книги / 818

Современный трамвай отвечает высоким требованиям к точности, сборке, регулировке и наладке механического, гидравлического, пневматического, электромеханического и электронного оборудования для выполнения транспортных услуг. Безопасность, надежность, экономичность, экологичность, комфорт трамвая зависят в значительной степени от состояния рельсового пути и технических средств, обеспечивающих необходимое транспортно-эксплуатационное состояние всего комплекса. Рельсовый путь – это сложный сегмент в комплексе ГЭТ и, как показывает опыт других отраслей, обеспечивающих перевозку пассажиров, не может эффективно работать без применения технических средств контроля, прогнозирования и диагностики состояния систем, необходимых для совершенствования обслуживания пассажиропотоков наиболее экономичным путем.

Целью данной работы является разработка и исследование возможностей математической модели вибродиагностики подрельсового основания трамвайного пути в городских условиях. Существенным недостатком сети трамвайных путей и особенностью их эксплуатации является наличие рельсового пути. На протяжении всего периода существования рельсового транспорта во всем мире стремились увеличить несущую способность подрельсового основания. Это достигалось за счет более густой укладки и увеличения жесткости шпал, увеличения толщины и плотности, а затем и жесткости балластного слоя и снижения податливости земляного полотна путем его осушения и уплотнения. Однако существует проблема, связанная с неровностями пути и колес транспортного средства. Увеличение жесткости пути, вплоть до предельных состояний, было бы чрезвычайно полезным в связи с уменьшением затрат на тягу вагонов из-за снижения сопротивления движению и, самое основное, в связи с уменьшением изгибных напряжений в рельсах и снижением основных деформаций подрельсового основания из-за снижения динамического (вибрационного) воздействия колес. Вследствие наличия выщербин, наваров и других неровностей на колесах, а также рельсовых стыков, седловин, боковин, волнообразного износа и других неровностей на рельсах вибрационное воздействие на путь возрастает. Повышение прочности пути увеличением жесткости не значит увеличение его надежности. Показатели безопасности и долговечности могут быть низкими, если не будет обеспечена оптимизация трех основных механических параметров: не-

121

ровностей пути и колес; жесткости системы «рельс–вагон»; скорости движения трамвая. Одновременное существование повышенных значений всех трех указанных параметров приводит к интенсивному накоплению расстройств и повреждениям пути и подвижного состава [1, 4].

Главный показатель накопления остаточных деформаций в балласте в процессе эксплуатации – величина динамических сил, передаваемых на балласт под вагоном. Значение таких сил при прочих равных условиях зависит от жесткости связи между балластом и рельсом.

На большинстве участков трамвайной сети могут наблюдаться сезонные промерзания грунта верхней части земляного полотна и его пучение. Процесс пучения основан на увеличении содержания воды в пучащем слое и на разуплотнении грунта вследствие увеличения его объема из-за образования и постепенного увеличения линз и прослоек льда. В процессе их таяния и удаления избыточной влаги пучинистый слой грунта оседает за счет уплотнения под действием транспортной нагрузки и собственного веса верхнего слоя пути. При последующих промерзаниях и оттаивании процесс повторяется. Количество воды на участках пути зависит от качества системы водоотвода.

При наличии неровностей на поверхности катания рельсов различия в жесткости пути и балласта и влияние их на деформации верхнего строения конструкции проявляются наиболее существенно. Именно в этом случае следует ожидать наибольшей разницы в накоплении остаточных осадок пути, так как неровности являются источником дополнительных динамических сил, а следовательно, ивибрации балласта.

Силы, действующие на шпалу, создают условия для вибрационного внедрения шпал в балластный слой. Это возможно при изменении эффективного коэффициента внутреннего трения материала слоя, что во многом определяет устойчивость балласта против накопления остаточных деформаций. Подвижность сыпучей среды резко увеличивается под действием вибрации. С уменьшением коэффициента внутреннего трения увеличивается подвижность частиц щебня, создаются более благоприятные условия для выжимания его из-под шпалы в сторону и к откосу балластной призмы. В [2; 3] указано, что вертикальная вибрация снижает сопротивление балласта продольному сдвигу до 50 %.

Накапливаемые в процессе эксплуатации остаточные деформации подшпального основания, в том числе земляного полотна, из-за пучения зимой и осадки грунта летом являются основным показателем,

122

влияющим на надежность пути в целом. Указанные процессы – это следствие действия многих факторов, в том числе неисправности земляного полотна, устранение которых требует существенных трудовых и материальных затрат. Остаточные деформации подшпального основания в процессе эксплуатации определяются величиной и количеством воздействия нагрузок, а также сопротивляемостью накоплению остаточных деформаций, определяемой составом и состоянием балластного слоя и грунтов верхней части земляного полотна. Состав и состояние грунтов земляного полотна на всем его протяжении сильно изменяются и зависят от времени года и температуры. Поэтому практически имеет смысл рассматривать земляное полотно из слабых и широко распространенных грунтов (суглинков).

