

В разработке научных основ создания современных амортизирующих устройств приняли участие советские ученые Е.П. Блохин, C.B. Вершинский, П.Т. Гребенюк, C.B. Дувалян, Б.Г. Кеглин, В.А. Лазарян, А.А. Львов, Л.А. Манашкин, Л.Н. Никольский, H.A. Панькин, Н.Г. Беспалов, З.О. Каракашьян, Г.Б. Крайзгур, Л.Д. Кузьмич, A.C. Осипов, И.В. Селинов, Б.Л. Стамблер, А.Т. Харитонов, A.B. Юрченко и др.

Основополагающее значение имеют работы заслуженных деятелей науки и техники РФ профессора доктора технических наук Л.Н. Никольского и профессора доктора технических наук Б.Г. Кеглина.

В развитие исследований по продольной динамике вагона и поезда значительный вклад внесен работами C.B. Вершинского, П.Т. Гребенюка, C.B. Дуваляна, В.Г. Иноземцева, В.В. Коломийченко, Е.Л. Кузьминой , А.Д. Малова, H.A. Панькина, П.А. Устича, В.Д. Хусидова, Ю.М. Черкашина. В Днепропетровском институте инженеров железнодорожного транспорта (ДИИТ) под руководством В.А. Лазаряна и его последователей Е.П. Блохина, Л.А. Манашкина, Б.Л. Стамблера, Н.М. Хачапуридзе, A.B. Юрченко был разработан ряд аналитических методов расчета, позволяющих давать качественный анализ динамических процессов, а также комплекс алгоритмов и программ для решения задач продольной динамики поезда.

Вопросы совершенствования методов расчета продольных сил, связаных с уточнением математических моделей системы вагон-груз и разработкой способов идентификации параметров рассматривались в работах В.А. Лазаряна, Л.А. Манашкина, Б.Г. Кеглина, А.Д. Малова, П.А.Устича, Ю.М. Черкашина, A.B. Юрченко, Г.И. Богомаза.

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, A.B. Иванова, В.И. Беляева, Н.С. Бачурина, С.А. Горячева, П.Ю. Шалимова и др.

Важно отметить разработанные учеными ВНИИЖТа нормативно-технические документы, касающиеся разработки новых конструкций, испытаний, эксплуатации и ремонта поглощающих аппаратов.

Методам расчетного моделирования эксплуатационной нагруженности вагонов продольными силами посвящены работы Л.Н. Никольского, Б.Г. Кеглина, H.A. Костенко, H.A. Костиной, A.JL Лисицына, Л.А. Манашкина, А.Г. Нетеса, В.М. Рудановского, H.A. Семина, Г.А. Сендерова, К.К. Тихонова, О.В. Фетисова, Л.А. Шахнюка, A.B. Юрченко, А.И. Гореленкова.

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, H.A. Пань-кина, А.И. Бутенко, Г.Б. Крайзгура, Л.Д. Кузьмича, П.А. Устича, Лангера и Томе.

Следует отметить сравнительно малое число работ, посвященных оптимальному проектированию конкретных амортизаторов удара. В проблеме совершенствования конструкций и оптимального проектирования поглощающих аппаратов требуют уточнения целевые функции оптимизации — экономические критерии эффективности работы амортизирующих устройств, при этом необходимо оценивать степень их значимости с учетом современных нормативных требований. Нуждаются в совершенствовании отдельные аспекты методики оптимизации, связанные с уточнением спектров эксплуатационных параметров, применением современных численных методов минимизации. Появившиеся в последнее время новые типы поглощающих аппаратов (полимерные, эласто-мерные и др.) вызывают необходимость разработки адекватных математических моделей.

Учитывая изложенное выше, а также основываясь на современном уровне развития науки в этой области, сформулирована цель диссертационной работы: разработка научных основ совершенствования поглощающих аппаратов автосцепки.

Диссертация продолжает и развивает научное направление, созданное Л.Н. Никольским и Б.Г. Кеглиным. Считаю необходимым выразить глубокую признательность заслуженному деятелю науки и техники РФ доктору технических наук профессору Борису Григорьевичу Кеглину за консультации и обсуждение полученных в работе результатов.

Вторая глава посвящена критериям оценки эффективности поглощающих аппаратов автосцепки и методике их оптимального проектирования.

Критерии эффективности работы поглощающих аппаратов

При разработке новых или оценке существующих поглощающих аппаратов необходима система показателей, учитывающих свойства межвагонного

амортизирующего устройства с позиций его основного назначения — защиты вагона, оборудования и перевозимого груза от продольных нагрузок. Система может включать детерминированные и стохастические показатели, с различных сторон оценивающие свойства амортизатора, в том числе включающая показатели надежности. Кроме того, необходимы экономические критерии, учитывающие затраты на ремонт вагонов, ущерб от отцепок и простоев вагонов и аварийных поездных ситуаций, связанных с неудовлетворительной работой поглощающего аппарата.

В результате совместной работы ряда организаций введен в действие отраслевой стандарт ОСТ 32.175-2001 "Аппараты поглощающие автосцепного устройства грузовых вагонов и локомотивов", устанавливающий общие технические требования к вновь создаваемым поглощающим аппаратам. В стандарте устанавливаются детерминированные показатели, в основном оценивающие силовую характеристику аппарата, которая в наибольшей степени определяет эффективность работы амортизатора удара. Вводятся показатели: сила начального сопротивления аппарата сжатию (сила начальной затяжки) Р0; статическая характеристика; динамическая характеристика; номинальная нормативная сила Рц; максимальная нормативная сила Рм; номинальная энергоемкость Ец; максимальная энергоемкость Ем\ статическая энергоемкость Ест.

Важно отметить, что в нормативных документах указывается, что поглощающие аппараты должны быть специализированными, различающимися по своим характеристикам в зависимости от того, на каком объекте они будут эксплуатироваться. Отраслевой стандарт предусматривает подразделение поглощающих аппаратов по основным техническим показателям на 4 класса - ТО, Т1,Т2,ТЗ.

Роль отраслевого стандарта на поглощающие аппараты, безусловно, прогрессивна. Однако многочисленность и разнородность отдельных показателей, сложность в установлении степени их важности затрудняют оптимальное проектирование амортизаторов удара. В практике проектирования имеют место случаи, когда амортизатор не удовлетворяет нормативам по отдельным показателям: при достаточной номинальной энергоемкости имеет недостаточную максимальную, или наоборот; может иметь повышенную начальную силу или пониженную силу закрытия аппарата и т. п. Кроме того, система детерминированных показателей не учитывает нестационарность процессов нагружения вагонов - параметры режимов его эксплуатации имеют большое рассеяние — условия, в которых работает поглощающий аппарат существенно различаются: это различные виды соударений на горках (массы, скорости, количество вагонов в сцепах и т.д.), работа при переходных режимах движения поезда (торможение, трогание, движение по переломам профиля). Требуют также экономического обоснования показатели стабильности аппаратов - особенно при низких температурах: вероятность работы аппарата при низких температурах достаточно мала, а удорожание конструкции весьма значительно, поэтому неясно что в конечном итоге больше - ущерб от порчи вагонов и перевозимых грузов или дополнительные затраты на производство, ремонт и эксплуатацию аппаратов.

Все это вызывает необходимость использовать критерии эффективности, оценивающие свойства поглощающего аппарата с позиций его главного назначения: обеспечение максимальной сохранности вагонов и перевозимых грузов.

Для наиболее полной оценки свойств амортизирующего устройства предложен критерий экономической эффективности, учитывающий затраты на ремонт поврежденных продольными нагрузками грузовых вагонов, ущерб от отцепок и простоев вагонов и аварийных поездных ситуаций, возникающих вследствие неудовлетворительной работы поглощающего аппарата, а также затраты на производство, эксплуатацию и ремонт поглощающего аппарата.

Оценивая критерий экономической эффективности при проектировании амортизатора удара, необходимо связать указанные затраты со свойствами поглощающего аппарата. Задача определения связи свойств аппарата с нагружен-ностью вагона в эксплуатации продольными силами решается с помощью экспериментальных данных и усовершенствованных математических моделей, имитирующих работу межвагонной связи при соударениях на маневрах и движении поезда. Для установления связи нагруженности вагона с ремонтными и прочими затратами необходим детальный анализ данных о физической природе отказов элементов вагона.

В развитие работ, выполненных ранее Л.Н. Никольским и Б.Г. Кеглиным, обобщенный критерий эффективности амортизатора удара грузового вагона, учитывающий различные виды ущерба, а также расходы на производство, эксплуатацию и ремонт амортизирующего устройства, отнесенные к определенному времени его работы, был предложен в виде:

з

11 ~ауст^уст + апв^пв + ап.гр^п.гр + аавар^авар + 0)

1=1

Составляющие обобщенного критерия относятся к различным видам отказов и определяются:

I

•1уст 2 Р? — условная усталостная повреждаемость вагона; где и, - число 1=1

нагружений продольными силами Л ; т'~ параметр кривой усталости;

•/„.„ = 2 (Р/с-Рп)2"као(Рк ~Рпусловная повреждаемость вагона от еди-к=1

ничных перегрузок; где г>к — число нагружений вагона силой Рк ; Рп - пороговая сила удара, превышение которой приводит к смещению груза; а0 - единичная функция Хевисайда;

г -

•}п.гр = ЕО'* - ]ц ) "к <*о(к ~]п) - .условная повреждаемость грузов от от-

к=1

дельных перегрузок; где щ - число нагружений груза ускорением у* ; у'л - пороговое ускорение, превышение которого приводит к появлению смещений;

г

¿аеар = Е (Рк ~ Рп авар "к<*о(Рк ~ рп авар ) " условная повреждае-к=1

мость от аварий;

С; — затраты на проектирование, подготовку производства и изготовление в расчете на 1 аппарат; с2 — дополнительные затраты на обеспечение нормативных требований по надежности для различных условий эксплуатации; с3 - дополнительные затраты на эксплуатацию и сервисное обслуживание; осуст . сс„* , а„.гр , аавар - коэффициенты пропорциональности, связывающие условную повреждаемость с ущербом.

Для известных условий эксплуатации и математических моделей межвагонных связей можно определить статистические распределения сил и ускорений при ударах в грузовой вагон. Это позволяет для рассматриваемых эксплуатационных параметров данного типа вагона с данным поглощающим аппаратом определить компоненты ¿'ус„ , ./'„„ , Хпгр и З'атр, а в результате экономического обследования для того же вагона установить долю ущерба от повреждений различной физической природы: усталостные разрушения элементов конструкции вагона 3 уст, повреждение конструкции от единичных перегрузок 3„в, повреждение грузов 8„.гр, аварийные повреждения Завар. Очевидно

3уст 3 пя ' 3 ц .-р ' 3 авар — 1.

