Підвищення енергоємності поглинаючих апаратів вантажних вагонів - Автореферат

Поглинаючі апарати як відповідальні частини рухомого складу забезпечують захист вагонів і вантажів від надмірних перевантажень при ударах під час маневрових робіт, а також при перехідних режимах руху поїздів. Обраний напрямок досліджень можливості застосування зернистого середовища в поглинаючих апаратах рухомого складу залізниць виконувався по планах наукової роботи Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту, затвердженому Міністерством транспорту України у 1993 р.

Результати дисертації опубліковані в чотирьох статтях у збірниках наукових праць Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту, патенті України № 26863 від 29.12.1999 р. і двох тезах доповідей на міжнародних конференціях.

Структура та зміст дисертації.

Дисертація складається з вступу, чотирьох глав, висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації - 151 сторінка, 40 рисунків, 6 таблиць, 108 джерел, 8 додатків.

Основний зміст роботи

У першому розділі виконаний огляд конструкцій ударопоглинаючих пристроїв різних типів. У переважній більшості на вантажних вагонах встановлюють пружино - фрикційні поглинаючі апарати, як більш дешеві, прості у виготовленні та експлуатації. Серед них апарат ПМК-110А має дещо кращі характеристики. Проте випробування показують, що навіть у прироблених апаратів ПМК-110А, при швидкостях зіткнення більших за 8,5 - 9,5 км/год цілком вичерпується хід і розмір повздовжніх сил різко зростає, перевищуючи припустимий рівень 2,5 МН. Тому в наш час необхідна розробка більш енергоємних, низької вартості, простих у виготовленні й експлуатації поглинаючих апаратів.

Найбільш вагомими роботами в області дослідження поглинаючих апаратів рухомого складу залізниць є праці таких учених: Лазаряна В.А., Нікольского Л.Н., Блохіна Е.П., Манашкіна Л.А., Кегліна Б.Г., Крайзгура Б.Г., Осипова А.С., Каракашьяна З.О. та інших.

Виконаний також огляд досліджень в області застосування зернистого середовища.

У цілому ряді областей техніки зернистий матеріал грає важливу роль. Дослідженням в області механіки сипучих тіл присвячені праці багатьох учених, як у СНД, так і в далекому зарубіжжі: Г.К. Клейна, М.В. Малишева, М. Рейнера, М.Н. Гольдштейна, Г. Дересевича та інших.

Водночас незаслужено залишилося поза увагою застосування зернистого середовища в енергопоглинаючих пристроях. І хоча, питання створення амортизаторів із зернистим робочим тілом розглянуті А. С. Осиповим, протягом багатьох десятиліть вони усе ще залишаються мало дослідженими.

В другому розділі при розробці конструкції нового енергопоглинаючого пристрою, був описаний проведений патентний пошук. У результаті аналізу літературних і патентних джерел визначені вимоги до конструкції енергопоглинаючого пристрою із зернистим середовищем.

Розроблений фрикційний енергопоглинаючій пристрій, (рис.1) містить корпус, шток із поршнем у середній частині, що проходить крізь нього. Поршень виконаний у вигляді двох усічених конусів із різною конусністю, спрямованих вершинами в протилежні сторони; розташований у корпусі наповнювач у вигляді сталевих кульок і компенсатор зносу наповнювача. Введення в наповнювач мастильного матеріалу забезпечує ефективне змащування усіх фрикційних елементів: сталевих кульок, штока, поршня і внутрішньої поверхні корпуса. За рахунок цього досягається стабілізація силової характеристики пристрою, а також збільшення його надійності і терміна служби. У той же час мастило не витікає з корпуса і не потребує контактних ущільнень. На цей енергопоглинаючій пристрій, був отриманий патент України №26863 від 29.12.1999 р.

Пристрій був підданий теоретичним дослідженням, статичним і копровим випробуванням, результати яких дозволили зробити висновок про можливість застосування зернистого середовища в поглинаючих апаратах залізничного рухомого складу.

