Стабилизация выходных параметров клинового гасителя колебаний при варьировании массы загрузки железнодорожного вагона

Михайлов, Николай Викторович

Стабилизация выходных параметров клинового гасителя колебаний при варьировании массы загрузки железнодорожного вагона тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Михайлов, Николай Викторович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Орел; Самара МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Стабилизация выходных параметров клинового гасителя колебаний при варьировании массы загрузки железнодорожного вагона»

Автореферат диссертации на тему "Стабилизация выходных параметров клинового гасителя колебаний при варьировании массы загрузки железнодорожного вагона"

На правах рукописи

Михайлов Николай Викторович

/у

СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ КЛИНОВОГО ГАСИТЕЛЯ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ МАССЫ ЗАГРУЗКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА

01.02.06 — Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» и ГОУ ВПО «Самарская государственная академия путей сообщения»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Ковтунов Александр Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Савин Леонид Алексеевич

доктор технических наук, профессор Луканенко Владимир Григорьевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится « 14 » декабря 2006 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.182.03 при ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29

С диссертацией мохсно ознакомиться в библиотеке

ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Практика эксплуатации и многолетние комплексные испытания грузовых вагонов и полувагонов с тележками модели 18-100* выявили ряд серьезных недостатков одного из основных его звеньев — фрикционного клинового гасителя колебаний. Вследствие больших износов клинового гасителя колебаний коэффициент относительного трения становится равным нулю. У таких вагонов в порожнем состоянии при резонансе возможно полное обезгруживание рессорного подвешивания, о чем свидетельствуют известные публикации о следах потертостей на витках пружин рессорных комплектов, обусловленные проворотом их относительно вертикальной оси и касанием друг о друга. Одновременно установлено, что продольное перемещение надрессорной балки относительно боковой рамы составляет до 10 мм, что также указывает на недостаточную связанность элементов тележки, что приводит к завышению фрикционных клиньев. При завышении клиньев относительно опорной поверхности надрессорной балки свыше 5 мм возникает опасность схода вагонов с рельсов. Поэтому стабилизация выходных параметров клинового гасителя колебаний при варьировании массы загрузки железнодорожного вагона является весьма актуальной темой исследования.

Актуальность темы диссертационной работы подтверждается ее соответствием ряду научно-технических отраслевых программ: «Государственная программа по повышению безопасности движения поездов на железнодорожном транспорте России на период 1993-2000 г.г.» (Постановление Правительства РФ от 29.10.92 №833), «Программы создания нового поколения грузового подвижного состава на 2000- 2005 годы» (Постановление Коллегии МПС РФ от 24-25 декабря 1999 г. №23).

Работа выполнялась в ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» и ГОУ ВПО «Самарская государственная академия путей сообщения».

Цель работы: Стабилизация параметров колебаний тележек при пробеге железнодорожных вагонов путем применения клинового гасителя.

Для достижения поставленной цели в работе предполагалось решение следующие задачи:

— провести сравнительный анализ эффективности способов и средств обеспечения

"Модель 18-100 имеет также наименование ЦНИИ-ХЗ-О

стабильности движения тележек железнодорожных вагонов с клиновым гасителем колебаний с учетом вида и взаимосвязи колебаний подвижного состава при фактическом амплитудно-частотном спектре динамических воздействий при железнодорожных перевозках;

— провести конструктивный поиск, теоретическое и экспериментальное исследования работоспособности клинового гасителя колебаний тележки модели 18-100 с усовершенствованной конструкцией двухстороннего клина при варьировании массы и скорости движения грузового вагона при заданном амплитудно-частотном спектре транспортных нагрузок;

— разработать математическую модель фрикционного гасителя колебаний с двухсторонним клином, включающую соотношения для определения сил трения в нелинейной постановке и уравнение колебаний системы «клиновой гаситель — грузовой вагон», позволяющую определить амплитудно-частотные характеристики системы при различных видах нагружения;

— выявить области рационального изменения параметров динамической системы «тележка-вагон» с учетом относительного движения элементов при варьировании амплитудно-частотного спектра транспортных нагрузок и скорости движения вагона;

— систематизировать принципы обеспечения функциональной надежности элементов и кинематических связей клинового гасителя колебаний тележки модели 18100 при порожнем и загруженном пробеге вагонов;

— разработать новые решения перспективных демпферов сухого трения и создать на их базе высокоэффективные конструкции разнотипных клиновых гасителей колебаний с повышенной стойкостью к внешнему воздействию с учетом варьирования массы вагона при железнодорожных перевозках и возможностью диагностирования работоспособности элементов и узлов тележек модели 18-100.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

-разработана математическая модель фрикционного гасителя колебаний с двухсторонним клином, включающая соотношения для определения сил трения в нелинейной постановке и уравнение колебаний системы «клиновой гаситель — грузовой вагон», позволяющая определить амплитудно-частотные характеристики системы при различных видах нагружения;

—выявлены на основании теоретических исследований с использованием разра-

ботанной математической модели и программного обеспечения области рационального изменения параметров динамической системы «тележка - вагон» с учетом относительного движения элементов при варьировании амплитудно-частотного спектра транспортных нагрузок и скорости движения вагона;

—предложена методика расчета и коррекции необходимых технологических и конструктивных параметров, создаваемых клиновых гасителей колебаний с двухсторонним клином на базе различных механизмов перераспределения усилия пакетов пружин в зависимости от степени загруженности тележки грузового вагона, что благоприятно сказывается на ресурсе (степени износа) фрикционной пары «клин-фрикционная планка»;

-разработана научно-обоснованная методика расчета и конструирования механизмов перераспределения усилий пакетного блока пружин с регулируемой жесткостью клинового гасителя колебаний при переходе с порожнего движения вагонов на движение с загрузкой.

Методы решения. При проведении исследований в работе использован комплексный подход, включающий теоретический анализ и экспериментальное апробирование предложенных технических решений. При моделировании колебаний тележки был использован численно-аналитический метод решения системы дифференциальных уравнений движения. Экспериментальные исследования были проведены с использованием специально разработанного имитатора с клиновым гасителем колебаний, оснащенного компьютерной информационно-измерительной системой с использованием датчиков Вгие1 & Ь^аег. Обработка результатов эксперимента проводилась с использованием математико-статистических методов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением методик планирования эксперимента и обработки полученных данных поверенного оборудования и контрольно-измерительных приборов. Достигается обоснованным использованием теоретических зависимостей, корректностью постановки задач математического моделирования, применением современных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями.

Практическая ценность:

1. Проведенное автором классификационное обобщение известных и разработанных при непосредственном его участии конструкций клиновых демпферов сухого трения (ДСТ) с последующим представлением их на базе иерархического подхода в виде единой табличной классификационной схемы с указанием конкретных источников информации по их исполнению обеспечивает:

- качественное ознакомление с результатами систематизации известных и авторских разработок ДСТ, примерами их конструктивного исполнения и принятие рационального решения по выбору конструктивной схемы разрабатываемого демпфера с соответствующим снижением финансовых и временных затрат на его проектирование, доводку выходных параметров и эксплуатацию;

- выявление динамически «слабых» (испытывающих сверхнормативные нагрузки) звеньев в конструкции демпферов и создание новых методов и средств демпфирования транспортных средств и объектов транспортировки с более низким порогом динамического нагружения, идущим в запас прочности конструкции.

2. Разработана и успешно экспериментально апробирована конструкция имитатора клинового гасителя колебаний, работоспособного в режиме как одностороннего, так и двухстороннего клина, позволяющего за счет варьирования масштабного фактора проводить экспериментальные исследования разногабаритных клиново-фрикционных сопряжений широкого класса гасителей колебаний.