Обобщенный критерий эффективности для конкретной конструкции аппарата при неизменной цене изделия, когда не учитывается последнее слагаемое (1):

•¿об • А(7'г Уп.в ¿п.в * Уп'р Уавар ^'авар»

где

Уп.в ~ 3п.в ^уст 3уст п.в > Уавар 3авар уст /3уст авар < Уп.гр ~~ 3п.гр^уст ' '3уст п.гр •

Ориентировочные значения коэффициентов 3 и у для различных типов вагонов, оборудованных аппаратами Ш-1-ТМ, приведены в табл.1.

Таблица 1

Значения коэффициентов, учитывающих различные повреждения вагона

Тип вагона 3 уст з„.в $п.гр 3 авар Уп а -103 мн1 Уп.гр МН6 с4/м2 Уавар 0 мн*

Крытый 0,3 0,5 0,1 0,1 3,9 2,6 0,9

Рефрижераторный 0,1 0,5 0,35 0,05 16,0 40,0 1,5

Полувагон 0,2 0,7 0 0,1 7,3 0 1,2

Четырехосная цистерна 0,4 0,5 0 0,1 3,1 0 0,6

Имитационное математическое моделирование продольной динамической нагружеиности вагона Методика имитационного моделирования предусматривает возможно более подробное воспроизведение всего спектра условий эксплуатации грузового вагона и расчет статистических характеристик действующих на вагон продольных нагрузок и ускорений с использованием математических моделей вагонов,

оборудования, перевозимых грузов и поглощающих аппаратов. На основе данных такого расчета определяются составляющие обобщенного критерия ^т , Л.» > -¡пар , -¿авар, оценивающие повреждаемость вагона в течение определенного срока службы, и проводится оптимизация параметров конструкции поглощающего аппарата.

Математическое моделирование маневровых операций. Выбор той или иной модели вагона (без поглощающих аппаратов) зависит от характера поставленной задачи. Так, если необходимо оценить напряженное состояние конструкции вагона при действии ударных продольных нагрузок или ускорения определенных узлов вагона или его оборудования, расчетную схему вагона следует детализировать — здесь наиболее современным и достаточно точным является метод конечных элементов. В тех же случаях, когда ставится задача определения действующих на вагон нагрузок, возможно использование значительно более простых дискретных динамических моделей.

Для решения задач оптимального проектирования амортизатора необходимо разделить упругодиссипативные свойства вагона и его поглощающего аппарата; первые - не управляемы и отражают особенности конкретного типа вагона, вторые - управляемы. Поэтому целесообразно использовать различные виды двухмассовых моделей, одна из которых представлена на рис. 1. Параметры с и ¡л определяют упругодиссипативные свойства вагона. Элемент А определяется силовой характеристикой амор-

с -1 тизатора удара. Важное преимущество

двухмассовой расчетной модели - возможность воспроизводить с ее помо-

т2

ЛЛ/

__ - . —^ I ^ тижп^ю о^ пиши"

/ г/ / //1 / / Гг/ / I I ///!) / щыо автоколебательные особенности

ряда силовых характеристик.

Рис. 1. Двухмассовая модель вагона При моделировании маневровых

соударений сцепы формируются из двухмассовых моделей вагонов. На рис. 2 представлена расчетная схема удара вагона в сцеп. Дифференциальные уравнения, описывающие динамический процесс, имеют вид:

где

"'2,-1 х21_,+ Р2,-, - Р2,-2 = 0; т2,х2, + Р2!- Р2,-1 =0,

Р0=0; Р2п = 0;

P2i-l - с(Лх2>_, + /иЛу21_1):

при (1 — 1, п) (2)

Ахк= хк — хк+{, при (к -1, 2п).

Здесь Хк — абсолютное перемещение к-й массы; п - число участвующих в ударе вагонов; с„ ц, - параметры расчетной модели г-го вагона; Р2, = Р2, (хт , ) -силовая характеристика межвагонной связи, учитывающая наличие зазора в упряжи.

Основные положения математического моделирования поездных пере-

Го

и

х2

т,

ТТ7

XI

12

x] хб

I р2г А.

о о

ЕЕ

Р 2п~3

X 2/1-1 Р2п-1

*2п

и

т2п-2

ХТ

Си £

31

Рис. 2. Расчетная схема удара вагона в сцеп

ходных режимов в основном относятся к описанию действующих на вагоны внешних сил (силы тяги, торможения, сопротивления движению и т.д.), а модель состава формируется аналогично моделям сцепов. Структуру поезда и его состояние в начале переходного режима выбирают в зависимости от задачи математического моделирования.

Двухмассовые модели вагона оказываются недостаточными в тех случаях, когда при оценке динамических нагрузок, действующих на вагон, нельзя пренебречь подвижностью груза (цистерны, контейнерные платформы рефрижераторные вагоны, вагоны ■ с сыпучими грузами и т.д.), а также, когда при оптимизации используются критерии эффективности, оценивающие ущерб от повреждения оборудования вагонов или перевозимых ими грузов. Необходима детализация расчетных моделей - выделение из конструкции вагона оборудования и груза.

Задачи взаимодействия конструкции вагона с грузом обычно решают на упрощенных моделях. Вагон с грузом (оборудованием) представляют в виде 3-х, 4-х, 5-ти... массовой модели: связь вагона с грузом может рассматриваться как упругая, упруговязкая, упругофрикционная и т.д. Параметры таких моделей определяются идентификацией по экспериментальным данным. Для примера на рис. 3 представлена простейшая модель платформы для перевозки контейнеров.

При построении математических моделей поглощающих аппаратов автосцепки учитываются физические процессы, происходящие при ударном сжатии.

Все математические модели фрикционных аппаратов можно разделить на две принципиально различные группы в зависимости от того, учитывают

они или нет инерционные свойства силовой системы амортизатора. В большинстве случаев эти свойства

р<0 1 ПК

ги

р,

ш

С€

ш -=>-

т1

Р2>„

гИ

т2

р<3> * ПК

Ш

т}

п

12

Рис. 3. Пятимассовая модель контейнерной платформы

игнорируются; силовая система рассматривается как безынерционное усилительное звено, в котором связь между входом (силой сжатия аппарата Р) и выходом (силой сжатия пружин подпора Р„р) устанавливается мгновенно с помощью соотношения:

Р = уРпр (3)

где у/ — коэффициент передачи.

Для математических моделей этой группы вводится понятие "силовая характеристика" Р (х, г), которая дает возможность устанавливать однозначную связь силы сжатия аппарата с сжатием х и скоростью сжатия V. Модель позволяет имитировать процесс фрикционных автоколебаний при ударном сжатии аппарата, однако недостаточно полно описывает реальные силовые характеристики фрикционных аппаратов.

Учет инерционных свойств силовой системы позволяет представить амортизатор в качестве инерционного или колебательного звеньев, для которых установление однозначного, не зависящего от времени соотношения (3) невозможно. Математические модели такого типа в ряде случаев оказываются весьма эффективными, способными объяснить и математически описать наблюдаемые в практике исследований поглощающих аппаратов физические закономерности.

На рис. 4 представлена математическая модель амортизатора, учитывающая упругоинерционные свойства силовой системы. Для анализируемых конструкций амортизаторов типа Ш-2-В и пластинчатого в первом приближении можно ограничиться учетом упругости корпуса аппарата в поперечном направлении, а инерционные свойства системы характеризовать дополнительной массой 2, перемещающейся в поперечном направлении у1. Системы дифференциальных уравнений, описывающие работу различных фрикционных поглощающих аппаратов, дополняются уравнением для массы, перемещающейся в поперечном направлении.

описывающая силу сопротивления

Рис. 4. Схема фрикционного амортизатора

Модель резинового амортизатора, динамическому сжатию на этапе нагрузки, имеет вид

Р(х,г)= (1-7^][с(х+х0)+Р'(х+х0)31+схц, (4)

где - с, р \ricm, /л определяются путем идентификации по экспериментальным данным.

Использование в поглощающих аппаратах современных конструкционных полимерных материалов (полиуретаны, полиэфирные термоэластопласты) потребовало корректировки математических моделей, так как приведенные для резиновых амортизаторов зависимости недостаточно точно описывают характеристики полимерных амортизаторов. Удовлетворительную сходимость с экспериментом обеспечивает модель, описывающая статическую характеристику:

Рст (х)=с„ (x + xо) + /3, (x + x,,)3- Р2 (х+х0)5 , где Р1, Р 2- коэффициенты, определяющие нелинейную часть.

Сила Р сопротивления гидроамортизатора (гидроплимерного аппарата) складывается из гидросопротивления Рр и сопротивления Ру упругого элемента Р = Рг+ Ру- В зависимости от задачи исследования силаРг может быть вычислена с учетом и без учета сжимаемости жидкости, а сила упругого элемента Ру определяется для различных конструкций (газовая камера, пружина, полимерные элементы...) с помощью соответствующих моделей.

Математические модели комбинированных фрикционных амортизаторов базируются на моделях заменяющих пружины элементов: резинометаллических и полимерных подпорных блоков, гидравлических и эластомерных вставок.

Процесс ударного сжатия эластомерного поглощающего аппарата, сопровождающийся перетеканием материала через кольцевой зазор, теоретически может быть описан формулами гидравлики лишь со значительными допущениями. Однако за счет идентификации по результатам натурных экспериментов сохраняется возможность достаточно полного описания работы эластомерного амортизатора. Модель, используемая в диссертации, описывает процесс дросселирования рабочего тела через кольцевые зазоры и отверстия. При этом уравнения расходов, составленные для рабочих камер, учитывают линейную зависимость модуля упругости материала от давления.

При разработке математических моделей аппаратов важное значение имеет методика идентификации параметров по экспериментальным данным.

В математическую модель входит ряд констант и параметров, которые учитывают влияние различных факторов. Большинство из них можно получить простым измерением, однако некоторые константы являются достаточно абстрактными и недоступными непосредственному измерению. В таком случае значения выбираются из соображений наилучшего приближения данных моделирования к экспериментальным данным. Так, например, для эластомерного поглощающего аппарата к параметрам идентификации целесообразно отнести характеристики материала, которые могут быть экспериментально определены лишь приближенно: Е0 — модуль упругости при атмосферном давлении, V — вязкость, а — коэффициент, учитывающий изменение модуля упругости от давления. Необходимость уточнения значений этих параметров связана также с тем, что при зарядке аппарата в рабочие камеры попадает определенное количество воздуха.

