Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 629.4 Тяга поездов на железных дорогах. Подвижной состав. Локомотивы. Вагоны. Служба подвижного состава
ББК 392 Железнодорожный транспорт
Цель исследования состоит в разработке методики оценки качества работы поглощающих аппаратов автосцепки в различных условиях эксплуатации. Задача, решению которой посвящена статья, - это снижение динамической нагруженности подвижного состава через применение эффективных устройств поглощения энергии. Методы исследования, на которых основана данная работа, широко применяются в динамикевагонов. Рассмотрены типичные режимы маневрового соударения вагонов, для которого характерно появление наиболее высокого уровня сил в автосцепках. Расчетные схемы соударений приняты в виде системы связанных материальных точек. На основе принципа Даламбера составлены дифференциальные уравнения движения, интегрирование которых производится методом Эйлера. Новизна работы состоит в разработке подхода к оценке качества работы поглощающих аппаратов с применением предложенных комплексных оценок. Результаты исследования представляют собой номограммы усилия в поглощающем аппаратов зависимости от массы вагонов и скорости соударения. Выводы по работе содержат оценку результатов применения предложенного подхода, а также рекомендации по возможности применения предложенных подходов.
поглощающий аппарат, приборы, вагон, соударение, характеристика
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. Никольский Л.Н., Кеглин Б.Г. Амортизаторы удара подвижного состава : монография. Москва: Машиностроение, 1986. - 144 с.
2. Лукин В.В., Анисимов П.С., Котуранов В.Н., Хохлов А.А., Кобищанов В.В. Конструирование и расчет вагонов: монография / под ред. П.С. Анисимова. М.: Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2011. 688 с.
3. Козлов М.П., Козлов М.В., Котуранов В.А. Линейные ускорения опорных точек кузова. Мир транспорта. 2013. №2. С. 38-40.
4. Нормы для расчёта и проектирования вагонов железных дорог МПС, колеи 1520 мм (несамоходных). Москва, ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. 319 с.
5. Беспалько С.В. Разработка и анализ моделей повреждающих воздействий на котлы цистерн для перевозки криогенных продуктов: специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» :автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Беспалько Сергей Валерьевич ; Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ). - Москва, 2000. - 36 с.: ил. - Библиогр.: с. 43-45. - Место защиты: МИИТ. - Текст: непосредственный.
6. Богачев В.И. Моделирование процесса развития внутреннего давления в котле цистерны и напряженного состояния днища при маневровом соударении: специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Богачев Вячеслав Иванович; Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ). - Москва, 2015. - 16 с. : ил. - Библиогр.: с. 15-16. - Место защиты: МИИТ. - Текст: непосредственный.
7. Котуранов В.Н., Беспалько С.В., Корниенко Н.А., Козлов М.П. Потребляемая мощность как энергетический критерий оценки эффективности поглощающих аппаратов автосцепки. Наука и техника транспорта. 2017. № 3. С. 18-22.
8. Вершинский С.В., Данилов В.Н., Хусидов В.Д. Динамика вагонов: монография / под ред. С.В. Вершинского. М.: Транспорт, 1991. 360 с.
9. Андриянов С.С. Нагруженность элементов специализированных вагонов, оборудованных амортизаторами повышенной энергоемкости: специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Андриянов Сергей Сергеевич ; Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ). - Москва, 2006. - 24 с. : ил. - Библиогр.: с. 23-24. - Место защиты: МИИТ. - Текст: непосредственный.
10. Котуранов В.А. Обоснование показателей, характеризующих новационность конструкций поглощающих аппаратов автосцепки в условиях маневровых соударений: специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Котуранов Василий Андреевич; Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ). - Москва, 2014. - 24 с. : ил. - Библиогр.: с. 23. - Место защиты: МИИТ. - Текст: непосредственный.
11. Горячев С.А. Разработка методики проектирования и выбор параметров эластомерного поглощающего аппарата грузовых вагонов: специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Горячев Сергей Александрович; Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС). - Екатеринбург, 1999. - 26 с. : ил. - Библиогр.: с. 25-26. - Место защиты: УрГУПС. - Текст: непосредственный.
12. Сергеев К.А., Козлов М.П., Котуранов В.А. Показатели инновационности технических решений по конструкциям грузовых вагонов, имеющих численные оценки. Наука и техника транспорта. 2012. №4. С.95-97.