По нашим наблюдениям, интенсивность накопления остаточных деформаций подшпального основания определяется также и фактором переезда через путь городских автотранспортных средств (АТС).

Несмотря на общую адаптацию ГЭТ к рыночным условиям, состояние транспортной отрасли в общественном сегменте в настоящее время нельзя считать оптимальным и уровень ее развития достаточным. Среди наиболее характерных черт можно назвать: уровень транспортных технологии, не обеспечивающий качественные услуги; неэффективные подходы к управлению организационными и социальноэкономическими структурами, недостаточное использование теории активных систем и методов комплексного оценивания.

Одним из путей решения данных проблем является модернизация структуры ГЭТ, включая и решение проблем внедрения диагностики трамвайных путей.

Остаточные вертикальные деформации на стабилизированном земляном полотне, обусловленные перестановкой частиц и пучением, дополняются процессами горизонтального перемещения частиц грунта из-за подрельсовых зон в сторону концов шпал и оси пути, т.е. в зоны с меньшим давлением на основную площадку. Главный показатель накопления остаточных деформаций в балласте в процессе эксплуатации – величина динамических сил, передаваемых на балласт под вагоном [1].

Применение эффективных методов повышения надежности трамвайных путей должно базироваться на современных информационных технологиях, рассматриваемых как единая социально-техни- ческая система, в которой важную роль играет диагностика механиче-

123

ского состояния структурных элементов конфигурации всех уровней иерархии ГЭТ.

В данной работе рассматривается возможность применения математической модели вибрационного состояния рельсового пути и подшпального основания для оценки влияния физико-механических свойств балласта на динамические перемещения в вертикальном направлении конструкции трамвайного пути.

На рис. 1 показаны результаты ударного воздействия на подшпальное основание на участке конечного пункта маршрутных автобусов (МАН, «Мерседес» и др.) в районе центрального колхозного рынка (ЦКР) г.Перми. Эти ударные процессы являются многократно приложенными импульсными нагрузками движущихся вагонов и ударами подрессоренных колес маневрирующих АТС.

Рис. 1. Результаты динамического воздействия на трамвайный путь

Принимая принципы расчета линейных упругих систем для построения алгоритма вибродиагностики подшпального основания трамвайных путей, рассматриваем динамическую модель с одной степенью свободы с учетом эффекта затухания процесса движения. Диссипативные силы принимаются пропорциональными скоростям. Ударный импульс представлен в форме полуволны синусоиды, и из спектра нагрузки выделена частота 8 Гц.

Полученная информация об относительных перемещениях рельсового пути и балластного основания базируется на предпосылке того, что природа возникновения возмущений, воздействующих на процесс проезда вагона, не имеет значения. Таким образом, рассматривается затухающий (колебательный) режим балластного слоя и шпалы после снятия нагрузки.

124

Действующие нагрузки являются квазистационарными, с полимодальным распределением вероятностей. Накопленные остаточные деформации не определяются какой-либо одной нагрузкой и характеризуются всей их совокупностью с учетом стохастичности. В связи с этим требуется разработка методики учета всех разновидностей режимов нагружения по долям их участия в формировании основных статистик распределения вероятности воздействий в каждом сегменте пути.

Определим единичное перемещение основания по зависимости

где P0, Θ – параметры нагрузки; Q, ξ, φ1, φ, νв.с – параметры процесса; t – время; m – масса.

При определенном сочетании скорости и расстояния между осями вагона остаточные перемещение основания можно определить наложением функций с разными началами отсчета времени:

n

yn = ∑yoi , i=1

где n – число повторений импульсов с периодом T0.

По разработанной в среде EXCEL математической модели были проведены имитационные расчеты, результаты которых приведены на рис. 2, 3, 4, 5.

125

Были проведены расчеты модуля основания при статическом действии нагрузки по соотношению

E = PD(1−µ2 ). y

Результаты расчета статического модуля представлены на рис 6.

Рис. 6. Статический модуль основания в функции прогиба

Адекватное решение проблемы накопления остаточных деформаций рельсового пути при действии динамических нагрузок и температурных факторов целесообразно формировать на этапах диагностических процедур по разнообразным алгоритмам и соответствующим аппаратно-аналитическим комплексам [5].

126

Результаты работы убедительно свидетельствуют о необходимости использования аналитических методов оценки накопления остаточных деформаций балластного слоя трамвайных путей в сочетании с фактическими экспериментальными данными в зависимости от интенсивности движения и учета нагрузок, как статических, так и динамических, в развитии и совершенствовании методов вибрационной диагностики в общем процессе управления надежностью ГЭТ.

