Влияние конструктивных схем и параметров тележек на устойчивость, ходовые качества и нагруженность грузовых вагонов
На правах рукописи
ОРЛОВА Анна Михайловна ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ И ПАРАМЕТРОВ ТЕЛЕЖЕК НА УСТОЙЧИВОСТЬ, ХОДОВЫЕ КАЧЕСТВА И НАГРУЖЕННОСТЬ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ Специальность 05.22.07 — Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении выс шего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» Научный консультант – доктор технических наук, профессор БОРОНЕНКО Юрий Павлович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор ПЕТРОВ Геннадий Иванович доктор технических наук, профессор ДУДКИН Евгений Павлович доктор технических наук САМОШКИН Сергей Львович Ведущее предприятие – ОАО «Научно-исследовательский институт же лезнодорожного транспорта»
Защита диссертации состоится «_»_ 2009 г. в час мин на заседании диссертационного совета Д218.008.05 при Государственном об разовательном учреждении высшего профессионального образования «Пе тербургский государственный университет путей сообщения» по адресу:
190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д.9, ауд.5-407.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан «_» 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор В.А. Кручек Актуальность проблемы: Вопросам совершенствования ходовых частей гру зовых вагонов уделяется большое внимание. Однако в рамках неизменных организационных основ систем технического обслуживания и ремонта про ектирование новых тележек долгое время было ограничено внесением в со стоявшиеся конструкции, такие как ЦНИИ-Х3, Y25, Barber, небольших из менений, которые оттачивались методом проб и ошибок на протяжении практически 50 лет.
На современном этапе в условиях растущих объемов перевозок к кон струкциям тележек предъявляются новые противоречивые требования: уве личение скоростей движения, повышение осевых нагрузок при одновремен ном снижении воздействия на путь, уменьшении износа колес и рельсов в кривых. Чтобы их удовлетворить тележки грузовых вагонов должны иметь новые концептуальные схемы и проектироваться по новым принципам, по скольку для получения экономического эффекта конструкция должна быть удачной с первого раза.
Когда риск совершения дорогостоящей ошибки высок ввиду отсутст вия необходимого опыта, его приходится создавать искусственно. Актуаль ной становится разработка методов выбора параметров и конструктивных решений подвешивания, позволяющих приобретать понимание закономер ностей их связи с показателями ходовых качеств вагона на постепенно ус ложняющихся математических моделях и соответственно адаптировать процедуры поиска.
Цель работы: Разработка итерационного метода, основанного на иерархии математических моделей, для исследования влияния на показатели ходовых качеств и выбора параметров силовых характеристик и конструктивных ре шений подвешивания тележек грузовых вагонов, обеспечивающих повыше ние скоростей и безопасности движения, существенное уменьшение воздей ствия на путь и износов колес и рельсов, вместе поднимающих эффектив ность железнодорожных перевозок.
Задачи работы:
провести статистический анализ и разработать классификацию ходовых частей грузовых вагонов, позволяющую создавать обобщенные математи ческие модели движения вагонов;
провести предварительный отбор конструктивных схем тележек, органи зовав их в типоразмерный ряд для перспективных условий эксплуатации;
разработать иерархическую классификацию математических моделей движения вагонов, узлов и компонентов ходовых частей, выделив модели физических явлений, качественного исследования влияния параметров на динамические показатели, модели, дающие их достоверные количествен ные оценки, и реализуемые подвешиванием силовые характеристики;
предложить иерархически-итерационный метод (ИИМ) выбора парамет ров и конструктивных решений подвешивания тележек, основанный на по следовательном с итерациями использовании математических моделей различной детализации;
применить ИИМ для выбора параметров и конструктивных решений под вешивания в тележках с нежесткой в плане рамой и в тележках с жесткой рамой и одноступенчатым буксовым подвешиванием;
провести экспериментальные исследования для выявления степени дос товерности математических моделей и эффективности конструктивных схем и параметров подвешивания, выбранных с использованием ИИМ.
Научная новизна исследований:
1. Разработан иерархически-итерационный метод выбора параметров и кон структивных решений подвешивания тележек грузовых вагонов, отли чающийся использованием фундаментальных моделей движения, моделей качественного поведения, функциональных моделей движения и моделей компонентов, позволяющих последовательно с итерациями уточнять сило вые и геометрические характеристики связей.
2. Уточнена модель качения колесной пары по рельсам в линейной поста новке, а именно учтены все члены уравнений первого порядка малости и дана унифицированная векторно-тензорная формулировка гипотезы крипа, в которой слагаемые аналогичные крипу спина получены проекцией ско рости проскальзывания на вертикальную ось.
3. Получены аналитические зависимости обобщенной изгибной и сдвиговой жесткости тележки, отличающейся нежесткой в плане рамой, от упругих характеристик двух ступеней подвешивания и дополнительных межосевых связей, позволяющие выбрать параметры, обеспечивающие самоцентриро вание колесных пар при движении по прямым и в кривых.
4. Предложены математические модели для исследования влияния геомет рических размеров фрикционного клина пространственной конфигурации, упругих и фрикционных свойств накладок на наклонных поверхностях на сопротивление подвешивания забеганию боковых рам, продольному пере мещению надрессорной балки и на нагруженность накладок в этих режи мах.
5. Теоретически и экспериментально обоснована возможность обеспечить устойчивость движения вагона по прямым и близкую к радиальной уста новку колесных пар в кривых за счет использования в трехэлементной те лежке горизонтально упругой первой ступени подвешивания и фрикцион ных клиньев пространственной конфигурации (патент на изобретение №2 275 308), вместе придающих боковых рамам свойства упругих межосе вых связей.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Иерархически-итерационный метод выбора параметров и конструктив ных решений подвешивания позволяет установить их влияние на устойчи вость движения и показатели ходовых качеств грузовых, пассажирских, специального назначения вагонов для сокращения сроков проектирования ходовых частей.
Предложенный типаж тележек с нежесткой в плане рамой, основанный на классификации по обеспечиваемой критической скорости потери устой чивости движения вагона, позволяет создавать конструкции для использо вания под вагонами повышенной грузоподъемности или для увеличенных скоростей движения путем модификации базового варианта.
Для трехэлементной тележки с упругой связью колесных пар и боко вых рам, а также для тележки с жесткой рамой и одноступенчатым буксо вым подвешиванием, получены полные наборы рациональных силовых ха рактеристик и выбраны реализующие их конструктивные решения подве шивания, обеспечивающие конструкционную скорость вагона 120 км/ч при осевой нагрузке 25 т без увеличения воздействия на путь по сравнению с тележками модели 18-100 при осевой нагрузке 23,5 т.