Для расчета идентифицируемых параметров необходимо определить функцию цели. В этом качестве могут быть взяты различные критерии оценки рассогласования эксперимента и расчетной модели: максимальный ход аппарата, максимальное усилие, энергоемкость, среднеквадратическое отклонение си* тах

ловых характеристик (2= [ (р(')э ~ ) ж и др. Исследования показали,

о

что наилучший результат обеспечивает критерий среднеквадратических отклонений силы и перемещения от экспериментальных характеристик:

'/».и 'та*

0= / (Р(')э~Г(')м) Л + к | (х(!)э~х(!)мУа О о

где к— весовой коэффициент.

Минимизация критерия позволяет определить параметры модели аппарата, которая в дальнейшем используется в расчетах.

Совершенствование методики оптимизации поглощающих аппаратов

Оптимальное проектирование поглощающих аппаратов предусматривает решение задач разного уровня: выбора принципа действия и, соответственно, типа поглощающего аппарата; структурную оптимизацию при выбранном принципе действия и, наконец, параметрическую оптимизацию при определившейся структуре.

При выборе типа поглощающего аппарата - фрикционного, эластомерно-го, или, например, устройства с плавающей хребтовой балкой - следует учитывать все технико-экономические аспекты внедрения принципиально нового изделия (стоимость, возможности существующего производства, объем первоначальных капитальных затрат, уровень культуры производства ремонтных и эксплуатационных служб и т. п.). Такая задача находится вне компетенции математических методов оптимизации.

Структурную оптимизацию поглощающих аппаратов можно трактовать расширенно: не только как синтез оптимальной кинематической схемы (одно-секционный или пластинчатый фрикционный аппарат, двух- или трехкамерный эластомерный), но и как выбор оптимального материала (например, типа полимера, рабочей жидкости), оптимальной пары трения и т. п. Выбор оптимальной в широком смысле структуры представляет достаточно сложную технико-экономическую задачу, в которой основным критерием эффективности должен быть обобщенный, учитывающий наряду со способностью аппарата снижать уровень повреждений вагона также и затраты на производство, эксплуатацию и ремонт самого амортизатора.

Цель параметрической оптимизации — определение оптимальных параметров конкретных амортизирующих устройств.

Допустим, что для амортизирующего устройства определены некоторые параметры 01,02, .... а„ , с помощью которых практически возможно управление силовой характеристикой амортизатора; их совокупность образует вектор управления А , т. е. А = (а,,а2,..., а„ )Т . При этом изменение величин параметров должно быть легко технически и конструктивно реализуемо и не должно изменять принцип работы аппарата.

Объектами оптимизации фрикционного аппарата в первую очередь являются геометрические параметры, определяющие основные силовые и кинематические соотношения аппарата (в частности, углы а, Д у, О), размеры, определяющие жесткость пружинного комплекта, и т. п. Для гидравлических, эласто-мерных, гидрополимерных амортизаторов — это размеры рабочих камер, проходных сечений, параметры клапанных систем и т.д.

На управляющие параметры могут налагаться ограничения вида

Jeß,

где Í2- допустимая область вариации параметров.

Ограничения определяются конкретной физической, технологической или конструктивной реализацией. К таким ограничениями при необходимости могут быть отнесены требования ОСТа. Кроме того, оптимальные параметры нуждаются в проверке с точки зрения обеспечения прочностных характеристик. Так, например, для эластомерных и гидравлических поглощающих аппаратов недопустимо превышение предельных рабочих давлений в камерах.

Выбор функции цели, по которой проводится оптимизация, зависит от типа и назначения вагона. При известной структуре повреждений вагона в эксплуатации целесообразно использование обобщенного технико-экономического критерия J„f, . Задача параметрической оптимизации сводится к минимизации критерия эффективности путем соответствующего выбора вектора управляющих параметров, удовлетворяющего наложенным ограничениям, т. е.

J(A0„J= min J(A ) ЯеП

Для определения составляющих обобщенного критерия Jycm » «Л).в » Jn.¿p i Jaeap, оценивающих повреждаемость вагона в течение определенного срока службы, необходимо на каждом этапе оптимизации возможно более полно воспроизводить при моделировании условия эксплуатации объекта.

Основную долю повреждений вагон получает при соударениях на маневрах и сортировочных горках. Это позволяет оптимизировать амортизатор удара по условиям маневровой работы вагона. Переходные поездные режимы при оптимизации должны рассматриваться как контрольный заключительный этап, на котором проводят сопоставление исходного и оптимального варианта конструкции, а также сравнивают работу различных поглощающих аппаратов.

Многообразие возможных условий работы амортизирующего устройства вагона и необходимость учета этого фактора при моделировании значительно осложняют общую задачу оптимизации. Для вычисления какой-либо целевой функции необходимо рассчитать 20 100 вариантов соударения вагонов на сортировочной горке (варьируются массы, скорости, количество вагонов и т.д.). Кроме того, сложность математических моделей, определяющих работу поглощающего аппарата автосцепки, приводит к тому, что при вычислении целевой функции многократно интегрируется система существенно нелинейных дифференциальных уравнений. Поэтому для решения задач подобного типа целесообразно применять численные методы оптимизации, наиболее экономные по количеству расчетов целевой функции (в работе использован эффективный комплексный метод — метод Бокса).

В третьей главе разработанные научные принципы реализованы при проектировании различных типов поглощающих аппаратов.

Фрикционные поглощающие аппараты

Благодаря простоте конструкции, низкой стоимости изготовления, а также неприхотливости в эксплуатации фрикционные поглощающие аппараты

получили самое широкое распространение. В России на грузовых вагонах различных лет постройки установлены шестигранные фрикционные поглощающие аппараты Ш-1-ТМ, Ш-2-В90, Ш-2-Т, Ш-6-Т04, пластинчатые поглощающие аппараты ПМК-110А, ПМК-110К-23. В США широко применяются шестигранные аппараты фирмы "Miner" ("Майнер"), пластинчатые фирм "Keystone" ("Кейстоун") и "Westinghouse" ("Вестингауз").

Аппараты типа ПМК и Ш-6-Т0-4 являются базовыми для неспециализированного подвижного состава, хотя они не вполне отвечают требованиям, предъявляемым к аппаратам класса Т1.

Основной недостаток фрикционных аппаратов - относительно низкие значения коэффициента полноты силовой характеристики 0,23 0,32 и, соответственно, энергоемкости; при применении пары трения сталь-сталь наблюдается скачкообразный характер изменения продольных сил и склонность к заклиниванию.

Несмотря на указанные недостатки и наличие более эффективных поглощающих аппаратов, совершенствование конструкций аппаратов фрикционного типа сохраняет свою актуальность. Можно выделить три основных направления структурной оптимизации таких аппаратов:

— применение современных фрикционных материалов на поверхностях трения;

— использование высокоэффективных подпорно-возвратных устройств;

— разработка новых способов создания давления на поверхностях трения.

Низкая энергоемкость и стабильность работы амортизаторов со стальными поверхностями трения обусловлены значительной вариацией фрикционных свойств пары трения сталь-сталь и склонностью к схватыванию.

Положительный эффект можно получить при использовании специальных фрикционных материалов, работающих в паре со стальными поверхностями. Наиболее эффективно применение порошковых металлокерамических материалов. Составы материалов, в разработке которых принимал участие автор, защищены патентами РФ. Новым парам трения несвойственно схватывание, рабочие поверхности не имеют вырывов или наростов, на стальных поверхностях, работающих в паре с порошковым материалом, наблюдается полировальный эффект. Несмотря на высокие показатели разработанных материалов возможности повышения энергоемкости аппаратов с пружинным подпором исчерпаны, поэтому дальнейшее применение новых пар трения К-17 и К-23 должно найти в комбинированных поглощающих аппаратах.

Пластинчатые фрикционные поглощающие аппараты имеют нестабильные силовые характеристики, что связано с особенностью возврата в исходное положение подвижных фрикционных пластин. Пластины возвращаются в исходное положение опорой, поджатой комплектом пружин. При этом между ребрами подвижных пластин и выступами опоры предусмотрен компенсационный зазор, уменьшающийся по мере износа деталей аппарата. Возможны ситуации, когда при интенсивной выработке поверхностей трения энергоемкость аппарата резко падает, приближаясь к энергоемкости пружинного комплекта.

Для устранения этого недостатка с участием автора была разработана и

Рис. 5. Поглощающий аппарат ПМК-11 ОБ

защищена авторским свидетельством конструкция фрикционного поглощающего аппарата ПМК-IIОБ с автоматической компенсацией га-носа (рис. 5). Техническим преимуществом аппарата ПМК-11 ОБ является использование нажимного клина для возврата в исходное положение после ударного сжатия подвижных фрикционных пластин. Положение пластин фиксируется однозначно и определяется положением нажимного клина независимо от износа деталей аппарата.

Полимерно-фрикционные поглощающие аппараты

Высокие показатели могут быть достигнуты в комбинированных фрикционных поглощающих аппаратах, получающих все большее распространение. Основное поглощение энергии в них происходит на поверхностях трения, однако использование современных высокоэффективных полимерных материалов, а также применение в качестве рабочих элементов гидравлических и эластомерных амортизаторов значительно улучшает характеристики аппаратов.

При участии автора была разработана и защищена патентом РФ конструкция нового амортизатора удара для железнодорожных вагонов ПМКП-110 класса Т1. Конструкция создана на базе серийного аппарата ПМК-110А, подпорные пружины которого заменены полимерными элементами (рис. 6). Использование полимерного упругого блока повышает полноту и энергоемкость силовых характеристик амортизатора. Это достигается за счет повышения жесткости подпорного комплекта, что позволяет уменьшить управляющие углы клиновой системы и, соответственно, стабилизировать процессы трения. Кроме того, демпфирующие свойства полимеров значительно снижают фрикционные автоколебания, сопровождающие ударное сжатие.

Структурная оптимизация предусматривала выбор материала для упругих элементов. Исследовалась возможность применения различных марок резин , полиуретанов и других полимеров. Наилучший результат показали термоэла-стопласты марки Оиге1 (Германия) - материала, сочетающего требуемые показатели податливости и диссипативных Рис. 6. Поглощающий аппарат ПМКП-110

400

300

200

100

свойств при высокой технологичности и возможности утилизации.

