Moscow, Moscow, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
UDK 629.4 Тяга поездов на железных дорогах. Подвижной состав. Локомотивы. Вагоны. Служба подвижного состава
BBK 392 Железнодорожный транспорт
The study objective is to develop methods for performance evaluation of center coupler draft gears in various operating conditions. The problem to which the paper is devoted is to reduce the dynamic loading of the rolling stock by means of using efficient draft gears. The research methods on which this study is based are widely used in the dynamics of railroad cars. Typical modes of shunting impact of cars are considered, which are characterized by the highest level of forces in automatic couplings. The design schemes of impacts are considered as a system of connected material points. On the basis of D'Alembert's principle, differential equations of motion are made, and they are integrated by the Euler method. The novelty of the work is in developing an approach to evaluate the performance of draft gears using the proposed integrated evaluation. The results of the study are the nomographs of the effort in the draft gear, depending on car weight and the speed of impact. The conclusions of the study contain the evaluation of the results of applying the proposed approach, as well as recommendations on possible use of the proposed approaches.
draft gear, devices, car, impact, characteristic
Введение
Оценка эффективности работы поглощающих аппаратов автосцепки представляет собой важную задачу вагоностроения. Адекватный выбор типа и модели поглощающего аппарата позволяет снизить динамическую нагруженность вагона при одном из наиболее ответственных эксплуатационных режимов – маневровом соударении. Обычно уценку поглощающих аппаратов для потребителей продукции осуществляют следующими способами:
- по их энергоемкости –энергии, воспринимаемой аппаратом при его ударном сжатии на величину,за полный ход;
- по силовой характеристике – зависимости между силой нажатия на аппарат и величиной его деформации;
- по способности необратимо поглощать энергию удара;
- по стабильности работы аппарата – способности сохранять эффективность и силовую характеристику при повторных ударах [1, 2].
Эти оценки основательно закрепились и используются длительное время при проектировании и производстве поглощающих аппаратов на рынках их сбыта. Можно сказать, что перечисленные показатели стали паспортными данными рассматриваемых ответственных узлов подвижного состава, обеспечивающих защиту вагонов и локомотивов от повреждений в поездах, при маневровой работе, в аварийных ситуациях. По численным значениям названных параметров производится сопоставление поглощающих аппаратов.
Вместе с тем, хотелось бы обратить внимание на то, что потребителя, в конечном счете, интересует, не будет ли при столкновении единиц подвижного состававозникать превышение хода аппаратов над егодопустимой величиной. Необходимо также, чтобы на всем ходе аппарата сила удара или ускорение [3] не превышали допустимого уровня, устанавливаемого нормативной документацией [4]. Кроме того, надо знать действительные скорости соударения и значения масс единиц подвижного состава, при которых обеспечиваются выполнениявышеназванных условий. Разработке комплексного подхода, позволяющего решить эти проблемы, посвящена настоящая работа.
Материалы, модели и методы
Компьютерное моделирование позволяет получить обширную информацию, направленную на обеспечение выполнения основныхтребований к параметрам поглощающих аппаратов. Рассмотрим типичные схемы маневрового соударения [5, 6], показанные на рис. 1.
Применим достаточно простые математические модели маневрового соударения [7, 8]:
- удар в упор:
(1)
- удар в подпертый вагон:
(2)
- удар в свободно стоящий вагон:
(3)
где m1, m2 – массы вагонов;
mж – масса жидкого груза в котле цистерны;
x1, x2 – перемещения вагонов;
xж – продольное перемещение жидкого груза в котле цистерны;
R1, R2 – реакции межвагонных связей, зависящие от деформации, скорости деформации и типа поглощающего аппарата;
cж – приведенная жесткость жидкого груза, представляемого в виде маятника.