На основі цього енергопоглинаючого пристрою, був розроблений підсилювач для поглинаючого апарату ПМК-110А. Підсилювач, замість внутрішньої пружини, встановлюється в поглинаючий апарат. Щоб уникнути підвищення жорсткості апарату при невеликих силах (режим рушання поїзда, регулювального гальмування), підсилювач вмикається в роботу через 40 мм після початку стиснення апарату. Гасіння енергії відбувається при перетіканні зернистого середовища 1 через кільцевий зазор між поршнем 2 і корпусом 3 підсилювача (рис. 2). Для одержання кращої силової характеристики поршень виконаний у вигляді двох усічених конусів із різною конусністю, спрямованих вершинами в протилежні сторони частина внутрішньої поверхні корпуса і середня частина поршня виконані конічними, що звужуються в напрямку робочого ходу штока і з однаковою конусністю. Внаслідок цього при просуванні штока кільцевий зазор між поршнем і внутрішньою поверхнею корпуса зменшується від максимального, на початку робочого ходу, до мінімального значення, наприкінці, змінюючи при цьому опір просуванню поршня. У результаті жорсткість, опір просуванню поршня, змінюється по експоненті від мінімального до максимального значення. За рахунок того, що кільцевий зазор утворений эквідістантними конічними поверхнями корпуса і середньої частини поршня, підвищується енергоємність пристрою через витрати енергії на просування наповнювача крізь цей зазор.

Проведені порівняльні статичні випробування неприроблених типового поглинаючого апарату ПМК-110А та апарату з зернистим підсилювачем показали, що енергоємність першого апарату склала 35 КДЖ, а другого - 65 КДЖ (рис. 3).

Найбільша сила статичного стиснення апарату з підсилювачем перевищила 1300 КН, тоді як в апаратів без підсилювача - тільки 600 КН.

Після стиснення апаратів на 40 мм, коли в роботу включається зернистий підсилювач, спостерігалося збільшення сили стиснення Р при однаковому ході х в дослідного порівняно з типовим поглинаючого апарату.

Надалі були проведені ударні випробування дослідних зразків поглинаючих апаратів, із зернистим підсилювачем. Випробування проводилися шляхом нанесення ударів в автозчіпку випробуваного вагона вагоном, що набігає, роль якого виконував навантажений піввагон. Випробуваний вагон був встановлений у підпірної стінки. Усього було проведено 37 зіткнень із швидкостями від 4,6 км/год до 12,8 км/год.

Тут DЭ - різниця між енергоємностями дослідних і типових поглинаючих апаратів, випробуваних в однакових умовах;

Z - збільшення енергоємності типового поглинаючого апарату після розташування на ньому зернистого підсилювача.

Виконано порівняння отриманих даних із результатами випробувань поглинаючих апаратів ПМК-110А, що проводилися ДІІТОМ у 1989 р.

З табл. 1 можна побачити, що при швидкостях зіткнення від 6 до 12,8 км/год енергоємність поглинаючого апарату ПМК-110А після розташування на ньому зернистого підсилювача збільшується в середньому на 51 %.

У третьому розділі проведене дослідження властивостей зернистого середовища, що складається зі сталевого дробу середнім діаметром 1,7 мм, покритого пластичним мастилом із протизносними та протизадирними добавками.

Проведений аналіз упаковування зерен сталевого дробу усередині підсилювача показав, що при засипанні їх в апарат упаковування має вид простий кубічний і кубічно - тетраедальний, а після ущільнення упаковування набуває виду пірамідального і тетраедального. Середовище має щільність 5,61 г/см3. Кут внутрішнього тертя j, визначений після випробувань на зрізному приладі ДІІТУ, складає 300 і збільшується на 90 при зменшенні вмісту мастила на 75%. Пенетрація зернистого середовища склала 29,7 одиниць при температурі 200С і 26 одиниць при температурі -300С, що свідчить про малу залежність властивостей середовища від температури.

У четвертому розділі розроблена математична модель роботи пластинчастого поглинаючого апарату із зернистим підсилювачем.

Математичну модель апарату можна подати у виді: , (1) де y1н, y2н - коефіцієнти передачі при стисненні до і після вмикання в роботу рухомих пластин;

y1р, y2р - коефіцієнти передачі при віддачі до і після вмикання в роботу рухомих пластин;

i - коефіцієнт передачі при відсутності тертя;

с- жорсткість пружин поглинаючого апарату;

x - хід апарату;

x0 - розмір початкового затягування;

xmax - максимальне стиснення апарату;

Ру- сила опору зернистого підсилювача при стисненні;

Ру- сила опору зернистого підсилювача при віддачі;

а - конструктивний зазор, після вибирання якого включаються в роботу рухомі пластини;

b - конструктивний зазор, після вибирання якого включається в роботу зернистий підсилювач.

У звязку з тим, що в пластинчастих поглинаючих апаратах, вмикання в роботу фрикційних клинів і рухомих пластин відбувається не одночасно, силова характеристика даного апарату складається із шести ділянок (рис. 4).