Профиль боковой поверхности, внутренняя выточка полимерного элемента, её глубина и форма определялись расчетно-экспериментальным путём из условий получения необходимой жесткости и начальной затяжки пакета элементов, коэффициента полноты силовой характеристики. Значения углов клиновой системы были получены по результатам параметрической оптимизации с использованием методики имитационного моделирования продольной нагруженности вагона.

Экспериментальные исследования выявили основные закономерности работы нового аппарата, а также позволили уточнить параметры конструкции. Статические характеристики комплекта упругих элементов для различных температур приведены на рис. 7. Характеристики обеспечивают выполнение норм ОСТа во всем температурном диапазоне.

Динамические испытания аппаратов показали, что наилучшие результаты достигаются в конструкции с геометрическими параметрами, близкими к расчетным. На рис. 8 представлены

характеристики аппаратов ПМКП-

0

.•1 Ж

/ • 1 / / / / ■ ' ./"///

/ / /У

Р, МН 2,0

1,5

1,0

0,5

О

ДО

4 1 1

* 1 1

.....

25 50 75 100 х,мм

Рис. 7. Статические характеристики подпорного комплекта аппарата ПМКП-110

для температур:-----+ 22°С,........—

-20°С,--40°С,-------60°С

110 для различных скоростей. Отмечается, что по сравнению с аналогичными для серийных аппаратов ПМК-110А-К23 характеристики аппаратов ПМКП-110 обладают большей энергоемкостью и коэффициентом полноты.

Анализ результатов подтвердил, что по своим параметрам аппарат ПМКП-110 соответствует классу Т1, что подтвердили также ресурсные испытания.

Результаты исследований были использованы при разработке конструкторской документации для промышленной партии аппара-

те 80 х, мм Рис. 8. Динамические силовые характеристики аппарата ПМКП-110 для начальных скоростей соударения У0: ........

1,26 м/с;-1,62 м/с;---2,05 м/с

тов. Серийный выпуск начат на ООО "ПК БСЗ" со второй половины 2005 года. Гидрофрикционные поглощающие аппараты Достаточно эффективным является использование в качестве подпорного

устройства фрикционного аппарата специального гидроамортизатора (гидровставки) (аппарат Н-60 фирмы "Вестингауз", ПГФ - 4 - разработка ВНИИЖТ-УВЗидр.).

Положительный эффект от использования гидровставки заключается в повышении сопротивления аппарата в начале хода; кроме того, гидравлическое демпфирование снижает скачки силы сопротивления. За счет этого удается повысить полноту и стабильность силовых характеристик и, соответственно, энергоемкость аппарата.

При непосредственном участии автора была разработана конструкция пластинчатого аппарата ПМКГ-110. Аппарат создан на базе серийного аппарата ПМК-ИОА, внутренняя пружина которого заменена гидровставкой с клапаном высокого давления.

В процессе оптимального проектирования структуры конструкции были исследованы различные типы гидроамортизаторов. При этом использованы математические модели различной степени сложности. Так же как и для полимерно-фрикционного аппарата ПМКП-110 в зависимости для определения силы сжатия аппарата ПМКГ-110 вместо усилия подпорных пружин включается сила сопротивления гидровставки Рг (х, у). Наиболее эффективной является модель, учитывающая сжимаемость жидкости. Уравнение расхода жидкости при дросселировании из силового гидроцилиндра в полость низкого давления имеет вид:

(5)

~ А Е' А

Используя уравнение Бернулли для турбулентного режима дросселирования, можно получить дифференциальное уравнение, определяющее силу сопротивления гидровставки:

арг _.Е'(8+г/) цЕ' \2Рг(5+г/) ■

А 10 - х 10 - х \ р

где Е' - модуль объемной упругости жидкости; /й- длина гидравлической камеры; у, Ц - коэффициенты гидравлического сопротивления, Л' - площадь плунжера; /- площадь дроссельных отверстий.

В моделях учитывалось наличие воздуха в рабочих полостях вместе с жидкостью, использовалось также уточненное описание работы клапанных систем.

В качестве управляющих в задаче параметрической оптимизации были выбраны площади дроссельных отверстий, а также жесткость и начальная затяжка пружины клапана.

Для имитационного моделирования эксплуатационной нагруженности р/вагона использовались три расчетные модели маневровой операции: простейшая - удар рефрижераторного вагона в жесткий упор, более сложная -удар грузового вагона в неподвижно стоящий рефрижераторный и уточненная — рассматривающая колебания различных деталей холодильного оборудования.

Использование оптимальных значений параметров позволило снизить максимальные силы сопротивления и уменьшить амплитуды скачков сил.

р, мн

1,0

0,5

О

20 40 60 80 х, мм Рис. 9. Силовые характеристики аппарата ПМКГ-110 для скорости соударения: 1 - 2,86 м/с; 2 - 3,33 м/с

Энергоемкость аппарата с оптимальными параметрами составила 160 кДж.

Заключительный этап исследований предусматривал различные виды испытаний опытных образцов, в результате которых были определерны окончательные значения параметров конструкции. На рис. 9 приведены силовые характеристики аппарата для различных скоростей соударения. Номинальная энергоемкость аппарата ПМКГ-110 составила 138 кДж.

Организация серийного производства гидрофрикционных аппаратов сдерживается недостаточной надежностью работы гидровставки. Необходимо отладить технологию изготовления сильфонов, усовершенствовать способ их закрепления и приемы зарядки рабочей жидкостью.

Фрикииоппо-эластомерные поглощающие аппараты

Оптимальное проектирование поглощающих аппаратов предусматривает выбор принципа действия. Так применение в качестве возвратно-подпорного устройства фрикционного аппарата эластомерной вставки позволяет при сохранении всех преимуществ гидроамортизатора значительно повысить надежность конструкции при сравнительной простоте изготовления.

Фрикционно-эластомерный амортизатор ПМКЭ-110 (рис. 10) разработан в Брянском государственном техническом университете при непосредственном участии автора. Конструкция создана на базе серийного аппарата ПМК-110К-23, подпорно-возвратные пружины которого заменены эластомерным амортизатором 1 (вставкой). При ударном сжатии эластомерная вставка работает как гидроамортизатор. Восстановление аппарата после удара происходит под действием давления на плунжер объемно сжатого эластомера.

Значительный объем теоретических и экспериментальных исследований позволил выбрать параметры фрикционной части и эластомерной вставки, обеспечивающие выполнение нормативов класса Т2.

Математические модели фрикционно-эластомерного аппарата построены на основе моделей фрикционного аппарата. При вычислении силы сопротивления эластомерной вставки Рр(х^) с использованием зависимости (5) учи- ] * 21 31 тываются конструктивные особен- Рис. 10. Поглощающий аппарат ПМКЭ-110

ности амортизатора - наличие одновременно дроссельных отверстий и кольцевого зазора, а также работу обратных клапанов при восстановлении. Расход в рабочей камере эластомерной вставки определяется:

3 = *у!"ра<1 Ьс ~ Яр)+ -чР)+7г-хР-г-а0, (7)

где дс, Цр - давления в камерах сжатия и расширения, г — радиус поршня ; I -длина поршня ; а0 - радиальный зазор между плунжером и поршнем; гр , пр -радиус и количество дроссельных отверстий; хР — скорость сжатия амортизатора; V-!- кинематическая вязкость эластомера; р — плотность эластомера.

При оптимизации конструкции в качестве варьируемых параметров были выбраны: управляющий угол а клиновой системы и величина радиуса дроссельных отверстий эластомерного амортизатора. Результаты расчетов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты оптимизации параметров аппарата ПМКЭ-110_

Параметры Значения параметров *}уст-> усл. ед. усл. ед. ^Обч усл. ед. Энергоемкость, ном./макс., кДж

Исходные { 32°; 8 мм} 69,54 6,50 156,48 127/155

Оптимальные {36,3°; 7,6 мм } 3,55 4,62-10"3 3,55 152/184

Силовые характеристики аппарата с исходными и оптимальными параметрами приведены на рис. 11.

Конечный этап проектирования предусматривал испытания опытных образцов аппаратов, в ходе которых были выявлены основные физические зако-номерномерности процессов работы, а также уточнены оптимальные параметры конструкции.

Р,

МН 1,5

1,0

0,5

0

V* \ /1

У* г

1 У У у

20 40 60 80 х,лш

Рис. 11. Характеристики аппарата ПМКЭ-110 с исходными---------и оптимальными -параметрами

Вначале были получены статические силовые характеристики эластомерного амортизатора для различных вариантов дросселирования и различных температур (рис. 12) показавшие, что с понижением температуры вследствие роста плотности эластомера уменьшается начальная затяжка амортизатора и, соответственно, поглощающего аппарата. Снижение начальной затяжки находится в допустимых пределах

Был проведен также комплекс динамических испытаний, включающий стендовые ударные испытания

эластомерного амортизатора и поглощающего аппарата в сборе, испытания при соударении натурных вагонов, а также ресурсные испытания.

Наилучший результат был получен для параметров, близких к расчетным. Номинальная энергоемкость составила 110 кДж, максимальная 130 кДж. При этом коэффициенты полноты силовых характеристик

достигли значений 0,4 0,6, а коэффициент необратимого поглощения энергии - 0,9.

ООО "НПП Дипром-плюс" изготовлена опытно-промышленная партия аппаратов ПМКЭ-110. Начало серийного производства предполагается в 2006 г.

Преимущества комбинированных фрикционных поглощающих аппаратов по сравнению с серийными фрикционными доказывают необходимость скорейшего перехода отечественного вагоностроения на применение таких амортизаторов удара. Организация промышленного выпуска аппаратов класса Т1 и Т2 — ПМКП-110 и ПМКЭ-110 не требует объемной подготовки производства и значительных первоначальных затрат, их продвижению на транспорт будет способствовать и существенно меньшая по сравнению с эластомерными аппаратами стоимость.

Аппараты с объемным распором Наиболее распространенным способом создания давления на поверхностях трения фрикционных аппаратов является клиновой распор. Силовые характеристики таких аппаратов имеют меньшие значения сил в начале сжатия и большие — в конце, т.к. сила прижатия клиньев зависит от деформации пружины, а, следовательно, от хода аппарата. Кроме того, конструкциям с клиновым распором присуща нестабильность силовых характеристик, проявляющаяся в скачкообразном изменении силы сопротивления.