Некоторая погрешность представленных формул, которая создает белее жесткие условия, чем те, что возникают в эксплуатации, позволяет получить искомые параметры с «запасом». Это, в частности, касается аппроксимации колебаний жидкого груза при помощи маятника с приведенной жесткостью.
|
Vуд |
|
а) |
|
Vуд |
|
б) |
|
Vуд |
|
в) |
Рис. 1. Схемы маневрового соударения: а - удар вагона в упор (схема №1);
б - удар в подпертый вагон (схема №2); в - удар в свободно стоящий вагон (схема №3)
Fig. 1. Schemes of maneuvering collision: a - the impact of the car at point-blank range (scheme No. 1);
b - the impact through the intermediate car at point-blank range (scheme No. 2);
c - the impact to a free-standing car (scheme No. 3)
Уравнения (1) – (3) обычно нелинейные, т.к. реакция R отражает характер силовой характеристики аппарата, в которой могут быть учтены, в зависимости от рабочих органов поглощающего аппарата, силы постоянного сухого трения, позиционного сухого трения и вязкого трения, начальная затяжка, возможные зазоры между рабочими деталями системы гашения энергии.
Математические модели силовых характеристик поглощающих аппаратов разных моделей разработаны в трудах [5, 9, 6].
Интегрирование уравнения будем осуществлять при следующих начальных условиях:
при t=0: x1=0, ẋ1=Vуд;
дополнительно для схем №№ 2, 3 - x2=0, ẋ2=0,
где Vуд – начальная скорость соударения.
Для интегрирования применим численный метод – метод Эйлера, который в предварительных расчетах обеспечил удовлетворительную сходимость для данной задачи.
Результаты
Были выполнены многовариантные расчеты с варьированием массами и скоростью при каждой схеме маневрового соударения [10]. Очевидно, что наиболее жесткий случай соударения при оценке хода аппарата или уровня сил – это удар в упор (схема №1), поэтому в качестве примеров приведем диаграммы именно для этого варианта.
На рис. 2 приведены примеры зависимостей реакции в автосцепке от времени для эластомерного [11] и пружинно-фрикционного поглощающих аппаратов [2], полученных для скорости соударения 2,5 м/с.
Рис. 2. Зависимость реакции от времени при ударе по схеме №1
Fig. 2. The dependence of the reaction on time at impact according to scheme No. 1
|
а) б)
Рис. 3. Изолинии полного хода поглощающих аппаратов в зависимости от скорости и массы при ударе в упор (ход поглощающих аппаратов принимается в метрах);
а – пружинно-фрикционный аппарат; б – эластомерный аппарат
Fig. 3. Isolines of the full stroke of the absorbing devices, depending on the speed and mass when hitting at close range (the stroke of the absorbing devices is taken in meters); a - spring-friction apparatus; b - elastomeric apparatus
Воспользовавшись диаграммой изолиний хода аппарата и зная массу единицы подвижного состава, можно определить допустимую скорость соударения, при которой не происходит закрытияаппарата, а затем по заданной массе и выбранной скорости по диаграмме с изолиниями сил выяснить, какова будет сила соударения [12].
а) б)
Рис. 4. Изолинии усилия в поглощающем аппарате в зависимости от скорости и массы при ударе в упор;
а – пружинно-фрикционный аппарат; б – эластомерный аппарат
Fig. 4. Isolines of the force in the absorbing apparatus depending on the speed and mass when hitting at close range;
a - spring-friction apparatus; b - elastomeric apparatus
Заключение
|
Диаграммы изолиний хода и сил позволяют по допустимому уровню ускорений, зная массу единицы подвижного состава, подобрать допустимый уровень скорости столкновения с препятствием и проверить, не будет ли при этом закрываться поглощающий аппарат.
Вчастности, приведенные диаграммы наглядно показывают преимущества эластомерных аппаратов перед пружинно-фрикционными. Это выражается в том, что область допускаемых соотношений (белый фон) на правых диаграммах (б) существенно шире.
Авторы статьи полагают, что введение предложенных оценок в практику выбора средств защиты единиц подвижного состава от продольных ударов будет иметь высокий уровень полезности. Потребителю противоударной защиты необходимо быть уверенным, что она работает стабильно, обеспечивая допустимое значение уровня сил (или ускорений) и исключая возможность жестких ударов из-за закрытия противоударных устройств (выбора полного хода).
1. Nikol'skiy L.N., Keglin B.G. Amortizatory udara podvizhnogo sostava : monografiya. Moskva: Mashinostroenie, 1986. - 144 s.
2. Lukin V.V., Anisimov P.S., Koturanov V.N., Hohlov A.A., Kobischanov V.V. Konstruirovanie i raschet vagonov: monografiya / pod red. P.S. Anisimova. M.: Uchebno-metodicheskiy centr po obrazovaniyu na zheleznodorozhnom transporte, 2011. 688 s.