Модели буксового подвешивания с пружинными фрикционным клино вым и рычажным гасителями колебаний, с амортизаторами, состоящими из шевронных или цилиндрических слоев эластичного материала и металличе ских пластин (патент на полезную модель №60 908), могут быть использо ваны для проектирования конструкций с заданными упругими и демпфи рующими характеристиками.
Разработанные методики стендовых испытаний для определения упру гих характеристик и долговечности неметаллических элементов упругой связи колесных пар и боковых рам, а также накладок на наклонных поверх ностях фрикционных клиньев позволяют проводить ускоренную экспери ментальную отработку конструкций.
С использованием результатов, полученных в работе, созданы тележки моделей 18-1711 (Мариупольский завод тяжелого машиностроения, Украи на), 18-9750 (ПГУПС), Р 25.120 (Ижорские заводы, г. Санкт-Петербург).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конфе ренциях: Computer Simulation of Rail Vehicle Dynamics (г.Манчестер, Вели кобритания, 1997г.), конференции пользователей ADAMS/Rail (г.Утрехт, Нидерланды, 1999г.), Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проек ты (ПГУПС, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007г.), Vehicle system dynamics, identi fication and anomalies (г.Будапешт, Венгрия, 2000, 2002, 2006, 2008г.), Rail way bogies and running gears (г.Будапешт, Венгрия, 2001, 2004, 2007г.), Про блемы прочности материалов и сооружений на транспорте (ПГУПС, 2004г.), Проблемы механики железнодорожного транспорта и Проблемы и перспек тивы развития железнодорожного транспорта (г.Днепропетровск, Украина, 2000, 2004, 2005г.), Электрификация и развитие железнодорожного транс порта России. Традиции, современность, перспективы (ПГУПС, 2001г.), Экспериментальное кольцо ВНИИЖТ-70, Современные проблемы взаимо действия подвижного состава и пути, Развитие транспортного машино строения в России, Совершенствование взаимодействия государственных и коммерческих структур в области организации перевозочной работы и раз вития технических средств на железнодорожном транспорте, Инновацион ные проекты, новые технологии и изобретения (г.Щербинка, 2002, 2003, 2004, 2005, 2008г.), Проблемы и перспективы развития грузового вагоно строения (г. Нижний Тагил, 2005, 2006 г.), симпозиумах International Asso ciation of Vehicle System Dynamics (г.Копенгаген, Дания, 2001г., г.Атсуги, Япония, 2003г., г.Милан, Италия, 2005г., г.Беркли, США, 2007г.), Speed-up and Service Technology for Railway and Maglev Systems (г.Ченду, Китай, 2006г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 23 печат ных работах, из них 8 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК, 3 па тента на полезные модели и изобретения, 1 монография, 11 в материалах международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 7 глав, заключение и список использованных источников;
изложена на 403 страни цах машинописного текста, в том числе 77 таблиц, 159 рисунков, 349 на именований источников.
Первая глава содержит введение, где дана характеристика работы.
Во второй главе выполнен обзор исследований в области динамическо го поведения рельсовых экипажей, выбора параметров и конструктивных решений подвешивания тележек грузовых вагонов.
В первом разделе обобщены экспериментальные методы наблюдения и оценки динамических явлений при движении рельсовых экипажей.
Возможности моделей движения рельсовых экипажей и их компонен тов, созданные различными научными школами, показаны во втором разде ле. В рамках линеаризованных и нелинейных моделей движения Белоусо вым В.Н., Блохиным Е.П., Бурчаком Г.П., Вериго М.Ф., Вершинским С.В., Годыцким-Цвирко А.М., Грачевой Л.О., Де Патером А., Даниловым В.Н., Деминым Ю.В., Длугачем Л.А., Дудкиным Е.П., Ершковым О.П., Жоли Р., Зинченко В.И., Збоински К., Камаевым А.А., Коганом А.Я., Королевым К.П., Коротенко В.А., Куценко С.М., Лазаряном В.А., Левинзоном М.А., Львовым А.А., Марковой О.М., Меделем В.Б., Панькиным Н.А., Плоткиным В.С., Полаком О., Поповым А.А., Радченко Н.А., Роменом Ю.С., Сломян ским А.В., Смирновым С.Н., Соколовым М.М., Тибиловым Т.А., Холодец ким А.А., Хусидовым В.Д., Цеглинским К.Ю., Челноковым И.И., Черкаши ным Ю.М., Шахунянцем Г.М., Юбелакером Г. отработаны методы исследо вания устойчивости на пути без неровностей и колебаний обрессоренных частей при движении по неровностям.
Среди компонентов ходовых частей особое место занимает движение колеса по рельсу: первые модели были созданы Картером Ф.;
подробному описанию взаимодействия посвящены работы Калкера Д., Бурчака Г. П., Джонсона К., Кика В., Кноте К., Коссова В.С., Манашкина Л.А., Пиотров ски Е., Ромена Ю.С., Хусидова В.Д., Чолле Х., Шеня Д., Элкинса Дж.;
со временные представления о движении колесной пары по рельсам разрабо таны Викенсом А. и Труе Х. В работах Белоусова В.Н., Грачевой Л.О., Да новича В.Д., Казея И.И., Когана А.Я., Кудрявцева Н.Н., Куценко С.М., Ро мена Ю.С., Тибилова Т.А., Ушкалова В.Ф., Черкашина Ю.М. разрабатыва лось математическое описание неровностей рельсов. Элементам сухого тре ния (подвешивание с фрикционными клиньями, взаимодействие тележки и кузова вагона, буксы и боковой рамы) посвящены работы Лазаряна В.А. и ученых ДИИТ, Петрова Г.И., Погорелова Д.Ю. и брянской школы, Ромена Ю.С., Соколова М.М., Челнокова И.И. и других. Наиболее значимые работы в области износа гребней колес принадлежат Дановичу В.Д., Королькову Е.П., Коссову В.С., Петрову Г.И., Хусидову В.Д. Моделированию тележек с устройствами радиальной установки колесных пар в кривых посвящены труды Гребенюка М.П., Гудалла Р., Двухглавова В.А., Дудкина Е.П., Каш никова В.Н., Мей Т., Соколова М.М., Шашкова Н.А., Шеффеля Г.
Третий раздел посвящен методам выбора параметров подвешивания.
Инженерные методы выбора жесткости и демпфирования в вертикальном направлении отработаны Варавой В.И., Вершинским С.В., Челноковым И.И., Кальницким Л.А., Левковым Г.В., Осиновским Л.Л., Роменом Ю.С. и Белоусовым А.В., Самошкиным С.Л., Соколовым М.М.;
выбора горизон тальной жесткости первой ступени подвешивания – Викенсом А. и Шеффе лем Г. Численные методы оптимизации получили развитие в работах Деми на Ю.В., Длугача Л.А., Ершова В.И., Ершовой Н.М., Кондрашева В.М., Ко ротенко М.Л., Куценко С.М., Марковой О.М., Погорелова Д.Ю. и его кол лектива, Радченко Н.А., Тибилова Т.А.