Для повышения эффективности фрикционных аппаратов был изменен принцип действия системы. При непосредственном участии автора разработана и защищена авторскими свидетельствами конструкция фрикционно-гидравлического амортизатора удара с гидравлическим объемным распором (рис. 13), отличающаяся наличием распорного блока, выполненного в виде силового гидроцилиндра 1, давление в котором создает силы прижатия на поверхностях трения. Давление в гидровставке 2 и, соответственно, в гидроцилиндре распорного блока поддерживается практически постоянным и опреде-

Р,

МН 0,3

0,2

0,1

0

5\

3 2 \ /

_____ ______

25

50

75

100

Рис. 12. Статические силовые характеристики эластомерного амортизатора для различных температур окружающей среды: 1 - + 55°С, 2 - +18°С, 3 —3°С, 4 —23°С, 5 — 40 °С

ляется лишь параметрами клапана 3. Такая конструкция обеспечивает силовую характеристику аппарата близкую к прямоугольной.

При выборе оптимальной структуры аппарата с объемным распором исследовались варианты применения различных материалов — резины, термоэластопластов, эластомеров. Наилучший результат достигается при использовании в качестве возвратного устройства эластомерной вставки, а также использования эластомера в распорном блоке. Это позволяет при сохранении преимуществ аппарата с гидравлическим объемным распором повысить надежность конструкции при сравнительной простоте изготовления.

Для расчета характеристик новых амортизаторов автором разработаны уточненные математические модели, учитывающие инерционные

свойства

Р,

МН 2,0

1,0

О

1СЩ

1 1

/ 1

20 40

Рис. 13. Аппарат с гидравличе

ским объемным распором силовой системы, массу клапана и т.д. На рис. 14 построены расчетные силовые характеристики аппарата с гидравлическим объемным распором при различных начальных скоростях соударения. Силовая характеристика по форме близка к прямоугольной. Достигнута энергоемкость 235 кДж при максимальной силе до 2,5 МН и ходе аппарата 110 мм, при этом коэффициенты полноты силовых характеристик составили 0,80 + 0,85.

Дальнейшие исследования предусматривают изготовление и испытание опытных образцов.

Эластомерные поглощающие аппараты

Эффективный принцип действия используется в поглощающих аппаратах, рабочим телом которых является объемно-сжимаемый высоковязкий полимер - эластомер. Такие поглощающие аппараты обеспечивают силовые характеристики, близкие к гидравлическим амортизаторам. Амортизирующие устройства с использованием эластомера при равных габаритных размерах по сравнению с другими амортизаторами удара имеют высокую удельную энергоемкость при сравнительно простой конструкции. На отечественном железнодорожном транспорте для оборудования цистерн применяются эластомерные амортизаторы, разработанные в России АПЭ-120И, АПЭ-95-УВЗ, а также 73г\\'

60 80 х,мм

Рис. 14. Характеристики аппарата с гидравлическим распором

для скорости удара:---1,3

м/с; .....2,1 м/с; -2,7 м/с

(фирма "Камакс", Польша).

Опыт эксплуатации таких аппаратов показывает, что необходимы дополнительные меры для обеспечения надежности. Требуется решить также ряд технических и технологических проблем, таких как выбор подходящего материала, обеспечение достаточного объема для размещения рабочего тела, использование эффективных уплотнений и устройств для зарядки рабочих камер.

Оптимизация структурной схемы позволила решить эти проблемы в поглощающем аппарате ЭПА-120 (рис. 15), разработанном при непосредственном участии автора (конструкция защищена патентом РФ). Принципиальное отличие аппарата ЭПА-120 заключается в том, что его корпус выполнен в единой отливке с тяговым хомутом. Это позволило увеличить объем используемого в аппарате эластомерного материала (примерно в 1,5 раза по сравнению с аналогичными конструкциями) что привело к значительному снижению давлений в рабочих камерах аппарата (в 1,5 + 2 раза). В результате повысились эксплуатационные характеристики аппарата и существенно снизилась его стоимость.

Аппарат состоит из корпуса 1 и днища б с дополнительной камерой. В корпусе 1 размещен поршень 3 с полым штоком и полый плунжер 9, между которыми имеется калиброванный зазор 8 переменной величины, являющийся каналом дросселирования. Полости 2 и 7 внутри плунжера 9, 5 внутри штока поршня 3 и дополнительной камеры днища 6 заполнены эластомерной композицией. Уплотнения 4 обеспечивают герметичность подвижного соединения штока и плунжера.

Рис. 15. Поглощающий аппарат ЭПА-120

Основные параметры конструкции были определены на основании расчетов с использованием уточненных математических моделей, идентифицированных по экспериментальным данным (рис. 16).

Динамические характеристики аппарата легко поддаются регулировке за счет выбора размеров элементов, определяющих перетекание эластомера при ударном сжатии. Поэтому при параметрической оптимизации в качестве управляющих были выбраны размеры кольцевого зазора 8 (рис. 15).

Р, мн

1,5

1,0 0,5 О

у

У

г / /у

/

80

х,мм

20 40 60 Рис. 16. Силовые характеристики

аппарата ЭПА-120 :---расчетная;

-экспериментальная

На первом этапе решения задачи оптимизации исследовалась конструкция аппарата с постоянным радиальным зазором а0.

Постоянный радиальный зазор не позволяет в полной мере использовать демпфирующие свойства аппарата, так как скорость сжатия изменяется от максимума до нуля в процессе удара. Это снижает полноту силовых характеристик и, соответственно, энергоемкость аппарата. Поэтому в следующей модификации конструкции аппарата использовался переменный по длине кольцевой зазор.

На рис. 17 приведены расчетные силовые характеристики поглощающего аппарата ЭПА-120 с постоянным и ступенчатым кольцевым зазором. Энергоемкость оптимизированной конструкции составила 230 кДж.

Результаты экспериментальных исследований позволили выявить основные физические закономерности процессов статического и ударного сжатия аппарата, а также уточнить рациональные параметры конструкции. На рис. 18 представлены силовые характеристики аппаратов ЭПА-120 при соударении с вагоном, оборудованным аппаратами Ш-2-В. Энергоемкость при силе 2,6 + 2,8 МН достигла 255 кДж.

В ходе ресурсных испытаний было обнаружено изменение плотности материала: в состоянии поставки он имел плотность 1,03 г/см3, а после ресурсных испытаний - 1,09 г/см3. Изменение плотности приводит к существенному уменьшению объема эластомера в аппарате (примерно на 250 см3), что объясняет снижение его статической и динамической энергоемкости. В целом изменение основных выходных параметров аппарата за время ресурсных испытаний не превысило допустимых пределов.

На заключительном этапе исследований были проведены эксплуатационные испытания аппаратов в замкнутом маршруте. После пробега 120 тыс. км параметры силовых характеристик аппаратов не вышли за пределы нормативных величин. Энергоемкость аппарата

/ 1 V У

У / /___

[

0 20 40 60 80 х, мм Рис. 17. Расчетные силовые характеристики аппарата ЭПА-120:1 -с постоянным , 2 — ступенчатым кольцевым зазором

Рис. 18. Силовые характеристики аппаратов ЭПА-120 при различных начальных скоростях соударения грузовых вагонов: 1 - 8,2 км/ч ; 2 - 9,7 км/ч; 3 - 12,8 км/ч

при силе 2,6 -г 2,8 МН достигла 240 - 250 кДж.

Межведомственная приемочная комиссия (МВК), утвержденная МПС, рассмотрела результаты всех испытаний и разрешила изготовление и эксплуатацию опытно-промышленной партии поглощающих аппаратов ЭПА-120 в количестве 1000 комплектов. В настоящее время промышленное производство аппаратов осваивается на предприятии ООО "ВЕРТЭКС-ТРАНЗИТ".

Гидрополимерные аппараты

При выборе оптимального принципа действия — оптимального типа поглощающего апппарата для конкретного типа вагонов необходимо учитывать стоимость аппаратов. Общим недостатком эластомерных поглощающих аппаратов является их относительно высокая стоимость ($ 1000 + 1200). Альтернативой таким аппаратам могут служить гидрополимерые аппараты, которые, сохраняя все преимущества эластомерных, значительно (на 30 + 50%) дешевле.

Специалистами ООО "НПП Дипром" с участием автора разработан аппарат ГП-120А (конструкция защищена патентом РФ). В представленной на рис. 19 конструкции принципиально изменена по сравнению с зарубеж-

ными аналогами кинематическая схема: комплект полимерных Рис. 19. Конструкция аппарата ГП-120А элементов размещен в рабочей

камере гидравлического амортизатора. Потеря рабочей жидкости не приводит к выходу из строя аппарата, так как продолжает работать полимерная часть, обеспечивающая энергоемкость 45 -н 55 кДж. Аппарат объединяет в себе преимущества гидравлических и полимерных амортизаторов - гидравлическая часть позволяет получить силовые характеристики, близкие к характеристикам "идеального" амортизатора при высоких скоростях соударения, а полимерный упругий блок обеспечивает эффективную работу в режиме квазистатического сжатия. Проектные характеристики аппарата соответствуют классу ТЗ.

Эффективность работы гидравлического амортизатора определяется параметрами дросселирующей системы. Выбор оптимальной структуры проводился для различных вариантов исполнения дросселирующей системы.

1. В простейшем случае применяют отверстия постоянного сечения, площадь которых определяется при решении задачи оптимизации.

2. Эффективная площадь дросселирования зависит от хода аппарата. Функциональная зависимость площади дросселирования от хода является объектом оптимизации.

3. Использование клапанов высокого давления (дифференциальных золотников) позволяет обеспечить эффективную работу амортизатора в широком диапазоне скоростей. Объектами оптимизации являются параметры клапанной системы - площадь дроссельных отверстий, жесткость и начальная затяжка

пружины клапана и т.д.

4. Гидравлические амортизаторы обладают авторегулируемостью силовых характеристик, благодаря квадратичной зависимости силы сжатия от скорости. Однако если энергия соударения увеличивается не за счет скорости, а за счет массы вагонов, максимальные силы почти не отличаются, а изменяется лишь ход поглощающего аппарата (силовые характеристики У и 2 на рис. 20). На рис. 20 представлена также квазиидеальная силовая характеристика 3, обеспечивающая ту же, что и кривая 2, энергоемкость при существенно меньшей максимальной силе. Такую характеристику можно получить для поглощающего аппарата, обладающем способностью самонастраиваться в зависимости от условий соударения. Предложена конструкция аппарата с системой управления, состоящей из датчика ускорения и устройства, перекрывающего дроссельные отверстия на величину, определяемую ускорением вагона.