Виходячи з особливостей конструкції зернистого підсилювача і приймаючи до уваги те, що по своїх властивостях він близький, як до фрикційного так і до гідравлічного амортизатора силу опору зернистого підсилювача при стисненні та при віддачі отримуємо по формулам:

(2)

(3) де t - тангенс кута вхідного конуса поршня підсилювача при навантаженні;

тґ - тангенс кута вхідного конуса поршня підсилювача при віддачі. r - щільність середовища, кг/см3;

Fп - площа поверхні поршня і штока, що знаходиться у контакті із середовищем, см2;

v - початкова швидкість зіткнення, см/сек;

w - коефіцієнт, що характеризує середовище;

n - коефіцієнт зміни кільцевого зазору між поршнем і стінкою корпусу підсилювача;

А - коефіцієнт переведення розмірностей, А=100.

Базуючись на даних випробувань проведених ДІІТОМ залежність w(x, v) можна викласти в таким чином

, (4) де u1, u2, u3 - параметри моделі.

Оптимізацію цих параметрів проводимо за методом найменших модулів. Вибір цього методу обумовлюється тим, що він має певну робастість в порівнянні з іншими методами, наприклад методом найменших квадратів, тобто дослідні значення, що різко відрізняються по розміру від основного масиву даних, не роблять впливу на апроксимуєму криву.

Результати моделювання порівнювались із дослідними даними, розбіжність склала в середньому 4,9% для різних швидкостей зіткнення.

З метою дослідження повздовжніх сил у міжвагонних зєднаннях поїздів різної ваги, обладнаних типовими поглинаючими апаратами ПМК-110А і дослідними поглинаючими апаратами із зернистим підсилювачем, був проведений розрахунок із використанням пакета прикладних програм “Поїзд”, розробленого галузевою науково - дослідною лабораторією динаміки і тривкості рухомого складу ДІІТУ. Для виконання розрахунків даний пакет був змінений і адаптований під сучасні компютери.

У режимі рушання в поїздів масою 6000 т повздовжні сили зростають до вісімнадцятого міжвагонного зєднання, а потім стабілізуються. Максимальні повздовжні сили досягали 400 КН у поїзда зі типовими поглинаючими апаратами, ПМК-110А і 390 КН у поїзда з дослідними апаратами.

У режимі повного службового гальмування максимальні повздовжні сили досягали 725 КН у поїзда з типовими поглинаючими апаратами, у пятдесят другому міжвагонному зєднанні і 700 КН у поїзда з дослідними апаратами в пятдесят третьому міжвагонному зєднанні.

У режимі екстреного гальмування розмір максимальних повздовжніх сил у поїздів масою 6000 т складав 2450 КН у поїзда зі типовими поглинаючими апаратами, у сорок четвертому міжвагонному зєднанні і 1550 КН у поїзда з дослідними апаратами в сорок девятому міжвагонному зєднанні.

Висновки

У процесі виконання дисертаційної роботи автором отримані нові науковообгрунтовані теоретичні та експериментальні результати, що у сукупності є корисними для подальшого розвитку методів розрахунку, проектування і дослідження нових типів поглинаючих апаратів залізничного рухомого складу.

Основні результати роботи полягають у такому: 1. Збільшення енергоємності поглинаючих апаратів із використанням нових нетрадиційних енергопоглинаючих елементів, зокрема - зернистого середовища.

2. Запропоновано конструкцію фрикційного енергопоглинаючого пристрою, із зернистим середовищем у якості наповнювача. Зменшення кільцевого зазору між корпусом і поршнем під час стиснення даного пристрою дозволяє збільшити опір просуванню поршня і поліпшити силову характеристику. Завдяки введенню до складу наповнювача пластичного мастильного матеріалу, з протизносними та протизадирними добавками, стабілізується силова характеристика, збільшується надійність і термін служби пристрою.

3. Розроблено і виготовлено макетний зразок фрикційного енергопоглинаючого пристрою із зернистим середовищем. Проведено теоретичні та експериментальні дослідження пристрою, що дозволили зробити висновок про можливість застосування його в поглинаючих апаратах рухомого складу. На підставі аналізу різноманітних типів поглинаючих апаратів, які застосовуються на рухомому складі залізниць, для розміщення зернистого підсилювача був обраний пластинчастий пружино - фрикційний поглинаючий апарат ПМК-110А.

4. Запропоновано математичну модель пластинчастого пружино - фрикційного поглинаючого апарату із зернистим підсилювачем, що відбиває процеси, які виникають при роботі апарату з достатньою достовірністю. Модель дозволяє визначити вплив змін параметрів апарату на його силову характеристику. Розбіжність між дослідними даними та даними моделювання не перевищують 5%.