Список литературы

1.Управление надежностью бесстыкового пути. / В.Е. Лысюк [и др.] // под ред. В.С. Лысюка. – М.: Транснорм, 1999. – 373 с.

2.О повышении точности расчета усталостного ресурса по методу линейного ориентирования повреждении / Н.А. Витняков [и др.] // Проблемы прочности. – 1980. – № 3. – С. 32–35.

3.Григорьев Е.С. Расчеты и конструирование рельсовых амортизаторов. – М.: Машгиз, 1960. – 157 с.

4.Лысюк В.С., Сазонов В.Н., Башкатова Л.В. Прочный и надежный железнодорожный путь. – М.: Академкнига, 2003. – 589 с.

5.Кычкин В.И., Кычкин А.В., Юшков В.С. Принципы проектирования мобильных лабораторий и вибродиагностика состояния автомобильных дорог // Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. Вестник ПГТУ. Вып. 1. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – Вып. 1. – С. 82–92.

Получено 28.02.2012

127

УДК 621.833.68:629.114.6-585

М.Р. Габдуллин, Н.М. Филькин, Р.С. Музафаров, В.А. Умняшкин

Ижевский государственный технический университет

РАЗРАБОТКА КЭСУ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ БЕССТУПЕНЧАТОЙ ТРАНСМИССИЕЙ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ ОСОБО МАЛОГО КЛАССА (КВАДРОЦИКЛА)

В статье рассмотрены основные параметры, необходимые для создания квадроцикла с комбинированной энергосиловой установкой, а также рассчитан диапазон передаточных чисел автоматической бесступенчатой трансмиссии.

Ключевые слова: комбинированная энергосиловая установка, клиноременный вариатор, автоматическая бесступенчатая трансмиссия, квадроцикл.

Для обеспечения высокой динамики движения квадроцикла в городском ездовом цикле необходимо увеличивать мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС), что в результате увеличит выброс вредных веществ в окружающую среду. Другое решение данной проблемы – использование комбинированных энергосиловых установок (КЭСУ), позволяющих применять два разнотипных двигателя для улучшения скоростных характеристик на различных режимах движения.

В соответствии с требованиями нормативных документов максимальная допустимая мощность энергетической установки (двигателя) для квадроциклов не должна превышать 15 кВт, что также говорит об актуальности применения КЭСУ в конструкциях квадроциклов, обеспечивая на выходном валу КЭСУ постоянную мощность 15 кВт для всего диапазона частот вращения коленчатого вала.

Для обеспечения необходимой динамики движения квадроцикла необходимо обосновать мощностные параметры ДВС и электродвигателя (ЭД) в составе КЭСУ, конструкцию трансмиссии, максимальное и минимальное передаточное число автоматической бесступенчатой трансмиссии.

Для решения этой задачи необходимо определиться с параметрами проектируемого квадроцикла, которые влияют на силы сопротивления его движения. Эксплуатационные скорости движения подобного

128

типа транспортных средств менее 90 км/ч, поэтому обычно при проектировании мало внимания уделяют аэродинамике, обеспечивая за счет этого большие габаритные размеры для удобства посадки водителя и пассажиров, а также достаточного места для размещения перевозимого груза. В связи с этим можно в расчетах принять значение коэффициента обтекаемости Cх = 0,4. В соответствии с габаритными размерами эскизного проекта разрабатываемого квадроцикла (рис. 1) площадь миделева сечения будет не более 2,22 м2. Следовательно, коэффициент аэродинамического сопротивления для нормальных атмосферных условий будет примерно 0,25 кг/м3, а фактор обтекаемости – 0,55485 кг/м. Начальное значение коэффициента сопротивления качению подобного типа транспортных средств можно принять f0 = 0,0125. Потери энергии в трансмиссии на начальном этапе проектирования квадроцикла можно учитывать коэффициентом полезного действия трансмиссии, который будет не менее 0,9 [1].

в

Рис. 1. Эскизная компоновка: а – вид в плане; б – вид сбоку; в – вид спереди

129

Для обеспечения заданной максимальной скорости движения Vmах = 90 км/ч ≈ 25 м/с необходимо преодолевать силу сопротивления качению колес и силу сопротивления воздуха. При помощи принятых выше значений определим эти силы сопротивления движению:

f = f0(1+6,5·10–4V2),

где V – скорость движения квадроцикла, м/с.

Мощность (кВт), необходимая для преодоления сопротивления качению при движении автомобиля со скоростью V, определяется по формуле

Nf = f·G·V/1000.

Как видно из табл. 1, при максимальной скорости движения квадроцикла 25 м/с суммарная затрачиваемая мощность равна 14,5 кВт.

На рис. 2 представлена диаграмма мощности, затрачиваемой на преодоление различных сил сопротивления в зависимости от скорости движения.

Рис. 2. Зависимости мощностей сопротивления движению квадроцикла от его скорости движения

130