В четвертом разделе выполнен обзор исследований, посвященных вы бору параметров подвешивания тележек грузовых вагонов и их реализации в конструкциях. Тележкам с нежесткой в плане трехэлементной рамой по священы работы Абашкина В.В., Анисимова П.С., Вершинского С.В., Гре бенюка М.П., Двухглавова В.А., Демина Ю.В., Долматова А.А., Ефимова В.П., Ковалева Р.В., Коваленко А.В., Коротенко М.Л., Коссова В.С., Мехова Д.Д., Павлюкова А.Э., Соколова М.М., Ханина А.Г., Хохлова А.А., Челно кова И.И. Параметры, выбранные на математических моделях, реализовы вались в тележках УВЗ, БМЗ, КрВЗ, ЦКБ ТМ (г.Тверь), ВНИКТИ. При про ектировании старались максимально учесть зарубежный опыт, в основном фирм SCT, ASF, NACO (США).
Тележкам с жесткой в плане рамой и буксовым подвешиванием для российских железных дорог посвящены работы Бартеневой Л.И., Бирюкова И.В., Игнатенкова Г.И., Кочнова А.Д., Кудрявцева Н.Н., Львова А.А., Соко лова М.М., Черкашина Ю.М. Конструкции буксового подвешивания реали зованы в тележках ВЛВРЗ, фирм Glousester (Великобритания), ASF (США).
Анализ, выполненный на основании обзора работ, показал, что наибо лее отработанным является исследование движения рельсовых экипажей на линеаризованных моделях. С увеличением возможностей вычислительной техники развивались методы исследования движения на нелинейных моде лях. При этом недостаточно внимания уделялось взаимосвязи результатов, полученных на линеаризованных и нелинейных моделях. В части выбора рациональных параметров подвешивания независимо друг от друга разра ботаны инженерные способы выбора жесткости и демпфирования в верти кальном и горизонтальном направлении и методы численной оптимизации с использованием математических моделей одного типа: упрощенных, линеа ризованных или нелинейных. Для тележек с нежесткой в плане рамой, а в большей мере для тележек с жесткой рамой или с дополнительными межо севыми связями, в основном выполнен выбор параметров отдельных узлов без рассмотрения подвешивания и боковых скользунов в комплексе, что обусловлено существованием до настоящего времени стандартов, регули рующих их конструктивное исполнение, и нежеланием менять практику эксплуатации. Недостаточное развитие математического аппарата и про граммных средств приводило к преимущественно экспериментальным ме тодам определения конструктивно реализованных силовых характеристик на натурных образцах, требовавших значительных затрат в изготовлении. В результате сформулирована цель и поставлены задачи работы.
Третья глава посвящена описанию разработанного иерархически итерационного метода (ИИМ) исследования влияния на показатели ходовых качеств и выбора параметров и конструктивных решений подвешивания те лежек грузовых вагонов в рамках комплексной методики проектирования ходовых частей.
В методику проектирования включены этапы формулировки целей, разработки альтернативных конструктивных схем тележек на основе стати стического анализа и классификации, их предварительного отбора в соот ветствии со сложившейся технической и экономической ситуацией, выбора рациональных параметров подвешивания с помощью ИИМ, оценки ходовых качеств вагона и отработки конструкций подвешивания по результатам стендовых и натурных испытаний. Цели проектирования поставлены как создание тележек грузовых вагонов, обеспечивающих выполнение требова ний к их ходовым качествам, имеющих надежную и долговечную конструк цию, либо выявление причин отклонения показателей от требуемых.
В рамках этапа по разработке альтернативных конструктивных схем на основе обзора ходовых частей грузовых вагонов конструктивные признаки тележек систематизированы по уровням, разделенным по принципу синтеза расчетной схемы вагона для исследования его динамического поведения. На первом уровне выделены основные элементы тележки (тип рамы, подвеши вания, буксы, наличие дополнительных устройств, связывающих колесные пары);
на втором – конструкция подвешивания (характеристики и тип упру гих и демпфирующих элементов), на третьем – конструктивные признаки связи между тележкой и кузовом.
Статистический анализ признаков позволил установить, что конструк тивные схемы тележек с жесткой в плане рамой и одноступенчатым подве шиванием и с нежесткой рамой являются работоспособными, как для уве личения осевых нагрузок, так и для повышения скоростей движения при реализации подвешиванием рациональных характеристик. Основные при знаки тележки с жесткой рамой – билинейная вертикальная и в плане харак теристика буксового подвешивания, фрикционное или гидравлическое га шение колебаний, боковые скользуны постоянного контакта. Схема тележки с нежесткой в плане рамой, состоящей из двух боковых рам и надрессорной балки, допускает комбинации конструктивных признаков, для которых вве дена классификация, представленная в таблице 1.
Объединение тележек в группы произведено по реализуемой критиче ской скорости потери устойчивости движения вагона и основано на ее зави симости от сдвиговой жесткости тележки (рис. 1) при одинаковых углах на бегания и износах колес в кривых. В тележках группы А применение клинь ев с плоской наклонной поверхностью не позволяет увеличить сопротивле ние забеганию боковых рам для обеспечения конструкционной скорости свыше 90 км/ч. В тележках группы B использованы клинья пространствен ной конфигурации или дополнительные устройства, соединяющие боковые рамы, что позволяет добиться конструкционной скорости 120 км/ч. Даль нейшее увеличение конструкционной скорости требует использования до полнительных межосевых связей для раздельной реализации изгибной и сдвиговой жесткости тележки.