На базе гидрополимерного поглощающего аппарата ГП-120 разработано дополнительно две конструкции - модификация аппарата с клапаном высокого давления и амортизатор с саморегулируемыми характеристиками (с датчиком,

регулирующим величину дроссельных отверстий).

В процессе проектирования аппарата ГП-120 А были использованы апробированные расчетные модели гидравлического и полимерного амортизатора. На рис. 21 приведены расчетные динамические силовые характеристики аппарата с постоянными дроссельными отверстиями.

Минимизация критериев эффективности позволила определить оптимальные значения параметров дросселирующих систем для каждого варианта конструкции.

Сравнение конструкций с различными

/ // // // 2 \

Ii !

Рис. 20. Характеристики гидроамортизаторов: 1 и 2 - с нерегулируемой клапанной системой

V/ > V/, 3 - квазиидеальная

клапанными системами по критерию Jo6 показало, что значения критерия для аппарата с саморегулируемыми характеристиками в 5,6 раза ниже, чем для аппарата с клапаном высокого давления, и в 12,7 раза ниже, чем для аппарата с постоянным дроссельным отверстием. Несмотря на сложность технологического воплощения амортизаторов с автономно саморегулируемыми характеристиками, очевидны их технические преимущества. Для ма-

Р, МН 2,5

2,0 1,5 1,0 0,5 0

//

20 40 60 80 100 х,лш

Рис. 21. Силовые характеристики аппарата для начальной скорости Уц : — ■ — ■ — 1,5м/с; -2,0 м/с;-2,5 м/с

лых масс при значительных скоростях удается уменьшить ускорения на защищаемом объекте в 2 и более раз. После изготовления и испытаний опытных образцов таких устройств и их конструкторской доработки можно рекомендовать амортизаторы к внедрению на железнодорожном транспорте.

В ходе экспериментальных исследований аппарата ГП-120А была оценена работоспособность полимерных элементов при воздействии рабочей жидкости. Полученные данные (время наблюдений превысило 2 года) показали, что при длительной выдержке элемента в масле наблюдается некоторое его ужесточение, которое постепенно стабилизируется.

После сборки опытного образца были получены его статические и динамические характеристики. Достигнуты следующие показатели: номинальная энергоемкость 107 кДж; при силе 1,87 МН; коэффициенты полноты силовых характеристик 0,5 + 0,6.

По результатам исследования аппарат ГП-120А можно рекомендовать к проведению широкого комплекса испытаний при соударении натурных вагонов.

В четвертой главе оценена эффективность работы различных поглощающих аппаратов на различных типах вагонов, как при маневрах, так и при поездных режимах эксплуатации.

Грузовые вагоны

Были проведены расчеты процессов маневровых соударений грузового вагона при различных сочетаниях скоростей и масс. Нагруженность оценивалась с помощью детерминированных показателей, использовались также технико-экономические критерии эффективности. Результаты расчетов представлены в табл. 3, на рис. 22 показаны зависимости максимальных сил от начальной скорости соударения для различных поглощающих аппаратов.

Таблица 3

Результаты расчетов продольной нагруженности

Тип поглощающего аппарата Энергоемкость, Дж Коэффициент полноты Вероятность параметрического отказа Критерии эффективности

номинальная максимальная об, усл. ед. •Ууст, усл. ед. усл. ед.

Ш-2-В 47449 50413 0,16 -4- 0,23 0,005521 126823 66551,36 59,763

ПМК-110-А 61017 62540 0,23 + 0,33 0,001143 44177 26800,35 24,965

ПМКП-110 78923 91825 0,26 + 0,35 0,000704 27560 14473,62 11,875

ПМКЭ-110 10740 14170 0,4-н 0,55 0,00021 7637 3932,38 3,364

ЭПА-120 178375 266429 0,65 -г- 0,85 0,00016 3234 1778,29 1,992

ГП-120А 134000 234700 0,65 * 0,8 0,00016 4303 2331,82 2,495

р.

мн

3,0

2,0

1,0

/

! У/, /■>

/У г

Ч/ у^- 1 V

1,0 2,0 3,0 V, м/с

Рис. 22. Зависимость максимальной силы от начальной скорости удара для аппаратов:

--Ш-2-В,----ПМК-110А,

........-ПМКП-110,-----ПМКЭ-110,

-------ЭПА-120,--— ГП-120А

Анализируя полученные результаты можно сделать следующие выводы:

- наилучшие показатели обеспечивают аппараты класса ТЗ - ЭПА-120 и ГП-120А, близкие к ним показатели дает аппарат ПМКЭ-110;

- сравнение аппаратов по критериям эффективности показывает значительное различие (более чем в 15 + 30 раз) для фрикционных и эласто-мерных (гидрополимерных) аппаратов;

- в зоне средних скоростей соударения (до 2,8 м/с) эффективно работает аппарат

ПМКП-110.

Расчет экономической эффективности показал, что использование достаточно дорогих аппаратов класса ТЗ экономически целесообразно на цистернах и вагонах, перевозящих дорогостоящие и опасные грузы. Срок окупаемости установки таких аппаратов на другие типы вагонов составляет от 12 до 19 лет. В то же время экономический эффект от использования аппаратов ПМКП-110 на полувагонах составляет 32800 руб. на один вагон при сроке окупаемости 8,5 лет.

Контейнерные платформы

Специализированные платформы для перевозки средне- и крупнотоннажных контейнеров широко используются на железнодорожном транспорте.

Для оценки эффективности различных поглощающих аппаратов были проведены расчеты маневровых соударений платформы для ситуации удара грузового вагона в неподвижную платформу. При этом исследовались вертикальные и горизонтальные ускорения контейнеров и грузов. В работе использована уточненная расчетная модель, позволяющая учесть податливость платформы и плоское движение каждого контейнера и груза.

На рис. 23 приведены зависимости максимальных вертикальных ускорений контейнера от начальной скорости соударения для различных поглощающих аппаратов.

На малых скоростях соударения преимуществом в большинстве случаев обладают пружинно-фрикционные аппараты. В области средних и высоких скоростей лучше работают аппараты ПМКП-110 и ЭПА-120.

Цистерны

Нагруженность вагонов-цистерн в эксплуатации во многом зависит от поведения жидкого груза, имеющего свободную поверхность. В работе прове-

а, &

2,5

2,0

1,5

1,0

Т.-"'

/ Г /

дено исследование процессов маневровых соударений цистерны для сравнительной оценки работы различных поглощающих аппаратов.

Расчетная схема котла цистерны с жидкостью представлялась в виде твердого тела, моделирующего движение котла и той части жидкости, которая не участвует в колебаниях относительно стенок емкости, и материальной точки, имитирующей движение жидкости.

По проведенным расчетам соударений цистерны, оборудованной поглощающими аппаратами Ш-2-В, ПМК-110А, ПМКП-110 и ЭПА-120, можно отдать предпочтение аппаратам ЭПА-120 и ПМКП-110 обеспечивающим минимальные ускорения котла цистерны, а также минимальные уровни сил между котлом и рамой.

Особенности работы перспективных поглощающих аппаратов

при поездных режимах Рассмотрены наиболее нагруженные режимы - трогание и различные виды торможения. Исследованы также длинносоставные и наливные поезда.

Для пуска поезда в ход наименьшие продольные силы возникают в поездах, оснащенных поглощающими

6,0 9,0 12,0 V. км'ч

Рис. 23. Зависимость максимального вертикального ускорения контейнера от начальной скорости удара для аппаратов:-Ш-2-В,----ПМК-110А,

........-ПМКП-110,-------ЭПА-120

аппаратами ПМКЭ-110, ЭПА-120 и ПМКП-110. Снижение уровня сил при использовании перспективных поглощающих аппаратов может достигать 30%. _

Аналогичный результат получен и для режимов торможения -так, при экстренном торможении наименьшие сжимающие усилия возникают в однородных составах, оснащенных аппаратами ПМКЭ-110, ПМКП-110 и ЭПА-120, а наибольшие усилия дают аппараты Ш-2-В и ПМК-110А (рис. 24). Снижение уровня сил при использовании перспективных поглощающих аппаратов может достигать 25 ч- 35%.

Исследования работы различ-

Р,

МН 1,2

0,4

0

Л

Ч |

П — ^ V "Л1.

..V У \\Л| Ч!

I"

1 23 45 Л? вагона Рис. 24. Распределение максимальных сжимающих сил при экстренном торможении поезда; вагоны оборудованы аппаратами: -Ш-2-В,----ПМК-110 А,

........-ПМКП-110,------ПМКЭ-110,

-------ЭПА-120, - -ГП-120А

ных поглощающих аппаратов в длиниосоставных и наливных поездах также подтвердили преимущества перспективных конструкций.

Влияние начальной затяжки поглощающих аппаратов на продольную погруженность вагона

Отраслевым стандартом нормируется начальная затяжка поглощающих аппаратов — предусмотрено значение начальной силы в пределах от 0,1 до 0,4 МН. Обоснованный вы бор того или иного значения этого показателя должен учитывать весь комплекс условий эксплуатации вагона.

В работе исследовано влияние начальной затяжки на продольные силы для различных режимов эксплуатации грузового вагона на примере эластомер-ного аппарат ЭПА-120, величина начальной затяжки которого легко регулируется изменением начального давления в рабочих камерах.

В соответствии со статистическими распределениями масс и скоростей были рассчитаны спектры продольных сил для маневровых соударений вагонов и поездных режимов. Результаты показали, что с уменьшением начальной затяжки увеличивается вероятность возникновения малых сил (интервалы 100 800 кН), однако одновременно вследствие снижения энергоемкости вероятность возникновения значительных сил (св. 2,5 МН) на наиболее нагруженных режимах повышается. Были рассчитаны также критерии эффективности для случая оборудования вагонов аппаратами ЭПА-120 с различной начальной затяжкой. Минимальное значение критерия Jo6 соответствует начальной затяжке 0,2 МН.

С учетом того, что пониженный уровень продольных сил в поезде наряду с положительным эффектом приводит к интенсивному износу деталей автосцепного устройства, следует рекомендовать величину начальной затяжки на уровне 0,2 МН.