3. Предложены новые структурные схемы и технические решения оригинальных конструкций клиновых фрикционных гасителей на базе пакета пружин с регулируемой жесткостью при переходе с порожнего движения вагона на движение с загрузкой на базе комбинированного механизма перераспределения усилия пакета пружин при смене усилия нагружения.

4. Создан макет оригинального малогабаритного переносного устройства диагностирования связи надрессорной балки с боковой рамой тележки модели 18-100 для выбраковки неисправных вагонов с целью предотвращения схода.

Реализация результатов работы.

лезной дороги - филиале ОАО «РЖД» прогнозируемого срока службы гасителя при эксплуатационном износе фрикционных планок. Разработанная автором методика расчета двухстороннего клина передана на кафедры «Механика» и «Вагоны» СамГАПС и используется при изучении дисциплин «Теоретическая механика», «Основы триботехники узлов подвижного состава», «Подвижной состав и тяга поездов».

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на заседаниях международной конференции «Безопасность и логистика транспортных систем» (Самара, 2004); XI Российской научной конференции (Самара, 2004); 2-й международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (Самара, 2005); расширенном научно-техническом совете кафедр «Механика» и «Железнодорожные станции и узлы» (Самара, 2006); научном семинаре кафедры «Динамика, прочность машин» (Орел, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных трудов, включающих: 1 монографию, 5 статей в научных изданиях, тезисы 2 докладов на научно-технических конференциях, 1 свидетельство о регистрации интеллектуального продукта Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 65 наименований и 2 приложений. Основной текст изложен на 157 страницах основного текста и содержит 55 рисунков, 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе темы, сформулирована цель работы, положения, выносимые автором на защиту, научная новизна, методы исследования, обоснована достоверность полученных результатов, определена практическая ценность и реализация работы, приводятся данные об апробации работы, публикациях, структуре и объеме диссертации.

В первой главе на основе критического анализа российских и зарубежных источников охарактеризовано состояние исследований по обеспечению эксплуатационной безопасности тележек модели 18-100 при порожнем и загруженном пробеге грузовых железнодорожных вагонов. Также отмечается, что большой вклад в исследованиях динамики рельсовых экипажей внесли Н.Е. Жуковский, Н.ПЛетров, C.B. Вершинский, В.А. Лазарян, Е.П. Блохин, В.Н. Филиппов и другие ученые. В результате анализа со-

стояния, способов и средств обеспечения надёжности тележек модели 18-100, уточнена цель работы, сформированы задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты конструктивного поиска и аналитического исследования работоспособности тележек модели 18-100 при варьировании массы грузового вагона. Представлено конструктивное исполнение и этапы совершенствования серийного клинового гасителя колебаний. Проблема доведения его серийной конструкции до технического уровня, удовлетворяющего, практические нужды железной дороги, далека до завершения. В связи с этим автором была принята попытка создания классификационных структур динамических моделей транспортных машин и механизмов, включая классификацию нелинейных систем и механизмов переменной структуры с представлением динамических моделей как сочетание модулей различного типа. Это обеспечивает корректную разработку компьютерных программ для комплексной оценки транспортных машин и механизмов, а, следовательно, автоматизацию самого процесса расчёта. Охарактеризованы современные направления компьютерного моделирования динамики рельсовых экипажей (РЭ) (программа МЕОУЫА, АОАМБ/ЯАЬЬ и др.). Последующее классификационное обобщение разработок конструкций демпферов сухого трения (ДСТ), к классу которых относится исследуемый фрикционный гаситель колебаний (рисунок 1,а) обусловило создание при участии автора новой конструкции фрикционного гасителя с двухсторонним клином (рисунок 1,6).

Рисунок 1 — Этапы доработки серийной конструкции клинового гасителя колебаний а - клиновой гаситель колебаний в рессорном комплекте тележки 18-100 [1- клинья; 2 - фрикционные планки];

б - продольный разрез усовершенствованной конструкции клинового гасителя колебаний [1-корпус; 2-исполнительный орган с конусной поверхностью 3; 4-набор клиньев; 5, 6 - конусная поверхность клиньев 4; 7-фрикционные планки; 8 -дополнительная конусная поверхность клиньев 4; 9 - дополнительный пружинный подпятник; 10 - конусная поверхность подпятника 9; 11-пакет пружин];

в — конструкция клинового гасителя колебаний с частичной разгрузкой фрикционной пары [1-корпус; 2 - исполнительный орган; 3-набор клиньев; 4 - фрикционная планка; 5 - пружинные подпятники; 6, 7 - пакет пружин!.

При составлении математической модели усовершенствованной конструкции гасителя была принята его модификация (рисунок 1, в) с частичной разгрузкой фрикционной пары, в которой введён набор пружинных подпятников 5 под каждый клин из набора, а исполнительный орган 2 так же нагружен усилием части пружин 7 из пакета пружин 6, 7. Демпфер сухого трения представляет собой трибологическую систему, в которой с точки зрения моделированием можно выделить геометрический, тепловой и силовой уровни, учитывающие функциональные особенности и свойства материалов. В наиболее общем случае тепловыделения влияют на свойства фрикционных материалов, геометрических размеров и действующих сил. Геометрические параметры демпфирования представлены на рисунке 2. Наиболее сложное моделирование сопряжено с расчётом действующих сил. Для определения коэффициента относительного трения гасителя колебаний составлена схема (рисунок 2) относительного перемещения клиньев, исполнительного органа и фрикционных планок, жёстко закреплённых в корпусе.

Рисунок 3 — Расчетная схема клина

Рисунок 2 — Схема относительного перемещения подвижных элементов гасителя [1-корпус; 2 - исполнительный орган; 3 - клин; 4 - фрикционная планка; 5 - подпятник]

На схеме (рисунок 2) приняты обозначения: а1 - угол наклона трущихся поверхностей исполнительного органа 2 и клиньев 3; а2 - угол наклона трущихся поверхностей клиньев 3 и пружинных подпятников 5; с,к — суммарная жесткость основных пружин в комплекте пружин; ск, — жесткость пружины, поддерживающей клин; 2 и соответственно, прогибы основных пружин и поддерживающих клинья.

ВД={2- г„ = г

мя:

Из ДАВС (рисунок 2):

в то же вре-

Из двух вышеприведенных выражений следует: Отсюда: 2 " = ' ' ^ г = г„ + • tgai • г = г„(1 + 1ёах ■ гёа2)

Или:2" ~ + ,Sai''8а2)_ из последнего выражения вытекает, что при наличии информации о величине прогиба основных пружин рессорного комплекта возможно найти прогиб пружин, поддерживающих клинья.

Условие равновесия клина при действии на него сил трения, реакций исполнительного органа, пружинных подпятников, фрикционных планок и усилий пружин определены относительно представленной на рисунке 3 схемы. В указанной схеме приняты следующие обозначения: РК1= Р°р к, +c0-zK, — реакция пружин, поддерживающих

клин, где Р°рк, - усилие предварительной затяжки пружины при ее установке в гнездо корпуса гасителя размером Н при длине пружины в свободном состоянии L. Тогда: Pnp.M~(L-H) с*. Отсюда: />„=ck,[(¿-//)+t„ ]; N¡, N¡, N3 - нормальные давления между трущимися поверхностями клина, соответственно с исполнительным органом, пружинным подпятником и фрикционной планкой; -^2тр> ^зтр — силы трения, соответствующие нормальным давлениям Nt, N2, N3; ft, /j¡ - коэффициенты трения между поверхностями клина, соприкасающимися, соответственно, с фрикционной планкой и исполнительным органом. С учетом Fw=fj-N условия равновесия клина при действии отмеченного комплекта сил характеризуются в системе координат УХ (с числом координат k по которым воздействуют силы) следующей системой уравнений:

= 0; (//, cos or, - sin a, ) + N2 (м, sin аг - cos а, ) + N ъ = 0 Л (1)

6>Z Fiy = 0; (/у, cos а2 - sin аг) + N, (//, sin а, - cos а,) + /jN, + Ра = 0J (2)

где к - число сил, действующих на объект.