Таблица 1 Классификация тележек с нежесткой в плане рамой Груп- По Конструктивные признаки узлов Vк*, па дгр км/ч Связь боко- Устройство сопро- Тип бокового Упругие уп вой рамы с тивления забеганию скользуна межосевые па колесной боковых рам во вто- связи парой рой ступени подве шивания Тра- Сухое тре- Фрикционный клин Жесткий с за ди- ние в преде- с плоской наклонной нет - зором цион лах зазоров поверхностью ная Упруго включенный Упругий по элемент су стоянного кон- нет хого трения Фрикционный клин такта в пределах с плоской наклонной A зазоров поверхностью Жесткий с за Упругая в Посредст зором или уп пределах вом рамы ругий постоян зазоров тележки ного контакта Фрикционный клин Посредст с пространственной вом рамы наклонной поверх- Жесткий с за Упругая в тележки ностью зором или уп пределах B ругий постоян Фрикционный клин зазоров Посредст ного контакта с плоской наклонной вом рамы поверхностью и ме тележки ждурамные связи Посредст Жесткий с за- вом рамы Бо- Упругая в Фрикционный клин зором или уп- тележки и лее пределах с плоской наклонной C ругий постоян- дополни зазоров поверхностью ного контакта тельных уст ройств * Конструкционная скорость Анализ экономической и технической ситуации, сложившейся на рос сийских железных дорогах, позволил предварительно отобрать конструк тивные схемы тележек для тройной специализации вагонов, сформулиро ванной в ГОСТ 9246. Предложено создать типаж тележек для различных конструкционных скоростей и осевой нагрузки (рис. 2) путем модификации базовой конструкции для нагрузки 25 т/ось и скорости 120 км/ч, принадле жащей к группе В-1. Горизонтально упругое буксовое подвешивание и фрикционные клинья пространственной конфигурации, обеспечивающие упругие межосевые связи посредством боковых рам, позволяют реализовать воздействие на путь не выше, чем у тележек модели 18- при осевой нагрузке 23,5 т. Для повышения конструкционной скорости до 140 км/ч базовая конструкция оборудуется до полнительными упругими ме жосевыми связями (группа С), а для значительного уменьше ния коэффициента вертикаль Рис. 1 Зависимость критической скорости дви жения вагона от сдвиговой жесткости тележки ной динамики в подвешивании при изгибной жесткости 5 МН·м/рад при осевой нагрузке 30 т – упругими скользунами постоянного контакта с одновременным повышением трения в подвешивании.
а) б) в) Рис. 2 Типаж тележек (осевая нагрузка;
конструкционная скорость): а – базовая (25 т;
120 км/ч ), б – для повышенных скоростей движения (20 т;
140 км/ч), в – увеличенной грузоподъемности (30 т;
100 км/ч) ИИМ выбора параметров подвешивания для предварительно отобран ных конструктивных схем тележек основан на введенной классификации математических моделей рельсовых экипажей по их назначению.
Фундаментальная модель – модель движения экипажа или его частей, позволяющая получить представление о физическом смысле зависимости показателей ходовых качеств от силовых характеристик подвешивания че рез аналитические формулы или графики, что дает возможность в более сложных моделях проверить соответствие результатов общим представле ниям, эффективно организовать последовательность выбора параметров, предварительно определить диапазоны поиска их рациональных значений.
Модель качественного поведения – модель движения вагона, позво ляющая изучать устойчивость движения и колебания обрессоренных частей в зависимости от параметров силовых характеристик подвешивания и полу чать соответствующие качественные зависимости показателей ходовых ка честв, что дает возможность проверить результаты, получаемые на функ циональных моделях, выделить формы колебаний в пространственном дви жении вагона, предварительно определить рациональные диапазоны пара метров.
Функциональная модель – модель движения вагона, позволяющая по лучать близкие к натурному эксперименту количественные зависимости по казателей ходовых качеств и воздействия на путь от параметров подвеши вания, что дает возможность сравнивать показатели с нормативами, уточ нять диапазоны параметров, выбранные на качественной модели, или полу чать параметры в ней отсутствовавшие.
Компонентно-ориентированная функциональная модель – функцио нальная модель движения вагона, описание одного или нескольких компо нентов подвешивания в которой позволяет определять силовые и кинемати ческие нагрузки на него в различных режимах движения.
Модели компонентов подвешивания позволяют математически описать зависимость силовых характеристик, задающих их поведение в моделях движения вагона, от геометрических, фрикционных, упругих параметров конкретной конструктивной реализации;
или исследовать зависимость по казателей прочности и долговечности от них под действием нагрузок, опре деленных в результате расчета или эксперимента.
Общая схема разработанного ИИМ выбора параметров и конструктив ных решений подвешивания тележек приведена на рис. 3. На первом уровне фундаментальных моделей предложено установить общие закономерности влияния силовых характеристик подвешивания экипажа на показатели его ходовых качеств и использовать их для обоснования последовательности выбора параметров на следующих уровнях. Уровни 2, 3, 4 организованы ие рархически, таким образом, что каждый более высокий позволяет выбирать новые параметры (которых не было в моделях предыдущего уровня) или уточнять параметры, для которых на предыдущем уровне выбран рацио нальный диапазон. Связь между уровнями обеспечена передачей парамет ров подвешивания или полученных в результате моделирования кинемати ческих и силовых нагрузок. Если на каком-либо из уровней 2, 3, 4 установ лена невозможность выбора рациональных параметров, в рамках метода ор ганизована итерация с возвратом к уровню фундаментальных моделей для выявления причин, задания нового базового диапазона параметров и пере смотра последовательности их выбора на следующих уровнях.
Рис. 3 Общая схема ИИМ Последняя стадия проектирования, – оценка ходовых качеств вагона и отработка конструкций подвешивания по результатам стендовых и натур ных испытаний, – организована таким образом, чтобы установить эффек тивны ли силовые характеристики, выбранные ИИМ, и имеется ли возмож ность создания надежных и долговечных конструкций на базе выбранных конструктивных решений.
В четвертой главе уточнены модели движения рельсовых экипажей, обосновывающие последовательность выбора параметров ИИМ и предвари тельно оценены их рациональные диапазоны.
В первой модели уравнения движения колесной пары с коническими поверхностями катания по жесткому рельсовому пути записаны относи тельно ее поперечного перемещения, y, и угла виляния,, в виде:
M 2 f 22 / V 1 r d dy y M sin / * CV/r 2 f13l 2 / V y Mg FzL0) FzR ) d y y 2 f 22 1 d 1 D y FyR FyL ( ( Dz FzL FzR (1) A CV / r 2 f13 r r 2 l 2 / V y 2 f 33l 2 / V f 33l 2 / r y Mg FzL0) FzR ) tg l r tg 2 f13 r l tg LFxL FxR ( ( где M, A, C – масса, экваториальный и осевой моменты инерции;
l, r – половина расстояния между кругами катания и их радиус;
– угол между осью колесной пары и образующей поверхности катания;
FxL, R, FyL,R – про дольные и поперечные составляющие внешних сил, действующих со сторо ны подвешивания (справа R, слева L );
FzL, R FzL,)R FzL, R – вертикальные (0 d ( 0) d составляющие внешних сил: FzL,R – постоянная, FzL,R – динамическая до бавка;
* M l cos Mr A sin ;
tg / l r tg ;
D y sin / * A, d dy sin / * A 1 r M f11 / f 22 r l 2 r 2, Dz sin ML / *, d sin / * M f11 / f 22 r ltg A, d y tg / * M r cos l sin A cos M sin Mg 2 f13l 2 / r / * / Mg FzR ) FzL0) – уточняющие коэффициенты;
(0 ( f ij - коэффициенты введенного симметричного тензора крипа. В уравнени ях (1) вместо крипа спина sp k / V предложено использовать проек цию линейного крипа в точке контакта на вертикальную ось:
z k R R c / V, и учтено, что производная тензора инерции колес ной пары по времени в подвижной системе координат не равна нулю. Отли чие критической скорости тележки с буксовым подвешиванием и жесткой рамой от полученной на нелинейной модели составило 13% в сравнении с 30% для традиционных уравнений (Д. Калкер, В. Гарг).