Статистические распределения продольных сил. действующих на грузовой вагон в эксплуатации

Расчет надежности и долговечности элементов вагона, определение оптимальных параметров амортизаторов удара и решение ряда других задач требуют знания статистических распределений продольных сил, действующих на подвижной состав через автосцепку.

Для построения статистического распределения продольных сил рассмотрены все режимы эксплуатации грузового вагона. Данные расчетов (рис. 25) показывают, что для перспективных аппаратов ПМКП-110, ПМКЭ-110 и ЭПА-120 по сравнению с серийными аппаратами характерно снижение вероятности возникновения сил св. 1,0 + 1,5 МН.

Полученные спектры были использованы для расчета критериев эффективности работы поглощающих аппаратов. Наилучшие показатели обеспечивают аппараты ЭПА-120 и ПМКЭ-110 - величина вероятности параметрического отказа и критерия Joe для них в 3 -5- 10 раз ниже, чем для аппаратов Ш-2-В и ПМК-110А.

0,7 0,6 -о 0,5

о 0,4 §

¡? 0,3

0,2 0,1 0

0-0,5 0,5-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 2,0-2,5 2,5-3,0 св 3,0 Интервал сил, МН

0 Аппарат Ш-2-В 0 Аппарат ПМК-110 Ш Аппарат ПМКП-110

Э Аппарат ПМКЭ-110 И Аппарат ЭПА-120

Рис. 25. Статистическое распределение экстремумов сжимающих сил, действующих на грузовой вагон в эксплуатации

В пятой главе содержатся общие результаты и выводы

1. Разработаны теоретические и практические основы совершенствования поглощающих аппаратов автосцепки грузовых вагонов, включающие:

- усовершенствованную методику оптимального проектирования амортизаторов удара, использующую критерии эффективности амортизаторов удара, которые учитывают реальные условия эксплуатации, физику возможных отказов, величину экономического ущерба от продольных перегрузок, а также затраты на производство, эксплуатацию и ремонт поглощающего аппарата;

- уточненную методику имитационного моделирования нагруженности вагона продольными силами, включающую моделирование маневровых операций, переходных режимов движения поезда для различных типов вагонов, поглощающих аппаратов и перевозимых грузов;

- методику идентификации параметров математических моделей аппаратов, основанную на минимизации рассогласования расчетных и экспериментальных данных;

- использование широкого ряда разработанных математических моделей новых поглощающих аппаратов - полимерных, эластомерных, фрикционно-полимерных, фрикционно-эластомерных, гидрополимерных и т.д., учитывающих специфические свойства перспективных полимерных материалов, а также реальные физические процессы, происходящие при ударном сжатии амортизаторов;

- применение разработанных математических моделей различных типов вагонов (грузовых, рефрижераторных, контейнерных платформ, цистерн), оборудования и перевозимых грузов, а также моделей связей оборудования и гру-

зов с кузовом вагона, с учетом рекомендаций по использованию различных моделей.

2. Теоретически и экспериментально изучены закономерности процессов ударного и статического сжатия различных типов амортизирующих устройств для различных эксплуатационных режимов.

3. Разработанные научные принципы использованы при создании конструкций перспективных поглощающих аппаратов различных типов. Конструкции защищены авторскими свидетельствами и патентами РФ.

Совершенствование поглощающих аппаратов фрикционного типа проведено по трем направлениям:

- применение специальных порошковых фрикционных материалов позволило повысить ресурс и энергоемкость поглощающих аппаратов ПМК-110 А;

- использование высокоэффективных подпорно-возвратных устройств привело к созданию новых конструкций - гидрофрикционного аппарата ПМКГ-110, фрикционно-полимерного аппарата ПМКП-110 класса Т1 и фрикционно-эластомерного аппарата ПМКЭ-110 класса Т2;

- разработаны конструкции амортизаторов, в которых для создания давления на поверхностях трения используются гидравлические и эластомерные распорные блоки.

Показано, что одно из перспективных направлений повышения эксплуатационных свойств аппаратов - применение эластомерных материалов. Разработанная с участием автора новая конструкция эластомерного поглощающего аппарата ЭПА-120 класса ТЗ принципиально отличается от известных выполнением корпуса в единой отливке с тяговым хомутом. В результате повысились эксплуатационные характеристики аппарата, и снизилась его стоимость.

Альтернативой эластомерным аппаратам могут служить гидрополимерые амортизаторы удара, которые, сохраняя все преимущества эластомерных, значительно (на 30 — 50%) дешевле. Разработан гидрополимерный поглощающий аппарат ГП-120А, в котором в качестве материала упругих элементов используются термоэластопласты. Особенностью конструкции является размещение полимерных элементов в рабочей камере гидравлического амортизатора, что существенно повышает эффективность и надежность работы аппарата.

4. Проведена сравнительная оценка эффективности работы поглощающих аппаратов при маневровых соударениях для различных типов вагонов.

Для грузовых вагонов в зоне средних скоростей (до 2,5 м/с) достаточно эффективно работает аппарат ПМКП-110. Экономический анализ возможности использования различных аппаратов на грузовых вагонах показал целесообразность установки на них аппаратов ПМКП-110. Расчетный экономический эффект от внедрения аппаратов ПМКП-110 составил 32800 руб. на 1 вагон при сроке окупаемости 8,5 лет.

В результате расчетов маневровых соударений контейнерной платформы установлено, что минимальные вертикальные и горизонтальные ускорения контейнеров и перевозимых в них грузов обеспечивают аппараты ПМКП-110 и ЭПА-120.

Минимальная динамическая нагруженность цистерн также достигается при использовании аппаратов ЭПА-120 и ПМКП-110.

5. Исследование работы перспективных поглощающих аппаратов ПМКП-110, ПМКЭ-110 и ЭПА-120 при поездных режимах эксплуатации показало, что практически для всех расчетных ситуаций они обеспечивают снижение продольных сил по сравнению с серийными аппаратами Ш-2-В и ПМК-110А.

6. Оценено влияние начальной затяжки поглощающих аппаратов на продольную нагруженность вагона на примере поглощающего аппарата ЭПА-120. Рекомендуется величина начальной затяжки на уровне 0,2 МН.

7. Получено статистическое распределение продольных сил, действующих на грузовой вагон в эксплуатации в случае оборудования его различными поглощающими аппаратами.

Установлено снижение вероятности возникновения продольных сил, превышающих 1 4- 1,5 МН, на вагонах, оснащенных перспективными поглощающими аппаратами ЭПА-120, ПМКЭ-110 и ПМКП-110. Расчеты критериев эффективности, выполненные на основе полученных спектров, также подтвердили преимущества новых аппаратов.

8. Проведенные исследования в целом подтвердили требования нормативной документации к установке поглощающих аппаратов класса Т1 на вагоны, эксплуатируемые в замкнутых маршрутах постоянного формирования, а также на полувагоны, хопперы, универсальные платформы и крытые вагоны; поглощающих аппаратов класса Т2 - на цистерны, специализированные платформы, некоторые типы крытых вагонов, перевозящих ценные и опасные грузы; аппаратов класса ТЗ - на цистерны для сжиженных газов, а также вагоны, перевозящие особо опасные и ценные грузы.

9. Основными путями повышения эффективности поглощающих аппаратов являются:

- совершенствование конструкций с использованием методик оптимизации, учитывающих как техническую, так и экономическую целесообразность установки на вагоны конкретного типа поглощающего аппарата и обеспечивающих минимальные значения критериев эффективности;

- обеспечение стабильной и надежной работы в широком диапазоне эксплуатационных параметров;

- применение современных фрикционных и полимерных материалов;

- использование комбинированных конструкций поглощающих аппаратов - фрикционно-полимерных, фрикционно-эластомерных, гидрополимерных и т.д.

10. Разработанные поглощающие аппараты получили признание и внедряются на железнодорожном транспорте РФ:

- с 1986 года выпускается и устанавливается на всех грузовых вагонах общего назначения фрикционный поглощающий аппарат ПМК-110А (ПМК-110К-23), разработанный с участием автора;

- дальнейшее совершенствование аппарата ПМК-110А привело к созданию с участием автора двух конструкций - фрикционно-полимерного аппарата

класса T1 - ПМКП-110, который приходит на смену аппарату ПМК-110А, и более энергоемкого фрикционно-эластомерного аппарата класса Т2 - ПМКЭ-110;

- для вагонов, имеющих сложное оборудование, перевозящих оборонную технику, а также цистерн для перевозки опасных продуктов при непосредственном участии автора разработаны поглощающие аппараты класса ТЗ - эла-стомерный ЭПА-120 и гидрополимерный ГП-120А.

11. Разработанные научные принципы и методики, обширный расчетный и экспериментальный материал могут служить основой в проблеме нормирования показателей и проектирования перспективных амортизирующих устройств железнодорожных и других транспортных средств.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

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

Публикации в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК:

2. Болдырев А.П. Оптимизация параметров конструкции фрикционно-эластомерного поглощающего аппарата ПМКЭ-110 класса Т2 // Известия вузов. - Машиностроение, 2005. - № 2. - С. 44 - 50.

3. Болдырев А.П. Разработка и внедрение комбинированных фрикционных поглощающих аппаратов на базе ПМК-110А // Сборка в машиностроении. - Машиностроение, 2004. - № 12 (53) - С. 42 - 45.

4. Болдырев А.П. Расчетно-экспериментапьная оценка параметров конструкции эластомерных амортизаторов удара // Известия вузов. - Машиностроение, 2005.-№ 11, С. 39-46.

5. Болдырев А.П., Кеглин Б.Г. Перспективные конструкции поглощающих аппаратов автосцепки. Железнодорожный транспорт. - 2005. - № 6. - С. 41 - 45.

6. Кеглин Б.Г., Болдырев А.П. Основные направления совершенствования амортизаторов удара подвижного состава железных дорог // "Справочник". Инженерный журнал". - Прил. № 11. - 2004. - С. 5 - 8.

7. Кеглин Б.Г., Болдырев А.П. Совершенствование математической модели фрикционного амортизатора удара // Известия вузов. - Машиностроение. - 1984. -№ 5. - С. 89-93.

8. Болдырев А.П., Кеглин Б.Г. Разработка и внедрение перспективных поглощающих аппаратов автосцепки для грузовых вагонов // Тяжелое машиностроение. - 2005 . - № 12. - С. 20 - 24.

9. Болдырев А.П., Кеглин Б.Г., Иванов A.B. Разработка и исследование фрик-ционно-полимерного поглощающего аппарата ПМКП-110 класса Т1 // Вестник ВНИИЖТ № 4, 2005, - С. 40 - 44.