При этом учтено, что сила II оси ох, а сила FlTP = // оси оу. Поэтому они соответственно присутствуют в уравнениях равновесия (1) и (2). Для того, чтобы из уравнений (1), (2) выразить N¡ в функции действующих

Рисунок 4 — Расчетная схема

исполнительного органа сил рассмотрим дополнительно условия равновесия ис-

полнительного органа 2 (рисунок 2) надрессорной балки на базе схемы на рисунке 3. В данной схеме приняты следующие обозначения: Рв - вес вагона; Рж=Сос^ос - реакция пружин, поддерживающих исполнительный орган; Лг| - нормальное давление между трущимися поверхностями исполнительного органа и клиньев; F¡ - сила трения, соответствующая давлению Ль Очевидно, что при условии £/¿,=0 имеем:

F{TP - cos ay - /V, sin otj - F{TP • cos ax + N, sin a, = 0 (3)

Выражение (3) ввиду взаимного сокращения входящих в него членов превраща-

V р =о

ется в тождество: 0=0. Для условия ^ * имеем:

it ' > ~РВ +Рос +2N) cosa + 2F]rP -sinaj =0 или с учетом FiTP =/Jl-Nx

2Ni (cosat + /¿sin a¡) = PB -Poc (4)

Из (4)следует Nx = (РБ - Poc.)/2(cosa, + //sin a¡) (5)

численно 0,5^1 = Nx (6)

Выражение (6) вытекает из конструкции гасителя, в которой с каждой стороны относительно центральной оси исполнительный орган 2 опирается на два клина 3 из их комплекта в количестве 4-х (за счет разрезки по центру в двух взаимно перпендикулярных плоскостях) (рисунок 1,в). Из системы уравнений (1) - (2) выразим = /W) и Л', =/(<V,) и выполним ряд алгебраических преобразований. Из (1) имеем: N2 ~ (Л', (sin ar, - jj, cos cr,) - N,) Им, sin ar2 - cos a2) ^

из(2) получим: N> =(^1(sma,-^,cosor1)-^2(^1cosa2+sinaJ)-P„)///

Подставив значение N¡ по (8) в выражение (7) получим выражение: Л2 =(Ní¡u(sma] cosa-,) - Л', (//, sin», + cosar,) + /V2(¿¿, cosar2 +sin«2) + P,_,)Kfj(.M, s'ma2 -casa2)) Ifafj- sinar, -coscr2)-/vr2(/u, cosor2 + sina2) = N¡fj( sina, — /j, casaj-Nt{jJt sina, + cosa,) +

Вынеся за скобки N¡ и ЛО имеем: jV2[//(/í, sin or 2 -coscí2) -(//, cosa2 +sin«2)] = Л', [//(sin a, -//, cosa,)-(//, sina, + cosor,)]+i^,

[/-/(sin a, - eos а,) - (//, sin a, + cos a,)] -i- Pr

Отсюда: -cosa2)-(//,cosa2 + sina2) ^

В выражении (9) в результате группировки числителя и знаменателя по тригонометрическим функциям sin и cos получим выражение: для числителя:

A'jMsina, -//, cosa,)-(//, sina, +cosa,)]+Рк< = ^[(usine, sina,)-(//■//, cosa, + cosa,)J+ + / J, = N,[(ju - //,) sina, - (1+ ц• //,) cosa,]+PK,;

fj(/j, sin a2 - cosar2) - (/;, eosa2 + sin a2) = {/n • ju, sina2 - sin a2)~ для знаменателя: -(/'cosa2+//lcosa2) = (//.//,-l)sma2-(^+//,)cosaJ (10)

(И)

С учетом преобразований выражение (10) примет окончательный вид: = (ЛГ, [(1 + ц ■ «) COS а, - Cu-//,) sin а, ]-/■„) /((1 -//• р,) sin аг ~{fi + fi,) cos a2)

Записав (3) в виде: N> = "Я cosa,) + Nt(cosa, -«sina2)

и подставив в него значение N¡ по (11) получим:

N2 = JV|(sin ОТ - 005«!)+ ''"i^COSQfi ~ (Р i5'"0!]-^^,^0501; - P,S¡na2 )

Выражение (12) характеризует поведение исследуемых функциональных зависимостей = f(N¡) и Лгз = /(ЛГ|)) где зависимость для N¡ определена в формуле (5).Отсюда можно найти значения сил трения Fi^, р2тр, F3w, учитывая, что F^^-N,. С учетом этого выражение для коэффициента относительного трения <рт гасителя колебаний примет вид: = 4{F,TP + р2ТТ + F"t)/P", (13)

Р —CZ + 2(Р° +с z ) где Рн~ нагрузка на рессорный комплект " ос °с v ** " . (14)

Формула (13) приведена для случая, когда исполнительный орган 2 опирается на набор клиньев 3, т.е. поддерживаются четырьмя пружинами б (рисунок 1,в) с учетом пояснений к формуле (6). Из вышеизложенного вытекает, что требуемое для практических нужд значение <pj^0,06...0,l 1 можно обеспечить за счет варьирования углов a¡, а2, жесткости и усилия предварительной затяжки пружин рессорного комплекта, а также подбора материалов трущихся пар под требуемые значения /j h¿i¡.

Проведено моделирование работы кинематической связки «клиновой гаситель колебаний - объект защиты» с использованием программы MathCad при варьировании геометрических и силовых параметров элементов гасителя.

N,, кг

Nt, кг

Ni, кг

-N3, кг

Nj.Hr

Рисунок 5 - Распределение нормальных давлений на площадках клиньев (N1, N2, N3) при варьировании усилием нагрузки на рессорный комплект при различных значениях коэффициентов циц|: а— ц = 0,18, щ =0,15; б - ц = щ =0,15

В качестве иллюстрации представлен пример моделирования исследуемого объекта при рациональном наборе геометрических и силовых параметров (рисунок 5, а) и неблагоприятном их сочетании (рисунок 5, б).

Здесь же представлены возможные варианты конструктивного усовершенствования клинового гасителя для снижения сверхнормативных сил трения в клиново-фрикционном сопряжении при порожнем пробеге грузовых вагонов за счет частичной разгрузки от упругих сил исполнительного органа при порожнем и груженом пробеге вагонов (рисунок 6).

Рисунок б — Варианты конструктивного усовершенствования клинового гасителя а - фрикционный демпфер нагружения [1, 2 - составной корпус; 3- крепежный элемент; 4 -фрикционная втулка; 5 - втулочный двухсторонний клин; 6, 13 - внутренняя конусная поверхность; 7, 12 - конусный прижим; 8, 14 - тарельчатая пружина; 9,15 — пружинный подпятник; 10, I б — резьбовой хвостовик; 11,17- центрирующая поверхность прижимов

б - структурное решение клинового гасителя колебаний с механизмом перераспределения усилий пакета пружин при порожнем (11лорсж) и загруженном (Ь^) пробеге вагонов в - конструктивно - расчетная схема механизма перераспределения усилия пакета пружин при смене усилия нагружения (к рисунку 6, б)

В третьей главе приведены результаты моделирования динамики системы «пружинный комплект тележки модели 18-100 с клиновым гасителем колебаний — гру-

Вагон т

зовой вагон» с учетом амплитудно-частотного спектра транспортных нагрузок, массы загрузки и скорости движения вагона.

Рисунок 7 - Схема кинематической сцепки «вагон-тележка».

