ТРАНСВУЗ-2015.Часть 2

Ремонт и динамика подвижного состава

рельс этого локомотива с предлагаемой системой подвешивания буксовой ступени в 1,7 раза меньше, чем у существующего эксплуатируемого электровоза 2ЭС10) и, следовательно – уменьшению вероятности срыва на боксование, а также – снижению вероятности проворота бандажей и износа бандажей колес и рельсов.

Рис. 2. Максимальные вертикальные ускорения тележки, g

Кроме того, это обеспечивает уменьшение вертикальных ускорений кузова (в 2 – 3 раза в диапазоне установленных скоростей движения), что снижает утомляемость локомотивной бригады, вибронагруженность аппаратуры и силового оборудования, а также уменьшает динамическую нагруженность рамы тележки и тягового двигателя.

Эффективность эксплуатации грузовых поездов в значительной мере зависит от производительности вагона, которая определяется допустимой осевой нагрузкой и конструкционной скоростью движения в прямых и кривых участках пути. Последние два показателя и безопасность движения в решающей мере зависят от динамических качеств грузовых вагонов.

Как показывает практика, значительная часть браков подвижного состава в эксплуатации приходится на вагонное хозяйство. Это в решающей мере обусловлено эксплуатацией морально устаревших трехэлементных тележек, основу которых составляет тележка Барбера. Ее первая модель создана в конце 20-х годов прошлого века. Недостаточный статический прогиб рессорного комплекта, большая необрессоренная масса и зазоры в сочленениях узлов тележки (особенно у модели 18-100), ее недостаточная сдвиговая жесткость и

10

ТРАНСВУЗ – 2015

малая приведенная длина маятника служат причиной возникновения многочисленных дефектов ходовой части вагонов (21 случай излома литых деталей тележки и16550 дефектов боковых рам в 2014 г) и верхнего строения пути (дефекты контактно-усталостной происхождения №№ 17, 21 и 44, суммарное количество – 35639 снятых с пути рельсов), угрожающих безопасности движения и вызывающих ограничение скорости движения поезда. При этом дополнительные динамические силы, обусловленные воздействием ползунов и значительного количества выщербин и ползунов твердых колес вагонов на рельсы, формируют «дробовой эффект», служащий причиной появления дефектов рельсов контактно-усталостного происхождения.

Как уже было отмечено основным способом улучшения динамических свойств грузовых вагонов является создание рессорного подвешивания с увеличенным, по сравнению с конструкциями конца прошлого века, статическим прогибом. В соответствии с данной концепцией за 40 лет было предпринято более 15 модернизаций двухосной традиционной тележки, заключающихся соверенствовании рессорного комплекта и узла фрикционного гашения вертикальных и горизонтальных колебаний.

Острая необходимость снижения воздействия грузового вагона на путь требует уменьшения его необрессоренной массы, чему способствует создание буксовой ступени обрессоривания экипажа (зарубежные тележки Y25, TF25, TVP 2009R, а также тележка 18-9750, созданная НВЦ «Вагоны» с полиуретановыми упругими элементами шевронного типа).

Основным противоречивым требованием на пути повышения гибкости рессорного подвешивания, т.е., – увеличения статического прогиба, является ограничение на разность высот автосцепок сцепленных вагонов. Это противоречие снимается путем параллельного подключения в схему подвешивания компенсирующего устройства. Главная трудность при создании такой системы обрессоривания грузового вагона, которую удалось преодолеть - значительная разность статических прогибов в груженом и порожнем состояниях с учетом жестких габаритных, прочностных и функциональных ограничений, накладываемых на значения конструктивных параметров системы виброзащиты, основанной на принципе компенсации внешних возмущений. Вследствие достигнутой малой динамической жесткости такого рессорного подвешивания экипажа, при движении поезда с установленными скоростями

11

Ремонт и динамика подвижного состава

система обрессоривания работает практически в зарезонансном режиме колебаний, что снижает износ демпфирующего элемента.