Авторские свидетельства и патенты РФ:

10. A.c. 1093590 СССР, МКИ 3 В61 G 9/04. Пружинно-фрикционный поглощающий аппарат автосцепки железнодорожного подвижного состава / Б.Г.

Кеглин, А.П. Болдырев, JI.H. Никольский, А.Н. Прасолов, Д.Д. Поляков, М.Г. Беренштейн, Н.В. Киреев; Опубл. 23.05.84; Бюл. № 19.

11. A.c. 124066б СССР, МКИ 4 В61 G 9/08. Гидрогазовый поглощающий аппарат / П.Ю. Шалимов, А.П. Болдырев; Опубл. 30.06.86; Бюл. № 24.

12. A.c. 1341088 СССР, МКИ 4 В61 G 9/04. Поглощающий аппарат автосцепки железнодорожного транспортного средства. / А.П. Болдырев, А.И. Ермаков; Опубл. 30.09.87; Бюл. № 36.

13. A.c. 1315352 СССР, МКИ 4 В61 G 9/08. Фрикционно-гидравлический поглощающий аппарат автосцепки / А.П. Болдырев, П.Ю. Шалимов, Б.Г. Кеглин; Опубл. 07.06.87; Бюл. № 21.

14. A.c. 1643265 СССР, МКИ 4 В61 G 9/08. Фрикционно-гидравлический поглощающий аппарат автосцепки / П.Ю. Шалимов, Б.Г. Кеглин, А.П. Болдырев; Опубл. 23.04.91; Бюл. № 15.

15. Пат. 2034086 РФ МПК 6 С22 СЗЗ/02. Порошковый фрикционный сплав на основе железа / Кеглин Б.Г., Мигунов В.П., Добрострой Н.И., Прилепо Т.Н., Ионов В.В., Болдырев А.П. Опубл. 30.04.95. Бюл. № 12.

16. Пат. 2083406 РФ МПК 6 В61 Gl 1/12. Поглощающий аппарат автосцепки / Шалимов П.Ю., Кеглин Б.Г., Болдырев А.П., Иванов A.B., Феоктистов И.Б., Филипов В.Н., Цюренко В.Н. Опубл. 10.07.97. Бюл. № 19.

17. Пат. 2115578 РФ МПК 6 В 61 G 9/08. Поглощающий аппарат автосцепки / Кеглин Б.Г.,Болдырев А.П., Шлюшенков А.П., Шалимов П.Ю., Игнатенко Ю.В., Иванов A.B., Ульянов O.A. Опубл. 20.07.98. Бюл. № 20.

18. Пат. 2128301 РФ МПК 6 F 16 F 7/08, В 61 G 9/02. Фрикционный амортизатор / Кеглин Б.Г., Болдырев А.П., Харитонов А.Т., Ступин Д.А., Иванов A.B., Ульянов O.A., Прилепо Т.Н., Сухов А.М., Синельников Я.М. Опубл. 27.03.99. Бюл. № 9.

19. Пат. 2198809 РФ МПК 7 В 61 G 1/12, 11/14, F 16 F 7/08, 9/14, 9,16, 11/00. Фрикционный поглощающий аппарат автосцепки / Кеглин Б.Г., Болдырев А.П., Шлюшенков А.П., Прилепо Т.Н., Игнатенко Ю.В., Ступин Д.А., Иванов A.B. Опубл. 20.02.03. Бюл. № 5.

20. Пат. 2260533 РФ МПК 7 В 61 G 9/08, 11/12 Поглощающий аппарат автосцепки. Кеглин Б.Г., Болдырев А.П., Шалимов П.Ю., Шлюшенков А.П., Прилепо Т.Н., Алдюхов В .А., Иванов A.B., Ступин Д.А. опубл. 20.09.05 , бюл. № 26

Публикации в прочих издательствах:

21. Болдырев А.П. Оптимизация параметров гидрофрикционных поглощающих аппаратов автосцепки рефрижераторных вагонов // Проблемы механики железнодорожного транспорта: Тез. Всесоюз. конф. - Днепропетровск, 1988. - С. 47

22. Болдырев А.П. Продольная динамика рефрижераторных вагонов, оборудованных гидрофрикционными поглощающими аппаратами // Вопросы качества, надежности, прочности и долговечности машиностроительной продукции: Тез. докл. XIII науч. техн. конф. - Калинин, 1989.

23. Болдырев А.П. Разработка и внедрение перспективных конструкций поглощающих аппаратов автосцепки // Наука в транспортном измерении: Тез. докл. I

международной науч. - практич. конф. - Киев, 2005. - Спец. выпуск № 3/1. - С. 196.

24. Болдырев А.П. Разработка и исследование гидрополимерного поглощающего аппарата автосцепки // Подвижной состав железнодорожного транспорта: Материалы Международной науч.-практ. конф. / Под. общ. ред. В.И. Сенько. -Гомель: БелГУТ, 2004. - С. 3 - 7.

25. Болдырев А.П. Расчет характеристик гидроамортизатора (гидровставки) комбинированного поглощающего аппарата автосцепки // Динамика, прочность и надежность транспортных машин: Сб. науч. трудов. - Брянск: БИТМ, 1986.-С. 113 - 124.

26. Болдырев А.П. Расчет характеристик гидрофрикционных поглощающих аппаратов автосцепки // Вопросы исследования динамики и надежности элементов подвижного состава и транспортных машин: Сб. науч. трудов - Брянск: БИТМ, 1988.-С. 12-22.

27. Болдырев А.П., Бакун Д.В. . Сравнительная оценка продольной нагруженное™ контейнерной платформы при переходных режимах движения поезда // Динамика, прочность и надежность транспортных машин: Сб. науч. трудов. -Брянск: БГТУ, 2002. - С. 58 - 64.

28. Болдырев А.П., Белоусов А.Г. Расчетно-экспериментальная оценка рациональных параметров конструкции поглощающего аппарата ПМКП-110 с полимерным подпорным блоком // Динамика, прочность и надежность транспортных машин: Сб. науч. трудов. - Брянск: БГТУ, 2003. - С. 15 - 27.

29. Болдырев А.П., Кеглин Б.Г. Расчетно-экспериментальная оценка продольной нагруженности железнодорожных вагонов при различных режимах эксплуатации // Механика и трибология транспортных систем - 2003: Сб. докл. международного конгресса. - Ростов - на - Дону: Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2003.-С. 76-82.

30. Болдырев А.П., Кеглин Б.Г., Абрашин A.B. Разработка и исследование гидрополимерного поглощающего аппарата автосцепки // Visnik of the East Ukrainian National University named in memory of Vladimir Dal. - Луганск, 2005. -№ 8 (90). - С. 22 - 25.

31. Болдырев А.П., Кеглин Б.Г., Абрашин A.B. Эффективность работы поглощающих аппаратов новых типов при низких температурах // Visnik of the East Ukrainian National University named in memory of Vladimir Dal. - Луганск, 2004. -№ 8 (78). - С. 48 - 52.

32. Болдырев А.П. Кеглин Б.Г., Шлюшенков А.П. Разработка и исследование фрикционно-эластомерного поглощающего аппарата класса Т2 ПМКЭ-110 // Вестник БГТУ. - Брянск: БГТУ, 2004. - №3 (3). - С. 54 - 61.

33. Болдырев А.П., Шалимов П.Ю. Исследование работы гидрофрикционных поглощающих аппаратов с гидравлическим объемным распором Н Динамика вагонов: Сб. науч. тр. - Л.: ЛИИЖТ, 1991. - С. 65 - 73.

34. Болдырев А.П., Шалимов П.Ю., Овелян A.A. Исследование закономерностей работы гидровставки комбинированного фрикционно-гидравлического поглощающего аппарата при низких (до -60 С) температурах // Вопросы качества,

надежности, прочности и долговечности машиностроительной продукции: Тез. докл. XIV науч. техн. конф. - Тверь, 1991. - С. 39 - 40.

35. Болдырев А.П., Шлюшенков А.П., Филонова И.М. Конструкция и результаты теоретического исследования эластомерного поглощающего аппарата ЭПА-120 // Динамика, прочность и надежность транспортных машин: Сб. науч. трудов. - Брянск: БГТУ, 1997. - С. 28 - 36.

36. Кеглин Б.Г., Болдырев А.П. Проблемы совершенствования поглощающих аппаратов подвижного состава // Проблемы и перспективы развития ж.-д. транспорта: Тез. докл. 65 Междунар. науч-практич. конф.- Днепропетровск, 2005.-С. 44-45.

37. Кеглин Б.Г., Болдырев А.П., Прилепо Т.Н., Шилько C.B. Термоэластопла-сты в амортизаторах удара: анализ механических свойств // Полимерные композиты - 2000: Тез. междунар. науч.-техн. конф. - Гомель: ИММС НАНБ, 2000. -С. 75 -76.

38. Кеглин Б.Г., Болдырев А.П., Шлюшенков А.П., Ступин Д.А., Иванов A.B., Сударев В.Г. Разработка и исследование высокоэффективного отечественного эластомерного аппарата ЭПА - 120 // Проблемы механики железнодорожного транспорта. Динамика, надежность и безопасность подвижного состава: Тез. докл. X междунар. конф. - Днепропетровск: Арт-Пресс, 2000. - С. 78.

39. Кеглин Б.Г., Шалимов П.Ю., Болдырев А.П. Разработка и исследование высокоэффективного гидрополиуретанового поглощающего аппарата автосцепки ГП-120 // Проблемы механики железнодорожного транспорта. Динамика, надежность и безопасность подвижного состава: Тез. докл. IX междунар. конф. - Днепропетровск, 1996. - С. 71 - 72.

40. Шалимов П.Ю., Болдырев А.П., Заикина Л.М. Оценка эффективности работы различных клапанных систем гидрополиуретанового поглощающего амортизатора удара // Динамика, прочность и надежность транспортных машин: Сб. науч. трудов. - Брянск: БГТУ, 1997. т С. 54 - 66.

Подписано к печати 20.04.2006 г. Формат 60х84'/)6 Печать офсетная. Бумага офсетная. Усл. п. л. 2,4. Уч.-изд. л. 2,4. Тираж 100 экз. Заказ № 399.

Брянский государственный технический университет 241035. Брянск. Бульвар им. 50-летия Октября, 7. БГТУ Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ. Ул. Институтская, 16