3. Kozlov M.P., Kozlov M.V., Koturanov V.A. Lineynye uskoreniya opornyh tochek kuzova. Mir transporta. 2013. №2. S. 38-40.
4. Normy dlya rascheta i proektirovaniya vagonov zheleznyh dorog MPS, kolei 1520 mm (nesamohodnyh). Moskva, GosNIIV-VNIIZhT, 1996. 319 s.
5. Bespal'ko S.V. Razrabotka i analiz modeley povrezhdayuschih vozdeystviy na kotly cistern dlya perevozki kriogennyh produktov: special'nost' 05.22.07 «Podvizhnoy sostav zheleznyh dorog, tyaga poezdov i elektrifikaciya» :avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoy stepeni kandidata tehnicheskih nauk / Bespal'ko Sergey Valer'evich ; Moskovskiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya (MIIT). - Moskva, 2000. - 36 s.: il. - Bibliogr.: s. 43-45. - Mesto zaschity: MIIT. - Tekst: neposredstvennyy.
6. Bogachev V.I. Modelirovanie processa razvitiya vnutrennego davleniya v kotle cisterny i napryazhennogo sostoyaniya dnischa pri manevrovom soudarenii: special'nost' 05.22.07 «Podvizhnoy sostav zheleznyh dorog, tyaga poezdov i elektrifikaciya»: avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoy stepeni kandidata tehnicheskih nauk / Bogachev Vyacheslav Ivanovich; Moskovskiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya (MIIT). - Moskva, 2015. - 16 s. : il. - Bibliogr.: s. 15-16. - Mesto zaschity: MIIT. - Tekst: neposredstvennyy.
7. Koturanov V.N., Bespal'ko S.V., Kornienko N.A., Kozlov M.P. Potreblyaemaya moschnost' kak energeticheskiy kriteriy ocenki effektivnosti pogloschayuschih apparatov avtoscepki. Nauka i tehnika transporta. 2017. № 3. S. 18-22.
8. Vershinskiy S.V., Danilov V.N., Husidov V.D. Dinamika vagonov: monografiya / pod red. S.V. Vershinskogo. M.: Transport, 1991. 360 s.
9. Andriyanov S.S. Nagruzhennost' elementov specializirovannyh vagonov, oborudovannyh amortizatorami povyshennoy energoemkosti: special'nost' 05.22.07 «Podvizhnoy sostav zheleznyh dorog, tyaga poezdov i elektrifikaciya» : avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoy stepeni kandidata tehnicheskih nauk / Andriyanov Sergey Sergeevich ; Moskovskiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya (MIIT). - Moskva, 2006. - 24 s. : il. - Bibliogr.: s. 23-24. - Mesto zaschity: MIIT. - Tekst: neposredstvennyy.
10. Koturanov V.A. Obosnovanie pokazateley, harakterizuyuschih novacionnost' konstrukciy pogloschayuschih apparatov avtoscepki v usloviyah manevrovyh soudareniy: special'nost' 05.22.07 «Podvizhnoy sostav zheleznyh dorog, tyaga poezdov i elektrifikaciya»: avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoy stepeni kandidata tehnicheskih nauk / Koturanov Vasiliy Andreevich; Moskovskiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya (MIIT). - Moskva, 2014. - 24 s. : il. - Bibliogr.: s. 23. - Mesto zaschity: MIIT. - Tekst: neposredstvennyy.
11. Goryachev S.A. Razrabotka metodiki proektirovaniya i vybor parametrov elastomernogo pogloschayuschego apparata gruzovyh vagonov: special'nost' 05.22.07 «Podvizhnoy sostav zheleznyh dorog, tyaga poezdov i elektrifikaciya»: avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoy stepeni kandidata tehnicheskih nauk / Goryachev Sergey Aleksandrovich; Ural'skiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya (UrGUPS). - Ekaterinburg, 1999. - 26 s. : il. - Bibliogr.: s. 25-26. - Mesto zaschity: UrGUPS. - Tekst: neposredstvennyy.
12. Sergeev K.A., Kozlov M.P., Koturanov V.A. Pokazateli innovacionnosti tehnicheskih resheniy po konstrukciyam gruzovyh vagonov, imeyuschih chislennye ocenki. Nauka i tehnika transporta. 2012. №4. S.95-97.