С использованием уравнений (1) построены математические модели движения группы из двух колесных пар, соединенных нежесткой в плане рамой и дополнительными межосевыми связями, и исследованы формы ко лебаний извилистого движения, позволившие вывести аналитические зави симости обобщенной изгибной и сдвиговой жесткости тележки:
1 b K x K ~ ~ K b 2c x b 2 K b 2 Ks, K s (2) 2a K b K x 2a 2 c y C 2C x c x K где K x – приведенная продольная и угловая, 2a 2 c y C 2c x C x жесткость тележки;
c x, c y – продольная и поперечная жесткость первой сту пени подвешивания;
C x, C – продольная и угловая жесткость второй сту пени подвешивания;
2b – расстояние между осями подвешивания;
2a – ба ~~ за тележки;
K s, K b – сдвиговая и изгибная жесткости, обеспечиваемые ра ботой межосевых связей. Для жесткой рамы C x, C, уравнения (2) совпадают с известными уравнениями А. Викенса и Г. Шеффеля.
Полученные многовариантными расчетами зависимости критической скорости и фактора износа колес в кривой от изгибной и сдвиговой жестко сти (рис. 4, 5) позволили рекомендовать исходные диапазоны и последова тельность ИИМ выбора параметров подвешивания трехэлементной тележки для конструкционной скорости 120 км/ч:
для снижения износа колес изгибная жесткость выбирается из диапазона 3..10 МНм/рад, чему соответствует продольная жесткость первой ступе ни подвешивания 1,5..5,0 МН/м, которая подлежит уточнению на функ циональной модели движения вагона в кривой;
сдвиговая жесткость выбирается превышающей 0,5 МН/м, чему соответ ствует поперечная жесткость 1,2..4,0 МН/м для первой ступени подвеши вания, угловая жесткость 1,5..3,0 МНм/рад для центрального подвешива ния. Далее эти параметры и соответствующие нелинейные характеристи ки должны уточняться на линеаризованных и нелинейных моделях дви жения вагона из условия достаточности критической скорости;
так как изгибная и сдвиговая жесткость не зависят от поперечной жестко сти центрального подвешивания, ее выбор на функциональной модели определяется обеспечением нормативных показателей ходовых качеств.
Рис. 5 Суммарный по колесам экипажа фак Рис. 4 Критическая скорость (м/с) как тор износа (Н) при движении в кривой функция изгибной и сдвиговой жесткости Закономерности влияния параметров связи тележки с кузовом вагона на устойчивость его движения, степень демпфирования форм колебаний и безопасность от схода с рельсов исследованы на разработанной модели движения вагона с упрощенным описанием подвешивания и заданием пол ных нелинейных силовых харак теристик связей пятник-подпятник и боковых скользунов (рис. 6). Ра циональная вертикальная жест кость скользуна по условию демпфирования формы колебаний боковой качки кузова порожнего вагона в прямой (рис. 7) составила не менее 2,5 МН/м, а по условию Рис. 6 Механическая схема элемента сухого достаточности коэффициента за трения, описывающего работу связи пятник подпятник и боковых скользунов паса устойчивости от схода с рельсов в кривой – не более 3,5 МН/м. Зависимости критической скорости от силовых характеристик скользуна в плане носили характер кривых с на сыщением: продольная жесткость должна составлять не менее 4,5 МН/м, а момент трения на поворот тележки под вагоном не более 22 кН·м.
В пятой главе ИИМ выбраны сило вые характеристики и конструктивные реше ния подвешивания в тележках с нежесткой в плане рамой.
Рис. 7 Зависимость коэффициента демпфирования боко Разработана ли вой качки (частота 0,7 Гц) от вертикальной жёсткости скользуна неаризованная модель качественного поведения вагона с 73 степенями свободы. Полученные мно говариантными расчетами зависимости критической скорости позволили выбрать рациональные диапазоны параметров: продольная жесткость упру гой связи колесной пары и боковой рамы не менее 2,5 МН/м, горизонталь ная жесткость центрального подвешивания не менее 1,8 МН/м для порожне го и 3,0 МН/м для груженого вагона;
угловая жесткость не менее 2,0 МН·м/рад. Подтверждено отсутствие влияния поперечной жесткости второй ступени подвешивания на критическую скорость.
В функциональной модели движения вагона (121 степеней свободы) учтены нелинейное описание контакта колеса и рельса, фрикционное взаи модействие клиньев с боковыми рамами и надрессорными балками, нели нейная упругая характеристика центрального подвешивания в вертикальном направлении, фрикционное взаимодействие кузова вагона с надрессорной балкой через боковые скользуны и плоский подпятник, ограничители упру гих перемещений в ступенях подвешивания. Сравнение показателей ходо вых качеств с нормативами позволило получить рациональные диапазоны параметров подвешивания:
поперечная жесткость первой ступени подвешивания не более 3,0 МН/м (по критериям устойчивости от схода с рельсов порожнего вагона и попе речного ускорения груженого вагона);
поперечная жесткость второй ступени подвешивания не более 4 МН/м под груженым вагоном и не более 2,5 МН/м под порожним (по критерию поперечного ускорения груженого и порожнего вагона);
продольная жесткость первой ступени подвешивания не более 5,0 МН/м (по критериям износа гребней колес).
Компонентные модели двух ва риантов полимерно-металлических амортизаторов буксового подвешива ния, шевронных и в форме сектора полого цилиндра (рис. 8), основанные на аналитическом вычислении жест кости слоев неметалла, позволили вы брать геометрию конструкции и мате риал, реализующие упругие характе ристики из рационального диапазона.
Для выявления влияния жестко сти накладок и геометрии клина на характеристику сопротивления тележ ки забеганию боковых рам, в предпо ложении, что поворот надрессорной балки относительно боковой рамы на угол осуществляется за счет опро кидывания клина вокруг вертикально Рис. 8 Расчетная схема а – пары шев- го ребра (рис. 9), обеспечиваемого де ронных амортизаторов, б – амортиза формацией накладок на наклонной тора из разных по ширине цилиндри ческих слоев полимера поверхности и подклиновых пружин, получена аналитическая зависимость:
если * 2Tq0 C 4cq0 / b, Fx (3) 2 * если * 2Tq0 (C 4cq0 ) C 2c z q0 tg / b, где T – сила на вертикальной поверхности клина от статической нагрузки;
2q0 – ширина вертикальной поверхности клина;
c – жесткость накладки на сжатие;
c z – вертикальная жесткость пружины под клином;
C – угловая жесткость комплекта пружин;
2b – расстояние между осями подвешивания;
– угол между наклонной поверхностью клина и горизонталью;
fT T f N N sin * – точка перелома характеристики по условию, что 2cq0 fT f N sin вертикальная компонента силы на наклонных поверхностях становится больше силы трения на вертикальной поверхности;
N – нормальная реак ция на наклонной поверхности клина;
f T, f N – коэффициент трения между клином и фрикционной планкой, клином и карманом надрессорной балки.