I Тележка |

Для оценки вертикальных колебаний вагона относительно тележки принята упрощенная схема кинематической сцепки «вагон-тележка» (рисунок 7) в предположении, что стыки «исполнительный орган-клинья», «кли-

нья-пружинные подпятники» не раскрыты (рисунок 1, в), а центр тяжести вагона находится на пересечении плоскостей симметрии. При принятых допущениях относительное движение элементов сцепки происходит при контактировании элементов стыка «клинья - фрикционные планки».

Предположим, что тележка движется вдоль оси 2 по гармоническому закону, а неподвижная ось направлена по вертикали вниз. Введем эквивалентную пружину, заменяющую комплект 4-х пружин в рассматриваемом стыке. Поскольку пружины соединены

параллельно, то жесткость эквивалентной пружины равна с = с« + 4с». Очевидно, что для рассматриваемого случая на вагон действуют сила тяжести вагона рв, сила упругости эквивалентной пружины Р и сила трения Ъг в стыках исполнительного органа с клиньями. Для вывода уравнения относительного движения вагона и тележки добавим

к рассмотренным силам переносную силу инерции тапср ^ где т . приведенная

масса вагона. Учитываем, что кориолисова сила инерции равна нулю, так как переносное движение тележки в данном случае является поступательным.

Тогда: " р-

Проектируя обе части данного выражения на ось г, получим:

т2 = Р;+Г,+Г7Гс+ ^ г. ^

Здесь р'~рв, ~ -сг, где л = 2 - деформация пружины; ^ = (так как в сты-

ке сухое трение ). ^"'р* ~ та"ч> =. Так как направление осей г и у одинаково,

ю\а"ер-! ~ а"€Ру ~ этем ^ где ы _ КруГОвая частота вынужденных колебаний с амплитудой А. Подстановка ранее полученных выражений проекций сил в (15) позволяет получить: па = Р,-а-чв + тАа1япа*1 {16)

Ч1 С-2

¿4--г +-= ^ + Аозг Бтсиг

т т

(17)

где 9 = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения, - коэффициент демпфирования. Для определения закона движения вагона найдем общее решение уравнения (17) в виде: г=г<+г2+г>, (18) где г,, г2, и г.,- соответственно, общее и частные решения уравнения (17). Общее решение Ъх однородного дифференциального уравнения

.. V . С ' Z n z +—z +-= 0

запишется в виде:

Z,=e

С, cos

Ч'2 с 4 m2 ra

Ч'2 с 4/7!2 Л1

Ч'2 с

4т1 m

= К2

где

Т£ < с 4m2 ~ m

при условии:

С учетом (21) и (22) уравнение (20) примет вид: ч*

Z, = е~2"' (С, cosK-t + С2 sin К ■ t) где Ci, С2 - постоянные интегрирования.

Частные решения Z2 и Z¡ могут быть получены из правой части уравнения (17):

(20)

(21) (22)

(23)

г, =

(24)

_ (с - та>2)т Л-сог . Ч'-т а-А-со1 Zj =--—-—--Sin cat----—--cos 0)t

(с-тсо1)1 +-Ч,г-ю {с — те» ) + -Ч* -со ^5)

При введении обозначений: ь> = S ■ h = Аса2. b} = (c-m<uJ). Ь, =4"ea } ^б)

общее решение дифференциального уравнения (17) с учетом (23) - (25) и постоянства начальной деформации эквивалентной пружины (С = Хо= const) будет иметь вид:

Z = e 2m'(C, cos K-t + C2 sin K-t)+ 22"'z(fr3 sin<y/-i>4 cos cot)

b3 +b4 (27)

На базе математического описания динамики системы «клиновой гаситель колебаний рессорного комплекта тележки модели 18-100 — грузовой вагон» [см. зависимость (27) ] и пакета Microsoft Office 2000 проведен вычислительный эксперимент по моделированию работы этой системы с учетом варьирования скорости движения (30... 120 км/ч) и массы загрузки грузового вагона (30,50,80,100 т)].

Кинематическое нагружение указанной системы проводилось при варьировании амплитудно-частотного спектра транспортных нагрузок (А = А0 sin/t, где А0 и/- соответственно, начальная амплитуда и частота вынужденных колебаний в конкретный

= - = 0,8... 1,2

момент времени t), при этом принималось А = ± 20 мм,/ 1 , где V — скорость

движения? L = 25 м - расстояние между стыками.

Результаты вычислительного эксперимента представлены на рисунках 8-10. На рисунке 8 представлен процесс затухания колебаний системы «пружинный комплект тележки 18-100 с клиновым гасителем колебаний — грузовой вагон» при заданной массе грузового вагона и различных скоростях движения подвижного состава. При этом масса вагона составляла 100 т; длина рельса равна 25 м. На рисунке 9 представлен тог же процесс, но при заданной скорости движения подвижного состава и различных массах грузового вагона. При этом скорость вагона составляла 100 км/ч.

Л— г

/ И 2 --

I М - 30 т |

/и и 1 L

1 V

j М-80т |

Лл \л

i v

У 1

|м-|00т|

Рисунок 8 - Процесс затухания колебаний Рисунок 9 - Процесс затухания колебаний в системе при различной скорости движения в системе при различной массе вагона Можно проследить процесс гашения колебаний в промежутках между стыками рельс, при этом поглощающей способности демпфера с двухсторонним клином достаточно, чтобы погасить колебания вагона, вызванные проходом стыка, до прохода

следующего стыка. На рисунке 10 представлена амплитудно - частотная характеристика и ее фрагмент системы «пружинный комплект тележки 18-100 с клиновым гасителем колебаний — грузовой вагон» в зависимости от массы М грузового вагона и частоты возмущения ф со стороны рельсового пути

О 50 100 150 v, км/ч

Рисунок 10 - Амплитудно - частотная характеристика (а) и ее фрагмент (б) системы «пружинный комплект тележки 18-100 с клиновым гасителем колебаний — грузовой вагон» р = 0,5 с; С = 5-Ю4 кг/мм; ч/ра0,„ер. = — = 8; Ао = 20 мм; Ьр„ьс. = 25 м ;

М1 = 100 т; М2 = 80 т; М3 = 50 т.

В четвертой главе охарактеризованы результаты экспериментального сопровождения выполненных исследований влияния деконструктивных факторов на работоспособность клинового гасителя колебаний тележки 18-100 при транспортном нагру-жении. Влияние транспортных нагрузок при порожнем и загруженном пробеге грузового вагона на работоспособность гасителя колебаний тележки модели 18-100 оценивалось путем контроля постоянства контакта в фрикционной паре специально разработанного имитатора (рисунок 11) и анализа АЧХ подпружиненного клина.

Рисунок 11 - Конструктивная схема имитатора гасителя колебаний

[1-корпус; 2-отверстия для крепления имитатора к столу вибростенда; 3 - резьбовой подпятник; 4, 17, 22 -центрирующее отверстие под пружину; 5,25- блок пружин; 6, 13 - проводник электрического тока; 7 - основание; 8 - фрикционная втулка; 9 - двухсторонний клин; 10-источник постоянного тока; 11 - выключатель; 12-электролампа; 14 - набор съемных грузов; 15-рабочий орган; 16 - резьбовой хвостовик; 18 - сопрягаемая поверхность фрикционной втулки 8; 19 - центрирующий подпятник-зажим; 20 - клиновая поверхность деталей 17 и 9; 21 - конусная поверхность детапей 7 и 9; 23 - платформа имитатора для крепления к задатчпку внешнего нагружения); 24 - регулировочный набор шайб]

Вибронагружение имитатора осуществлялось на специально разработанной установке (рисунок 12), ударное нагружение - на стандартном ударном стенде СУ-1.