Результаты сравнительного численного анализа зависимости от скорости динамических свойств груженых вагонов (нагрузка на ось – 25 тс) с типовой тележкой (рессорный комплект с двумя фрикционными гасителями колебаний, имеющий статический прогиб 70 мм), и вагона с подвешиванием, созданным ОмГУПС, движущихся по пути со случайными неровностями, приведены на рис. 3 – 5.

Рис. 3. Среднеквадратические отклонения динамических добавок давлений в контакте колес сравниваемых вагонов и рельсов, тс

Рис. 4. Максимальные ускорения кузова (в долях g)

Кроме того, выполнена сравнительная оценка показателей динамики этих вагонов при импульсном воздействии со стороны стыков рельсов, – главной

12

ТРАНСВУЗ – 2015

причине появления выщербин колес и выкрашивания металла на торцах рельсов (дефект № 17). Установлено, что максимальные вертикальные ускорения кузова вагона с компенсирующим устройством в диапазоне скоростей от 60 до140 км/ч в зимний период при повышенной жесткости пути в 3 –4 раза меньше, чем у кузова с типовой системой рессорного подвешивания. На рис.5 отражено влияние схемных решений системы обрессоривания экипажа на уровень динамических сил в рессорных подвешиваниях сравниваемых вагонов в груженом режиме при различных скоростях движении по стыковому пути в зимнее время. Динамические реакции в рессорном подвешивании, основанном на принципе компенсации внешних возмущений, в два раза меньше по сравнению с вариантом тележки, имеющим типовую схему обрессоривания со статическим прогибом 70 мм. Это существенно снижает динамическую нагруженность рамы тележки, что, в свою очередь, способствует продлению ее ресурса и повышению безопасности движения поезда.

Рис. 5. Динамические добавки силы в рессорных комплектах типовой трехэлементной тележки (1) и в тележке с подвешиванием ОмГУПС (2)

Приведенные зависимости характеризуют достаточно высокую эффективность применения принципа компенсации внешних возмущений в конструкциях рессорного подвешивания подвижного состава. Это будет способствовать повышению тяговых свойств локомотивов, снижению

13

Ремонт и динамика подвижного состава

динамической нагруженности как узлов механической части подвижного состава, так и верхнего строения пути и безопасности движения поездов в целом, повышению плавности хода вагонов и сохранности грузов, снижению расходов на эксплуатацию и ремонт подвижного состава и пути.

Авторы признательны аспиранту кафедры М. Х. Минжасарову за участие в выполнении некоторых численных расчетов.

УДК 625.4.015

А. Н. Савоськин, А. А. Акишин

ОПТИМИЗАЦИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕССОРНОГО ПОДВЕШИВАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ТЕЛЕЖКИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА

Разработана новая схема тележки для высокоскоростного подвижного состава. Разработана методика исследования нестационарных случайных процессов колебаний вагонов. Выполнена оптимизация параметров рессорного подвешивания для этой тележки. Получены многомерные спектральные плотности, которые являются неотрицательными и многовершинными поверхностями. Рассчитана и построена зависимость показателей динамических качеств от скорости

В России планируется дальнейшее развитие высокоскоростного движения со скоростями до 400 км/ч. Для этого на кафедре «Электропоезда и локомотивы» МИИТа разработана двухосная тележка, состоящая из двух сочлененных одноосных тележек с радиальной установкой колесных пар в кривой (рис. 1). В её схеме предусмотрена третья ступень рессорного подвешивания в виде непосредственного опирания кузова на буксы. При этом соответствующим подбором упругих и диссипативных характеристик связей кузова с буксой, кузова с рамой тележки, а также рамы тележки с буксой можно обеспечить работу рамы тележки в режиме динамического гасителя колебаний, что значительно улучшает показатели динамических качеств (ПДК) рельсовых экипажей.

На первом этапе решалась задача выбора параметров рессорного подвешивания, обеспечивающих выполнение требований к боковым

14

ТРАНСВУЗ – 2015

колебаниям, и исследовался этот вид колебаний. Программа для решения соответствующей системы дифференциальных уравнений была составлена в пакете Матлаб – Симулинк. При этом в качестве возмущения задавался четырёхмерный стационарный случайный процесс возмущения в виде вертикальных и горизонтальных неровностей левой и правой рельсовых нитей [2].