Анализ выражения (3) показал, что сопротив ление забеганию боковых рам в тележке возрастает в 7,5 раз при увеличении f N от 0 до 0,25;
в 1,8 раза при изменении угла клина от 45 до 55 градусов;
в 2,25 раза при росте ширины вертикальной поверх ности от 120 до 280 мм.
Рис. 9 Перемещение Для задания геометрии клина исследована на клиньев при повороте надрессорной балки груженность накладок в режимах движения в кри вой. Из квазистатического решения задачи равновесия в предположении по датливости наклонных поверхностей получены выражения величины, n, и положения, L p, действующей на них силы:
- при приложении продольной силы Fx к надрессорной балке Fx 1 f N tg 2 Ptg f N n 4 sin sin 1 f N (4) P H L p b cos 1 fT tg 1 fT tg a* tg fT c* N - при забегании боковых рам n cэкв q0 sin sin *, (5) Lp L / где P – реакция в пружине под клином;
– угол между наклонными по верхностями клина;
cэкв – жесткость накладки при приложении нагрузки в продольном направлении;
остальные обозначения см. (3) и рис. 10.
Геометрии клина, обеспечивающей наибольшую долговечность накла док, соответствует угол наклона к горизонтали 55о, угол между наклонными поверхностями не менее 120о, длина выступающей вниз от опорной поверх ности пружин вертикальной стенки не более 10 мм (рис. 11).
Рис. 10 Геометрические размеры клина Рис. 11 Рациональная геометрия клина В шестой главе с помощью ИИМ выбраны параметры и конструктив ные решения буксового подвешивания в тележке с жесткой рамой.
Разработана линеаризованная модель качественного поведения вагона с 77 степенями свободы. Установлено, что в зависимости от параметров под вешивания потеря устойчивости движения может происходить либо по форме колебаний боковой качки и виляния кузова (критическая скорость 25..40 м/с), либо по форме извилистого движения колесных пар (более 90 м/с). Рациональные диапазоны параметров предварительно выбраны та ким образом, чтобы потеря устойчивости происходила по второй форме:
вертикальная жесткость скользуна не менее 0,4 МН/м;
вертикальное демп фирование в подвешивании не менее 20 кН·с/м, поперечное не менее 50 кН·с/м;
продольная жесткость не менее 9,0 МН/м, поперечная не менее 5 МН/м для порожнего и не более 6 МН/м для груженого вагона.
С использованием функциональной модели (нелинейное описание кон такта колеса и рельса, подпятника и боковых скользунов, силовых характе ристик подвешивания) по результатам многовариантных с итерациями рас четов показателей ходовых качеств и их сравнения с нормативами получены рациональные диапазоны параметров подвешивания: динамический прогиб бокового скользуна 14..18 мм;
жесткость участков билинейной характери стики подвешивания в поперечном направлении первого – не более 1,0 МН/м, второго – 3,0..6,0 МН/м, положение точки перелома 10..12 мм;
продольная жесткость подвешивания 9,0..10,0 МН/м;
статическое поджатие боковых скользунов 70% веса порожнего кузова.
Далее разработаны компонентные модели четырех вариантов конст рукции буксового подвешивания (рис. 12), позволившие оценить реализуе мые продольную и поперечную упругую характеристики, коэффициенты относительного трения.
а) б) в) г) Рис. 12 Буксовое подвешивание: а – с поводковой направляющей и гидравлическим гасителем, б – с рычажным фрикционным гасителем, в – с клиновым фрикционным гасителем, г – с резинометаллическими направляющими и гидравлическим гасителем В модели клинового гасителя колебаний при перемещении буксы в продольном направлении, x, установлена зависимость силы сопротивления:
F F z, a ~ x, c (6) x x0 z x ;
c1z k 1 sin 2 k 2 cos 2 z 1 k 2 sin cos a z где Fx 0 z, a z c1z - вер 1 k cos 22 4k 2 sin тикальная жесткость пары подклиновых пружин;
z - прогиб рессорного комплекта в вертикальном направлении;
a z - завышение клиньев;
- угол наклона клина к горизонтали;
k - коэффициент трения на поверхности кон c1z 1 k 2 sin такта клина и корпуса буксы;
~x c.
1 k cos 4k 22 2 2 sin Выбор конструктивной схемы подвешивания осуществлялся по реали зуемым номинальным силовым характеристикам и их возможному разбросу в процессе эксплуатации (рис. 13). Рациональной была признана схема с ре зинометаллическими направляющими.
В седьмой главе выполнена экспериментальная проверка ходовых ка честв вагона и отработаны выбранные ИИМ конструктивные решения под вешивания тележек с нежесткой в плане рамой моделей 18-1711 (МЗТМ) и 18-9750 (ПГУПС).
а) а) Схема подвешивания б) б) в) в) г) г) Второй Первый д) д) участок участок 0 30 10 20 0 2 4 6 Продольная жесткость, МН/м Поперечная жесткость билиней ной характеристики, МН/м Рис. 13 Продольная и поперечная жесткость, реализуемая буксовым подвешиванием: а – с резинометаллическими направляющими;
б – с клиновым гасителем;
в – с рычажным гасителем;
г – с поводковой направляющей;
д - рациональная Ходовыми динамическими испытаниями подтверждены преимущества тележек с упругой связью колесных пар с боковыми рамами и пространст венной конфигурацией клиньев перед традиционной (рис. 14):
повышение безопасности движения – коэффициент запаса устойчивости от схода с рельсов для груженого вагона увеличился в 1,5 раза;
вероят ность схода с рельсов порожнего вагона снизилась почти в 3 раза;
снижение нагруженности боковой рамы – коэффициент вертикальной ди намики уменьшился в 1,5 раза;
рамная сила – в 1,5..2,0 раза;
снижение воздействия вагона на путь – динамические силы, действующие от колеса на рельс, снизились в 1,5..3,0 раза.
Сопоставление результатов расчета показателей ходовых качеств на функциональной модели с испытаниями подтвердило ее достоверность:
максимальное расхождение по рамной силе не более 11 %, по коэффициен ту вертикальной динамики не более 12 %.