Рисунок 12 - Установка для снятия АЧХ ИО в составе вибростенда ВЭДС-5000: 1,3 - вибродатчик Вгие1 & Кдаег Тире 4339; 2 - имитатор; 4-предусилитель сигнала Тире 2626; 5-самописец уровня Тире 2305; 6 - стол вибратора; 7 - самописец уровня Тире 2305; 8-усилитель мощности Тире 2605; 9 - генератор Тире!042; 12 - виброметр Тире 2502;13 - предусилитель сигнала Тире 2602

В имитаторе (рисунок 11) предусмотрена возможность изменения параметров: массы рабочего органа 15 (за счет установки сменных грузиков 14) в пределах 10...70 кг; усилия затяжки блока пружин 5 и 24 (при помощи подпятника 3) в диапазоне 15...45Н и съема для замены и осмотра фрикционной втулки 8 изготовленной из брон-

1,25/

зового сплава БрАЖ9-4 с шероховатостью сопрягаемых поверхностей Яа = ч/ (за счет демонтажа подпятника 19). Эксперименты по оценке работоспособности имитатора проводились по двум этапам.

Оценка работоспособности имитатора гасителя колебаний в режиме работы с односторонним клином (серийная конструкция). Для работы имитатора в режиме с односторонним клином (рисунок 11) основание 7 демонтировалось, а пружина 5 верхним основанием устанавливалась в центрирующее основание 17 рабочего

органа 15. При исследовании использовались бронзовые фрикционные втулки 8 с внутренним диаметром 075Аз (исходное рабочее положение до износа сопрягаемой поверхностью с соответствующей сопрягаемой поверхностью 075Сз клина 9) и внутренними диаметрами 074А3 и 072А3 (имитация износа указанной сопрягаемой поверхности). Испытания проводились в три перехода с последовательной установкой втулок 8 по убыванию внутреннего диаметра 18.

На рисунке 13 представлены амплитудно-частотные характеристики рабочего органа 15 при вибрационном нагружении.

Рисунок 13 - Зависимость перемещения рабочего органа от частоты вибрационного нагружения (50 и 100 м/с2) для различных усилий блока пружин Рпр0: а — Рпро=4,6Н; 6 - РпРо= 25,6Н; в-пРо=6,6Н

Оценка работоспособности имитатора гасителя колебаний в режиме двухстороннего клнна (усовершенствованная конструкция). Данное исследование проводилось на имитаторе, собранном в полном соответствии с рисунком 11 (с основанием 7). В ходе испытаний выявлено:

- на всех этапах нагружения, как при вибрационном, так и ударном, фрикционной втулки 8 при массе М1 (имитация груженного пробега) и массе М2 (имитация порожнего пробега вагона) зазор в сопряжении фрикционной втулки 8 с клином 9 не был зафиксирован ни разу, что соответствует стабильному контакту сопрягаемых поверхностей клиново - фрикционной пары;

- результаты испытаний подтвердили состоятельность концепции автора по обеспечению функциональной надежности тележки 18-100 при порожнем пробеге вагонов за счет введения в ее конструкцию гасителя колебаний с двухсторонним клином.

В пятой главе охарактеризованы конструкторско-технологические аспекты диагностирования параметров смещения надрессорной балки и боковин тележки модели 18-100 при фактическом исполнении (износе) фрикционного клинового гасителя колебаний. Отмечено, что в настоящее время имеется ряд методов технической диагностики объектов, а именно:

•универсальный метод проверю! системы по форме «годен — не годен»;

• метод функциональной диагностики технического состояния трибомеханиче-ских узлов по параметрам частиц износа;

• виброакустическая и лазерная диагностика.

Коллективом ученых СамГАПС при участии автора предложен ряд конструкгор-ско-технологических решений по диагностированию параметров смещения надрессор-ной балки и боковин тележки в статике с целью выбраковки тележек из подвижного состава для исключения схода грузовых вагонов в пути. В частности, спроектирован и изготовлен макет устройства диагностирования связи надрессорной балки с боковой рамой тележки грузового вагона. Разработанное устройство представлено на рисунке 14,6.

Рисунок 14 — Составные элементы тележки модели 18-100 (а) и устройство диагностирования МУКСТ (малогабаритное устройство контроля состояния тележки) (б)

В работе устройства контроля состояния тележки при совпадении отверстия С с упором 7 измерительная планка 4 по шкалам [1] ... [4] показывает смещение боковой рамы относительно надрессорной балки, недопустимое отклонение которой от заданной величины служит основанием для принятия решения о годности или выбраковки вагона из подвижного состава.

В случае несовпадения отверстия С с упором 7 производится поворот измерительной рейки 11 на определенный угол, фиксируемый по шкале [1] ... [4] (градуированной в миллиметрах). Это позволяет оценить искомую величину охарактеризованного выше смещения боковых рам.

В приложениях П.1 и П.2 представлены выборочные сведения по причинам схода вагонов грузовых поездов по техническим неисправностям гасителя колебаний и практические рекомендации по совершенствованию технологического процесса демонтажа пружинного комплекта тележки модели 18-100 в вагонном хозяйстве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена научно-техническая задача по стабилизации выходных параметров клинового гасителя колебаний при варьировании массы загрузки железнодорожного вагона. На основе теоретических и экспериментальных исследований были получены результаты и сделаны следующие основные выводы.

1 Разработана математическая модель фрикционного гасителя колебаний с двухсторонним клином, позволяющая определить численные значения коэффициента относительного трения, определяющего амплитудно-частотную характеристику гасителя колебаний тележки 18-100 с учетом варьирования массы груженого вагона.

2 Разработана методика расчета выходных параметров динамической системы «гаситель колебаний — тележка» 18-100 грузового вагона», подтвержден ная результатами выполненных вычислительного эксперимента и экспериментально-физических исследований, позволившая предложить новые технические решения конструкций фрикционных демпферов с двухсторонним клином на базе пакета пружин с регулируемой жесткостью при переходе с порожнего пробега вагонов на загруженный и на базе комбинированного механизма перераспределения усилия пакета пружин при смене усилия нагружения с разработкой методики расчета параметров механизмов такого рода.

3 На базе проведенных экспериментальных исследований с использованием специально разработанного имитатора гасителя колебаний в режиме двухстороннего клина доказана возможность радикального улучшения динамических характеристик системы «гаситель колебаний - тележка». Предложенная конструкция фрикционного гасителя колебаний с двухсторонним клином (и ее модификации) обеспечивает стабильность выходных параметров гасителя тележки 18-100 (постоянство усилия контакта и сил трения в фрикционных сопряжениях гасителя по мере нарастания эксплуатационного износа) при порожнем и загруженном пробеге вагонов.

4 Переносное малогабаритное устройство контроля технического состояния тележки 18-100 позволяет проводить выбраковку неисправных вагонов по вине гасителя колебаний при формировании поездов с целью предотвращения схода с рельсов в эксплуатации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1 Михайлов, Н.В. Программные и организационно-технические средства конвейерных систем [Текст] / Н.В. Михайлов, С.А. Никищенков, А.П. Припутников // Материалы XI Российской науч. конф. профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов — Самара, 2004. — С. 210-211.

2 Эксплуатационная безопасность клинового гасителя колебаний тележки типа ЦНИИ-ХЗ-О при варьировании массы железнодорожного вагона: Монография [Текст] / Н.В. Михайлов, В.И. Варгунин, О.П. Мулюкин и др. — Самара: СамГАПС, 2005. - 92 с.

3 Свидетельство об официальной регистрации интеллектуального продукта в ВНИТЦ № 73200500240 Российская Федерация. Фрикционный гаситель колебаний тележки грузового вагона [Текст] / Михайлов Н.В., Мулюкин О.П., Варгунин В.И., Ломакина H.H. зарег. 13.10.2005 г. ФГУП «ВНТИЦ».