5. Обгрунтовано склад і властивості середовища, що застосовується у фрикційному енергопоглинаючому пристрої. Це середовище можна віднести до зернистих із середнім діаметром часток (сталевий дріб) 1,7 мм, взаємне розташування зерен відповідає пірамідальному і тетраедальному упаковуванню. Середовище має щільність 5,61 г/см3, кут внутрішнього тертя складає 300 і збільшується на 90 при зменшенні вмісту мастила від 60 г до 15 г на 1 кг сухих часток. Зниження температури до - 30 0С незначно впливає на властивості середовища.

6. Розроблено пружино - фрикційний поглинаючий апарат із металокерамічними поверхнями тертя і зернистого підсилювача шляхом модернізації апарату ПМК-110А, виготовлено два дослідних зразки таких апаратів, проведені статичні, копрові та ударні випробування цих апаратів.

7. Порівняльні статичні випробування дослідних зразків нових поглинаючих апаратів, і типових - ПМК-110А показали, що енергоємність дослідних апаратів склала 65 КДЖ, а типових - 35 КДЖ. Зважаючи на те, що фрикційні частини апаратів були неприроблені, це свідчить про істотний вплив зернистого підсилювача на підвищення енергоємності.

8. Ударні випробування поглинаючих апаратів із зернистим підсилювачем, проведені при швидкостях зіткнення від 4,8 км/год до 12,8 км/год, показали, що енергоємність дослідних поглинаючих апаратів, більше чим у типових ПМК-110А в середньому на 51%.

9. Переваги нових апаратів складаються в тому, що допустима швидкість зіткнення вантажних вагонів дослідними апаратами складає 12 км/год, у той час як із серійними ПМК-110А - 9-9,5 км/год. Це дозволяє зменшити час маневрових операцій і забезпечити збільшення цілості вагонів і вантажів.

10. Проведено порівняльний розрахунок повздовжньої динаміки вантажних поїздів, обладнаних типовими поглинаючими апаратами ПМК-110А і дослідними апаратами з зернистим підсилювачем. Виконано порівняння розрахункових даних із результатами випробувань, проведених раніше ДІІТОМ. Модернізація поглинаючих апаратів зернистим підсилювачем дозволяє знизити для поїзда масою 6000 т розмір повздовжніх сил при рушанні в середньому на 2%, повному службовому гальмуванні - на 3,5% і при екстреному гальмуванні - на 37%.

Список опублікованих автором робіт в фахових виданнях, у яких освітлені основні положення і результати дисертації

1. Савчук О.М., Шебанов В.А., Пулария А.Л., Вислогузов В.Т. Разработка новых энергопоглощающих устройств вагонов // Улучшение конструкции и обслуживания подвижного состава железных дорог. Днепропетровск. ДИИТ. 1996. С. 15 - 17.

2. Пулария А.Л. Моделирование работы пластинчатого поглощающего апарата с зернистой вставкой / Улучшение конструкции и обслуживания подвижного состава железных дорог // Межвуз. сб. научн. тр. / Днепропетровск ДИИТ 1997. С. 7 - 9.

3. Пулария А.Л., Грановская Н.И., Заболотный Н.А. Исследование продольной динамики поезда, оборудованного поглощающими аппаратами с зернистым усилителем / Транспорт // Збірник наукових праць Дніпропетровського державного технічного університету залізничного транспорту. Випуск 3. Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2000. С. 13-16.

4. Пат. 26863 Україна, МКИ 6 F16F7/01, F16F7/08. Фрикційний енергопоглинаючий пристрій / О.М. Савчук, В.О. Шебанов, А.Л. Пуларія; Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту. - № 94012121; Заявл. 10.01.94, Опубл. 29.12.99, Бюл. №8. 2 с.

5. Савчук О.М., Пулария А.Л. Применение зернистой среды в поглощающих аппаратах подвижного состава / Улучшение конструкции и обслуживания подвижного состава железных дорог // Межвуз. сб. научн. тр. / Днепропетровск ДИИТ 1997. С. 4 - 6.

6. Савчук О.М., Шебанов В.А., Вислогузов В.Т., Пулария А.Л. Демпфер для подвижного состава // Тезисы докладов, II Междунар. конф. "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта". Том. 1. М.: МИИТ, 1996. С. 83.

7. Савчук О.М., Пулария А.Л. Применение зернистой среды в поглощающих аппаратах железнодорожного подвижного состава // Тезисы докладов, Х Междунар. конф. "Проблемы механики железнодорожного транспорта" (Динамика, надежность и безопасность подвижного состава). Днепропетровск: АРТ-Пресс, 2000. С. 46-47.