Рис. 14 Сравнение а – вероятности, что коэффициент запаса устойчивости от схода с рельсов порожнего вагона меньше 1,3;
б – рамной силы в груженом вагоне Экспериментально показано, что выбранные ИИМ полимерно металлические амортизаторы упругой связи колесных пар с боковыми ра мами реализуют рациональные силовые характеристики и обладают доста точной прочностью и долговечностью:
по результатам стендовых испытаний определены упругие характеристи ки, попавшие в рациональный диапазон, максимальное отклонение кото рых от расчетных не превысило 13% для шевронных амортизаторов и 15% для амортизаторов в форме сектора полого цилиндра;
при ходовых испытаниях измерены относительные перемещения между адаптером и боковой рамой и определены эквивалентные амплитуды де формации: 3% в вертикальном и 8% в горизонтальном направлении;
разработана методика и проведены усталостные испытания, по результа там которых установлены пределы выносливости и показатели степени в уравнении кривой усталости в деформациях (18% и 4 в горизонтальном направлении;
7% и 3 в вертикальном);
по результатам ресурсных испытаний пробег амортизаторов в эксплуата ции до появления повреждений составил 652 тыс. км, что превышает пла нируемый пробег между деповскими ремонтами 500 тыс. км.
Для обеспечения рациональных силовых характеристик центрального подвешивания, прочности и долговечности фрикционных клиньев, выпол нена их расчетно-экспериментальная отработка:
по результатам стендовых испытаний определена характеристика сопро тивления тележки забеганию боковых рам (рис. 15), отклонение которой от расчетной не превысило 15%, и выявлена необходимость повышения сопротивления забеганию под порожним вагоном и жесткости накладок;
по результатам подъемки вагона определен коэффициент относительного трения для новых и изношенных клиньев, отклонение которого от рас четного не превысило 15%, и выявлена необходимость для его повыше ния изготавливать клин из чугуна и увеличить его угол наклона к гори зонтали до 55 градусов;
при пробеговых испытаниях получены повреждения в верхней части на кладок от действия сжимающих нагрузок, что совпало с результатами оценки распределения давления по наклонной поверхности на модели и показало необходимость изменения материала и формы накладок;
Груженый вагон Порожний вагон 1. Сила, 10 кН Сила, 10 кН расчет 1 расчет эксперимент 0. эксперимент 0 10 30 40 50 60 70 80 20 30 60 40 50 80 90 110 20 0 Перемещение, мм Перемещение, мм Рис. 15 Характеристика сопротивления подвешивания тележки забеганию боковых рам экспериментальные угол поворота надрессорной балки относительно бо ковой рамы и продольная сила, действующая в подвешивании, использо ваны для определения размаха деформации в верхней части накладки (12,8% для материала твердостью 65 ShA, 8,2% для твердости 90 ShA);
по результатам ресурсных испытаний выбраны материалы, обеспечи вающие пробег между ремонтами 500 тыс. км.
В восьмой главе выполнена экспериментальная проверка ходовых ка честв вагона на тележках модели Р 25.120 (Ижорские заводы), реализующих буксовое подвешивание с резинометаллическими направляющими, выявле ны причины их несоответствия нормативным и разработаны рекомендации по совершенствованию подвешивания.
Испытаниями по проверке фактических упругих характеристик подве шивания выявлено их несоответствие рациональным: продольная жесткость превышала рекомендованную в 2,9..3,2 раза, поперечная характеристика выполнена линейной, а не билинейной, с жесткостью в 4,5..5,0 раз превы шающей рекомендованную для первой ступени.
Сравнением показателей ходовых качеств, полученных на функцио нальной модели и в результате натурного эксперимента, с нормативами по казана недостаточность критической скорости груженого вагона (97 км/ч в расчете и 100 км/ч в испытаниях) и превышение допускаемых уровней рам ной силой и поперечным ускорением (расхождение расчета и испытаний не более 15%), чем подтверждена необходимость изменения жесткости подве шивания в плане.
Поскольку после определения свойств полимера в направляющих рас хождение между расчетными и фактическими силовыми характеристиками не превысило 15%, рекомендовано реализовать билинейную характеристику в поперечном направлении за счет зазора 10..12 мм между направляющей и буксой, для снижения продольной жесткости выполнить отверстия в слоях полимера.
Расчет ходовых качеств вагона на тележках модели Р 25.120 с изменен ными характеристиками резинометаллических направляющих показал дос таточность предложенных мер для обеспечения нормативных показателей ходовых качеств: критическая скорость 130 км/ч, снижение ускорений кузо ва и коэффициента вертикальной динамики в 2,0..2,3 раза, а рамной силы в 3,5 раза по сравнению с тележкой модели 18-100.
Основные результаты и выводы: В работе изложен иерархически итерационный метод для исследования влияния на показатели ходовых ка честв и выбора параметров силовых характеристик и конструктивных ре шений подвешивания тележек грузовых вагонов, интегрированный в ком плексную методику проектирования ходовых частей:
1. В рамках первого этапа методики разработаны альтернативные конструк тивные схемы тележек грузовых вагонов:
предложено разделение конструктивных признаков тележек по уровням, в основу которого положен принцип синтеза расчетной схемы вагона для исследования его динамического поведения;
статистическим анализом показано, что конструктивные схемы тележек с жесткой в плане рамой и одноступенчатым буксовым подвешиванием и с нежесткой в плане рамой являются работоспособными как для увеличения осевых нагрузок, так и для повышения скоростей движения;
установлены особенности схем буксового подвешивания и боковых скользунов тележек с жесткой рамой, которые необходимо учитывать при выборе параметров и конструктивных решений узлов;
установлены особенности и предложена классификация схем подвешивания тележек с нежесткой в плане рамой, в которой объединение тележек в группы произведено по реализуемой критической скорости потери устойчивости движения вагона на основе ее зависимости от величины сдвиговой жесткости тележки.
2. На втором этапе выполнен предварительный отбор конструктивных схем тележек на основе анализа экономической и технической ситуации, сло жившейся на российских железных дорогах:
показано, что в качестве базового варианта тележки для осевой нагрузки 25 т и конструкционной скорости 120 км/ч может использоваться как тележка с жесткой рамой и буксовым подвешиванием, так и тележка с нежесткой в плане трехэлементной рамой, горизонтально-упругой первой ступенью подвешивания и повышенным сопротивлением забеганию боковых рам;
предложен типаж тележек с нежесткой в плане рамой, где конструкция для увеличенной осевой нагрузки получается дооборудованием базовой скользунами постоянного контакта, а для повышенных скоростей движения – дополнительными межосевыми связями.
3. На основе введенной классификации математических моделей рельсовых экипажей разработан иерархически-итерационный метод (ИИМ) выбора параметров и конструктивных решений подвешивания тележек, где:
на первом уровне фундаментальных моделей, устанавливаются общие закономерности связи силовых характеристик подвешивания экипажа с показателями его ходовых качеств, которые используются для обоснования последовательности и критериев выбора параметров на следующих уровнях;
уровни качественных, функциональных, компонентно-ориентированных моделей и моделей компонентов построены таким образом, что каждый более высокий уровень позволяет выбирать новые параметры (которых не было в моделях предыдущего уровня) или уточнять параметры, для которых на предыдущем уровне был выбран рациональный диапазон.