4 Михайлов, Н.В. Вибро-, шумоглушение регулирующих органов пневмоармату-ры [Текст] / В.И.Варгунин, А.В.Ковтунов, Н.В.Михайлов, О.П. Мулюкин // Надежность и ремонт машин: материалы 2-ой межд. науч.-техн. конф. — Орел, 2005. — С. 396-400.

5 Михайлов, Н.В. Предварительные результаты экспериментальных исследований работоспособности клинового гасителя колебаний тележки типа ЦНИ-ХЗ при вибро- ударонагружении [Текст] / Н.В. Михайлов, В.И. Варгунин, Б.Г. Иванов, О.П.Мулюкин // Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта: материалы 2-й межд. науч.- практ. конф. — Самара, 2006. — С. 366-368.

6 Михайлов, Н.В. Основы конструирования и расчета гасителя колебаний тележки ЦНИИ-ХЗ на базе двухстороннего клина [Текст] / A.B. Ковтунов, Н.В. Михайлов И Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта: материалы 2-й межд. науч.-практ. конф. — Самара, 2006. — С. 368-370.

7 Эффект магнитных и гравитационных полей [Текст] / A.B. Ковтунов, Н.В. Михайлов, В.ВЛаврусь. // Вагоны и вагонное хозяйство (Приложение к журналу «Локомотив»), - 2006 г. - № 3. - С. 32-33.

8 Конструкция и динамическое качество фрикционного гасителя колебаний с двухсторонним клином тележки 18-100 грузового вагона [Текст] / A.B. Ковтунов, Н.В. Михайлов, В.В. Лаврусь. // Тяжелое машиностроение. - 2006 - № 10. - С. 19-21.

Подписано к печати 08.11.2006 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Объем 1,0 усл. п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 2314

Отпечатано с готового оригинал-макета на полиграфической базе Орловского государственного технического университета 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Михайлов, Николай Викторович

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ И АГРЕГАТОВ СИСТЕМЫ РЕССОРНОГО ПОДВЕШИВАНИЯ С ФРИКЦИОННЫМИ ГАСИТЕЛЯМИ КОЛЕБАНИЙ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ПРИ ПОРОЖНЕМ И ЗАГРУЖЕННОМ ПРОБЕГЕ.

1.1. Виды и взаимосвязь колебаний подвижного состава.

1.2. Анализ амплитудно-частотного спектра динамических воздействий при железнодорожных перевозках.

1.3. Анализ состояния исследований динамики рельсовых экипажей.

1.3.1 Общие сведения.

1.3.2 Краткий обзор исследований в области динамики сложных механических систем.

1.4. Тенденции развития и перспективы совершенствования объемных и качественных показателей грузового вагонного хозяйства РФ.

1.5. Определение цели и постановка задач исследования.

2. КОНСТРУКТИВНЫЙ ПОИСК И АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТЕЛЕЖЕК МОДЕЛИ 18-100 С КЛИНОВЫМ ГАСИТЕЛЕМ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ МАССЫ ГРУЗОВОГО ВАГОНА.

2.1. Модели транспортных машин и агрегатов.

2.1.1. Общие сведения о модульной классификации динамических моделей транспортных машин и агрегатов.

2.1.2. Компьютерное моделирование динамики рельс, экипажей

2.2. Конструктивные особенности тележки 18-100 грузовых вагонов и перспективы создания на ее основе тележек нового поколения.

2.3. Клиновой гаситель колебаний: конструктивное исполнение, расчет и известные направления совершенствования динамического качества серийной конструкции.

2.4. Конструкция и расчет усовершенствованной конструкции клинового гасителя колебаний (его вариантов).

2.4.1 Конструктивное исполнение вариантов усовершенствованного клинового гасителя колебаний тележки модели 18

2.4.2 Расчет усовершенствованной конструкции клинового гасителя колебаний.

2.4.2.1. Определение коэффициента относительного трения клинового гасителя колебаний.

2.5. Моделирование работы кинематической связки «клиновой гаситель колебаний тележки-вагон» при варьировании параметров на-гружения.

2.6. Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СИСТЕМЫ «ПРУЖИННЫЙ КОМПЛЕКТ ТЕЛЕЖКИ МОДЕЛИ 18-100 С КЛИНОВЫМ ГАСИТЕЛЕМ КОЛЕБАНИЙ-ГРУЗОВОЙ ВАГОН» ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ И МАССЫ ЗАГРУЗКИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.

3.1. Учет сил трения на поверхностях фрикционного клина в математических моделях колебаний вагона.

3.2. Моделирование работы системы «пружинный комплект тележки 18-100 с клиновым гасителем колебаний - грузовой вагон» с учетом амплитудно-частотного спектра транспортных нагрузок и массы загрузки железнодорожного вагона.

3.3. Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СЕРИЙНОЙ И УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ КОНСТРУКЦИЙ КЛИНОВОГО ГАСИТЕЛЯ КОЛЕБАНИЙ ТЕЛЕЖКИ МОДЕЛИ

18-100 ПРИ ВИБРО-, УДАРОНАГРУЖЕНИИ.

4.1. Оценка работоспособности имитатора гасителя колебаний в режиме работы с односторонним клином (серийная конструкция).

4.2. Оценка работоспособности имитатора гасителя колебаний в режиме двухстороннего клина (усовершенствованная конструкция).

4.3. Выводы.

5. КОНСТРУКТОРСКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СМЕЩЕНИЯ НАДРЕССОРНОЙ

БАЛКИ И БОКОВИН ТЕЛЕЖКИ МОДЕЛИ 18-100.

5.1 Общие рекомендации по проектированию фрикционного гасителя колебаний с рациональными выходными параметрами.

5.2. Диагностические системы и устройства оценки работоспособности динамически нагруженных звеньев транспортной техники.

5.3. Конструкторско-технологические основы диагностирования статических параметров элементов и узлов тележки 18-100 с клиновым гасителем колебаний для выбраковки неисправных вагонов

5.4. Выводы.

Введение диссертация по механике, на тему "Стабилизация выходных параметров клинового гасителя колебаний при варьировании массы загрузки железнодорожного вагона"

Практика эксплуатации и многолетние комплексные испытания грузовых вагонов с тележками модели 18-100 выявили ряд серьезных недостатков одного из основных его звеньев - фрикционного клинового гасителя колебаний. Вследствие больших износов клинового фрикционного гасителя колебаний коэффициент относительного трения становится равным нулю. У таких вагонов в порожнем состоянии при резонансе возможно полное обезгружи-вание рессорного подвешивания, о чем свидетельствуют известные публикации о следах потертостей на витках пружин рессорных комплектов, обусловленные проворотом их относительно вертикальной оси и касанием друг о друга. Одновременно установлено, что продольное перемещение надрессор-ной балки относительно боковой рамы составляет 10 мм, что указывает на недостаточную связанность элементов тележки /11/. При завышении клиньев относительно опорной поверхности надрессорной балки свыше 5 мм возникает опасность схода вагонов с рельсов. Поэтому стабилизация выходных параметров клинового гасителя колебаний при варьировании массы загрузки железнодорожного вагона является весьма актуальной темой исследования.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

- разработана математическая модель фрикционного гасителя колебаний с двухсторонним клином, включающая соотношения для определения сил трения в нелинейной постановке и уравнение колебаний системы «клиновой гаситель - грузовой вагон», позволяющая определить амплитудно-частотные характеристики системы при различных видах нагружения;

- выявлены на основании теоретических исследований с использованием разработанной математической модели и программного обеспечения области рационального изменения параметров динамической системы «тележка - вагон» с учетом относительного движения элементов при варьировании амплитудно-частотного спектра транспортных нагрузок и скорости движения вагона;

- предложена методика расчета и коррекции необходимых технологических и конструктивных параметров создаваемых клиновых гасителей колебаний с двухсторонним клином на базе различных механизмов перераспределения усилия пакетов пружин в зависимости от степени загруженности тележки грузового вагона, что благоприятно сказывается на ресурсе (степени износа) фрикционной пары «клин - фрикционная планка»;

- разработана научно-обоснованная методика расчета и конструирования механизмов перераспределения усилий пакетного блока пружин с регулируемой жесткостью клинового гасителя колебаний при переходе с порожнего движения вагонов на движение с загрузкой.