Рис. 1. Тележка с осевой формулой 1о+1о с пневмоподвешиванием: 1 – пневморессора, 2 – гаситель колебаний, 3 – продольная тяга,

4 – возвращающее устройство, 5 – рама тележки, 6 – листовые композитные рессоры, 7 – диагональная тяга, 8 – редуктор, 9 – полый вал,

10 – тяговый электродвигатель

Для выбора параметров рессорного подвешивания применялся метод оптимизации с использованием в качестве целевой функции суммарной интенсивности выбросов случайных процессов показателей динамических

15

ТРАНСВУЗ – 2015

значение показателя U3 изображена кружками по углам единичного куба,

диаметр которых соответствует значению U3 =1.

На рис. 2 видно, что после проведения 50000 расчетов были получены совокупности параметров рессорного подвешивания, при которых все ПДК не выходят за допустимые пределы, но при этих совокупностях целевая функция еще не минимизирована, и расчеты необходимо продолжать до получения точки, соответствующей расчету номер N=56198 (точка 1 на рис. 2). При данной совокупности параметров рессорного подвешивания, все ПДК находятся в допустимых пределах, и их суммарная интенсивность выбросов за допустимые пределы минимальна.

Для определения зависимости ПДК системы от скорости движения был выполнен расчет вынужденных боковых колебаний экипажа на четырех одноосных тележках с оптимальными параметрами при различных скоростях движения (от 10 до 120 м/с, с шагом 10 м/с). Поскольку рессорное подвешивание предложенной тележки имеет нелинейные характеристики, то при действии стационарного случайного возмущения колебания такого экипажа в общем случае будут не гауссовскими и нестационарными. Для нестационарных систем не применима эргодическая теорема и для получения вероятностных характеристик необходимо выполнить усреднение по множеству реализаций. В связи с этим для каждой скорости движения генерировалось 4096 многомерных возмущений длительностью ~38,1с с шагом 0,0031с по 12288 точек в каждой. Для каждой из ~52·106 точек возмущения решалась система дифференциальных уравнений описывающих боковые колебания моторного вагона электропоезда на четырех одноосных тележках и вычислялись показатели его динамических качеств.

При вероятностном анализе боковых колебаний были построены двумерные плотности распределения вероятностей обобщённых координат и по ним определялись корреляционные функции, которые получились трёхмерными. По этим функциям на основе двойного преобразования Фурье были найдены трёхмерные спектральные плотности, которые имели многовершинный характер (рис. 3). Основные их максимумы лежали в диагональной плоскости, а боковые максимумы располагались на частотах в 2, 3 и т. д. раз, превышающих частоты основных максимумов, что

17

Ремонт и динамика подвижного состава

свидетельствует о появлении ульрагармонических колебаний, свойственных нелинейным системам.

Рис. 3. Спектральная плотность нестационарного случайного процесса суммарных горизонтальных ускорений кузова над первым шкворнем моторного

вагона электропоезда при v=60 м/с а – вид из начала осей координат f1 ,f2; б – вид из конца осей координат f1 f2

18

ТРАНСВУЗ – 2015

Кроме того, были найдены дисперсии, эффективные частоты колебаний, а также средние значения абсолютных максимумов [1] процессов ПДК для скоростей движения в диапазоне от vн =10м/с до vв =120м/с с шагом v =10м/с, и построены графики их зависимости от скорости движения (рис. 4). Из этого рисунка видно, что ни одно из значений ПДК не выходит за свой допустимый уровень, но на скорости 20м/с имеется резонанс по колебаниям относа кузова. Кроме того, что при скоростях выше 80 м/с, ПДК увеличиваются с ростом скорости и при скорости 120 м/с приближаются к своим допустимым значениям.

Рис. 4. График зависимости ПДК от скорости: коэффициенты динамики в связях: 1 – тележки с буксой, 2 – кузова с тележкой, 3 – кузова с буксой,

4 – максимальное ускорение кузова в точке крепления тележек

Коэффициент горизонтальной плавности хода С вычислялся по трехмерной спектральной плотности ускорений кузова на основе двойного интегрирования по формуле:

19