Методы решения. При проведении исследований в работе использован комплексный подход, включающий теоретический анализ и экспериментальное апробирование предложенных технических решений. При моделировании колебаний тележки был использован численно - аналитический метод решения системы дифференциальных уравнений движения. Экспериментальные исследования были проведены с использованием специально разработанного имитатора с клиновым гасителем колебаний, оснащенного компьютерной информационно-измерительной системой с использованием датчиков Bruel & Kjar. Обработка результатов эксперимента проводилась с использованием математико-статистических методов.

Практическая ценность:

2. Разработана и успешно экспериментально апробирована конструкция имитатора клинового гасителя колебаний, работоспособного в режиме как одностороннего, так и двухстороннего клина, позволяющего за счет варьирования масштабного фактора проводить экспериментальные исследования разногабаритных клиново - фрикционных сопряжений широкого класса гасителей колебаний.

Реализация результатов работы.

Полученные в диссертационной работе результаты аналитических и экспериментальных исследований образцов клинового фрикционного гасителя колебаний тележки вагона используются при расчете в вагонном депо станции Самара Куйбышевской железной дороги - филиале ОАО «РЖД» прогнозируемого срока службы гасителя при эксплуатационном износе фрикционных планок. Разработанная автором методика расчета двухстороннего клина передана на кафедры «Механика» и «Вагоны» СамГАПС и используется при изучении дисциплин «Теоретическая механика», «Основы триботехники узлов подвижного состава», «Подвижной состав и тяга поездов».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 65 наименований, 2 приложений, содержит 55 рисунков, 7 таблиц.

Заключение диссертации по теме "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

5.4. Выводы

На основе факторного анализа российских и зарубежных конструкций ходовой части грузовых вагонов автором:

1. Охарактеризовано как неудовлетворительное - обеспечение функциональной надежности грузовых тележек модели 18-100 при порожнем и загруженном пробеге вагонов.

2. Систематизированы и оценены области применения и эффективность эксплуатационной надежности распространенных в отечественной промышленности функциональных методов диагностики технического состояния агрегатов и систем, основанные на физических представлениях.

3. Представлены конструкторско-технологические основы диагностирования статических параметров элементов и узлов колебаний тележки модели 18-100 с клиновым гасителем колебаний на базе созданного при участии автора оригинального малогабаритного переносного устройства диагностирования связи надрессорной балки с боковой рамой тележки грузового вагона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена научно-техническая задача по стабилизации параметров колебаний тележек при пробеге железнодорожных вагонов путем применения клинового гасителя двухстороннего действия. Автором выполнен методически обоснованный комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в результате которого созданы соответствующие практическим требованиям железнодорожной отрасли способы и средства обеспечения эксплуатационной безопасности тележки модели 18-100 грузового вагона с клиновым гасителем колебаний.

На основе теоретических и экспериментальных исследований были получены результаты и сделаны следующие основные выводы:

1.Разработана математическая модель фрикционного гасителя колебаний с двухсторонним клином, позволяющая определить численные значения коэффициента относительного трения, определяющего амплитудно-частотную характеристику гасителя колебаний тележки 18-100 с учетом варьирования массы груженого вагона.

2.Разработана методика расчета выходных параметров динамической системы «гаситель колебаний - тележка модели 18-100 грузового вагона», подтвержденная результатами выполненных вычислительного эксперимента и экспериментально - физических исследований, позволившая предложить новые технические решения конструкций фрикционных демпферов с двухсторонним клином на базе пакета пружин с регулируемой жесткостью при переходе с порожнего пробега вагонов на загруженный и на базе комбинированного механизма перераспределения усилия пакета пружин при смене усилия нагружения с разработкой методики расчета параметров механизмов такого рода.

3.На базе проведенных экспериментальных исследований с использованием специально разработанного имитатора гасителя колебаний в режиме двухстороннего клина доказана возможность радикального улучшения динамических характеристик системы «гаситель колебаний - тележка». Предложенная конструкция фрикционного гасителя колебаний с двухсторонним клином (и ее модификации) обеспечивает стабильность выходных параметров гасителя тележки 18-100 (постоянство усилия контакта и сил трения в фрикционных сопряжениях гасителя по мере нарастания эксплуатационного износа) при порожнем и загруженном пробеге вагонов.

4.Переносное малогабаритное устройство контроля технического состояния тележки 18-100 позволяет проводить выбраковку неисправных вагонов по вине гасителя колебаний при формировании поездов с целью предотвращения схода с рельсов в эксплуатации.

5.Систематизирован набор конструктивных решений и предложены новые структурные схемы и технические решения оригинальных конструкций клиновых фрикционных демпферов на базе пакета пружин с регулируемой жесткостью при переходе с порожнего движения вагонов на движение с загрузкой и на базе комбинированного (ступенчатого) механизма перераспределения усилия пакета пружин при смене усилия нагружения с разработкой методики расчета параметров механизмов такого рода.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Михайлов, Николай Викторович, Орел; Самара

1. А.с. 859714 СССР МКИ3 F16F 1/36. Упругопоглащающий ковер / Г.С.Мигиренко, А.Г.Георгиади //Б.И. 1981. - № 32.

2. А.с. 1288397 СССР МКИ4 F16F 1/36. Упругодемпфирующий элемент / А.А.Тройников, Г.В.Лазуткин, С.Д.Барас // Б.И. 1987. - № 40.

3. Александров В.А., Карамышкин В.В. Конструкция амортизаторов из вспененных материалов для транспортируемых приборов. М. Машиностроение, 1985.- 80 с.

4. Антипов В.А. Подавление вибрации агрегатов и узлов транспортных систем. М.: Маршрут, 2004. - 395с.

5. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т.1. -5-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1980. - 728 с.

6. Белоусов А.И., Балякин В.Б., Новиков Д.К. Теория и проектирование гидродинамических демпферов опор роторов /Под ред. А.И.Белоусова-Самара: изд-во Самарского научного центра РАН, 2002.- 335 с.

7. Вагоны: Учебник для вузов ж.-д. трансп. /Л.А.Шадур, И.И.Челноков, Л.Н.Никольский и др.; Под ред. Л.А.Шадура. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1980.-439 с.

8. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов /Под ред. М.Д.Генкина. М.: Наука, 1984. - 119 с.

9. Вибрации в технике: Справочник в 6т. / Под ред. Д.М.Диментберга, К.С.Колесникова. М.: Машиностроение, 1980. - Т.З: Колебания машин, конструкций и их элементов. - 544 с.

10. Войнов К.Н. Надежность гидравлических колебаний и долговечность автосцепов // Динамика вагонов: Сборник научных трудов / ЛМИ. -Л., 1980. С.67-75.

11. П.Галиев И.И., Ли Хын Себ. Конструктивные особенности тележки грузового вагона и модель ее динамической нагруженности при регулировочных торможениях // Региональная научно-практическая конференция

12. Новейшие достижения науки и техники на железнодорожном транспорте» (Сборник докладов. Часть 1. - Челябинск, 2004. - С. 30 - 32.

13. Гард В.К., Дуккипати Р.В. Динамика подвижного состава / Пер. с англ; Под ред. Н.А.Панькина. М.: Транспорт, 1988. - 391 с.

14. Гидропневмотопливные клапанные агрегаты с управляемым качеством динамических процессов: Учебно-справочное пособие /Д.Е.Чегодаев, О.П.Мулюкин, А.Н.Кирилин и др.; Под ред. Д.Е.Чегодаева и О.П.Мулюкина. Самара: СГАУ, 2000. - 546 с.

15. Гусаров В.И., Ковтунов А.В., Мулюкин О.П. Виброзащитные механизмы переменного демпфирования систем железнодорожного транспорта / Под ред. О.П.Мулюкина. Самара: СамГАПС, 2004. - 231с.

16. Ефимов В.П., Демик К.П. Вагоны нового поколения производства ГУП «ПО»УРАЛВАГОН». «РЖД-ПАРТНЕР». - 2002. - № 2. - С. 37- 40.

17. Ильинский B.C. Защита аппаратов от динамических воздействий. -М.: Энергия, 1970.-320 с.

18. Ишлинский АЛО. Механика относительного движения и силы инерции. М.: Наука, 1981. - 320с.

19. Карягин С.И., Хлебушкина Н.А. Разработка автоматизированной моечной машины для очистки колесных пар // Межвузовский сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых. Выпуск 5. Самара: СамГАПС, 2004.

20. Косов B.C. Снижение нагруженности ходовых частей локомотивов и пути: Дисс. докт. техн. наук: 05.22.07, Коломна: КГТУ, 2000. 333с.

21. Карягин С.И., Тычков А.С. и др. Влияние местных условий эксплуатации на определение лимитирующих элементов локомотива // Межвузовский сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых. Выпуск 5. Самара: СамГАПС, 2004.

22. Курс теоретической механики: Учебник для высших учебных заведений / А.А.Яблонский, В.М.Никифоров. Под ред. А.А.Яблонского. 8-ое изд., стереотипное. - Санкт-Петербург: Лань, 2001. - 746 с.

23. Лихачев В.Я., Васин А.С., Гликман Б.Ф. Техническая диагностика пневмогидравлических систем ЖРД. М.:Машиностроение, 1979. - Вып.7. -221с.

24. Логвинов Л.М., Михайлов В.И., Фадеев В.В. Неразрушающий контроль жидкостных систем машин и оборудования // Дефектоскопия. 1993. -№9. - С. 63-67.

25. Маделунг Э.М. Математический аппарат физики. Перевод с немецкого издания М.А.Иглицкого / Под ред. В.И.Левина. М.: Физмашгиз, 1960. -618с.

26. Математическое моделирование колебаний рельсовых транспортных средств / В.Ф.Ушкалов, Л.М.Резников, С.В.Иккол и др.; Под ред. В.Ф.Ушкалова. Киев: Наукова думка, 1989. - 240 с.

27. Медель В.Б. Подвижной состав электрических железных дорог. Конструкция и динамика: Учебник для ин-тов ж.д. транспорта; Изд. 4-е, пе-рераб. М.: Транспорт, 1974. - 232 с.

28. Михайлов Н.В. Состояние вопроса функционального диагностирования дорожных информационных систем // Сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых. Выпуск 5. - Самара: СамГАПС, 2004. -С.131-132.

29. Многослойные демпферы двигателей летательных аппаратов /Проничев Ю.К., Кирилин А.Н., Чегодаев Д.Е. и др. Самара: НПО «Импульс», 1994. - 256 с.

30. Носов А.Н., Варгунин В.И., Михайлов Н.В. и др. Эксплуатационная безопасность клинового гасителя колебаний тележки модели 18-100 при варьировании массы железнодорожного вагона (монография) Самара: СамГАПС, 2005.-92 с.

31. Новиков С.Р. Показатели достоверности измерительного контроля // Измерительная техника. 1985. - №2. - С.13-14.

32. Обеспечение динамического качества управляемых клапанных агрегатов пневмогидравлических систем железнодорожного транспорта / В.И.Варгунин, О.П.Мулюкин, В.П.Мохонько, В.Н.Новикова; Под ред. О.П.Мулюкина. Самара: СамГАПС, 2004. - 178с.

33. Пастухов И.Ф., Пигунов В.В., Кошкамда P.O. Конструкция вагонов: Учебник для колледжей и техникумов ж.-д. транспорта. М.: Желдор-издат, 2000. - 504 с.

34. И.И.Галиев. Безопасность движения грузового вагона. Железнодорожный транспорт, 2003. - № 3. - С.41-42.

35. Патент 2214880 РФ МКИ5 7B21F21/00. Способ изготовления упру-гопористого нетканого проволочного материала «МЕРЕТРАНС» /А.Н.Носов, О.П.Мулюкин, Б.Г.Иванов и др. // Б.И. 2002. - № 30.

36. Погорелов Д.Ю. Введение в моделирование динамики систем тел. -Брянск: БГТУ, 1997.- 156с.

37. Свидетельство России №16482 на полезную модель. Тележка грузового вагона (варианты) / Н.А.Малых, В.А. Андронов, В.П.Ефимов и др. / Б.И. № 1, 2001.

38. Снижение виброакустических нагрузок в гидромеханических системах / Под ред. В.П.Шорина, Е.В.Шахматова. Самара: СГАУ, 1998. - 270с.

39. Технические средства диагностирования: Справочник / Под ред. В.В.Клюева.-М.: Машиностроение, 1989.-439 с.

40. Филиппов В.Н. и др. Нормы устройства и взаимодействие рельсовой колеи и колесной пары основные факторы обеспечения безопасности движения // Труды МИИТа. - М.: МНИТ, 2003. - С. 1.8 - 1.11.

41. Хохлов.А.А. Динамика сложных механизмов систем//М.: МИИТ, 2002.-172 с.

42. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П. Элементы клапанных устройств авиационных агрегатов и их надежность // Учеб. пособие. М.: МАИ, 1994. -208с.

43. Чегодаев Д.Е., Пономарев Ю.К. Демпфирование // Самара: СГАУ, 1997334 с.

44. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П., Колтыгин Е.В. Конструирование рабочих органов машин и оборудования из упругопористого материала MP: Учеб. справ, пособие в 2-х частях. 4.1. -Самара: НПЦ «Авиатор», 1994. -156с. 4.2. - Самара: НПЦ «Авиатор», 1994. - 100 с.

45. Шен X. Теория инженерного эксперимента // М.: Мир, 1972. 484с.

46. Варгунин В.И., Ковтунов А.В., Михайлов Н.В., Мулюкин О.П. Вибро-, шумоглушение регулирующих органов пневмоарматуры // Надежность и ремонт машин: Сборник материалов 2-ой Международной научно-технической конференции.-Орел: ОрелГАУ, 2005. С. 396-400.

47. Kalker J/J/ The simplified theory of rolling contact // Delft University Press 1, Ser.C., 1973. P.P.1-10.

48. Kik W., Piotrowski J. A fast approximate method to calculate normal load at contact between wheel and rail and creep forces during rolling //Proceedings of 2nd mini. conf. Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems, 1996.-P.P. 52-61.

49. Филиппов B.H. и др. Verfarhen und Vorrichhung zur Entziehung von Stossengif insbesondere in selbsttatigen Kupplungen von Schienenfahrzeugen. -ЕР 0929ИЗЗВ1. Europaische Patentschrieft. - 06.08.2003.

50. Хусидов В.Д., Анисимов П.С. Силовые характеристики фрикционных клиновых гасителей колебаний в математических моделях исследований грузовых вагонов // Вестник ВНИИЖТ, 2005. № 4. - с. 17-23.

51. Pogorelov D. Differential-algebraic equations in multibody system modeling. Numerical algorithms. 1998.-P.P. 183-194.

52. The Manchester Benchmarks for Rail Vehicle Simulation (Supplement to Vehicle System Dynamics)Iwnicris (Editor). S wets si Zeitlinger.l999.-P.P. 242.