4. Для обоснования последовательности выбора и предварительной оценки рациональных диапазонов параметров подвешивания тележек, уточнены модели движения рельсовых экипажей, устанавливающие физический смысл взаимосвязи силовых характеристик подвешивания и ходовых ка честв вагона:
с использованием модели движения колесной пары по рельсам установлено влияние коничности, расстояния между кругами катания, скорости движения на формы колебаний тележки;
с использованием модели движения группы из двух колесных пар установлены графические зависимости критической скорости и фактора износа от изгибной и сдвиговой жесткости тележки, позволившие сформулировать принцип выбора параметров подвешивания в плане, обеспечивающих устойчивость движения вагона в прямой и близкую к радиальной установку колесных пар в кривых;
с использованием модели движения группы из двух колесных пар, соединенных нежесткой рамой и дополнительными межосевыми связями, выявлены особенности форм колебаний тележки в плане и получены выражения изгибной и сдвиговой жесткости через параметры подвешивания, позволившие предварительно задать диапазоны поиска их рациональных значений и обосновать последовательность выбора ИИМ;
с использованием моделей движения вагона, установленного на тележках с нежесткой в плане рамой через описанные фрикционными элементами плоский подпятник и боковые скользуны постоянного контакта, установлено влияние их параметров на демпфирование форм колебаний, критическую скорость и безопасность движения для различных массовых моментов инерции кузова относительно продольной оси.
5. Иерархически-итерационным методом выбраны параметры и конструк тивные решения подвешивания тележки с упругими связями боковых рам с колесными парами и центральным подвешиванием с фрикционным кли новым гасителем колебаний:
с использованием модели качественного поведения определены рациональные диапазоны параметров подвешивания, обеспечивающие устойчивость движения со скоростями до 130 км/ч;
с использованием функциональной модели уточнены рациональные параметры подвешивания, обеспечивающие устойчивость, нормативные показатели ходовых качеств и безопасности движения, а также движение в кривых с минимальными углами набегания колес на рельсы;
с использованием компонентных моделей полимерно-металлических шевронных амортизаторов и амортизаторов в форме сектора полого цилиндра, выбраны конструкции упругой связи колесной пары с боковой рамой, реализующие жесткости, лежащие в рациональном диапазоне;
с использованием компонентных моделей подвешивания с фрикционным клиновым гасителем колебаний показано, что рациональное сопротивление тележки забеганию боковых рам и долговечность конструкции обеспечиваются фрикционным клином как с пространственной, так и с плоской наклонной поверхностью при изготовлении из чугуна с углом 55 градусов к горизонтали.
6. Иерархически-итерационным методом выбраны параметры и конструк тивное решение одноступенчатого буксового подвешивания тележки с жесткой рамой:
с использованием модели качественного поведения вагона определены рациональные диапазоны параметров подвешивания и скользунов, обеспечивающие достаточную критическую скорость и демпфирование форм колебаний;
с использованием функциональной модели движения вагона уточнены рациональные нелинейные характеристики подвешивания и боковых скользунов, обеспечивающие нормативные показатели ходовых качеств и безопасности движения в прямых и кривых участка пути;
с использованием компонентных моделей оценены номинальные значения и разброс силовых характеристик, реализуемые четырьмя конструктивными схемами подвешивания: с фрикционным рычажным и клиновым гасителями колебаний, с поводковой и с резинометаллическими направляющими, из которых выбрана последняя.
7. Выполнена экспериментальная проверка ходовых качеств вагона и отра ботаны выбранные ИИМ конструктивные схемы упругой связи колесных пар с боковыми рамами и билинейного центрального подвешивания с пространственной конфигурацией фрикционных клиньев:
ходовыми динамическими испытаниями подтверждены преимущества предложенной конструктивной схемы тележки перед традиционной, заключающиеся в улучшении безопасности движения, снижении динамической нагруженности боковых рам и воздействия на путь;
проведены испытания полиуретано-металлических амортизаторов упругой связи колесной пары с боковой рамой, подтвердившие их прочность и упругие характеристики при статическом нагружении, а также ресурс на пробег между плановыми видами ремонта вагонов на основании экспериментальной кривой усталости и измеренных деформаций при движении вагона;
проведена экспериментальная отработка и предложена усовершенствованная конструкция фрикционного клина, основанная на результатах испытаний по определению сопротивления тележки забеганию боковых рам, коэффициента относительного трения, нагруженности и ресурса полимерных накладок при движении в кривых.
8. Выполнена экспериментальная проверка ходовых качеств вагона и даны рекомендации по совершенствованию буксового подвешивания с резино металлическими направляющими в тележке с жесткой рамой:
по результатам стендовых испытаний и испытаний по сбросу вагона с клиньев определены реализованные характеристики подвешивания тележки, и установлено их значительное отклонение от рекомендованных рациональных значений;
ходовыми динамическими испытаниями и по результатам расчета показателей ходовых качеств подтверждено негативное влияние отклонения параметров от рациональных;
по результатам сравнения расчетных и экспериментальных показателей даны рекомендации по доработке конструкции подвешивания.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
Во включенных в перечень установленных ВАК ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:
1. Орлова А.М. Иерархически-итерационный метод выбора параметров си ловых характеристик и конструктивных решений подвешивания тележек грузовых вагонов // Транспорт Урала, №2(17), 2008. – с. 35-42.
2. Бубнов В.М., Бороненко Ю.П., Орлова А.М., Рудакова Е.А. Новая те лежка для грузовых вагонов // Железные дороги мира, №7, 2005. – с. 45-48.
3. Бороненко Ю.П., Орлова А.М. Опыт проектирования трехэлементных тележек // Железнодорожный транспорт, №5, 2006. – с. 58-62.
4. Орлова А.М., Артамонов Е.И. Влияние параметров, характеризующих состояние тележек грузовых вагонов, на боковой износ гребней колес // Транспорт Урала, №3 (18), 2008. – с. 36-40.
5. Орлова А.М. Сравнение вариантов модернизации тележек грузовых ва гонов по техническим и экономическим параметрам // Транспорт Урала, № (18), 2008. – с. 31-35.
6. Бороненко Ю.П., Орлова А.М. Тележки с повышенной осевой нагрузкой // Железнодорожный транспорт, №10, 2008. – с. 50-53.
7. Boronenko Yu., Orlova A., Rudakova E. Influence of construction schemes and parameters of three-piece freight bogies on wagon stability, ride and curving qualities (Влияние конструктивных схем и параметров трехэлементных гру зовых тележек на устойчивость, качества хода и вписывания вагона в кри вые) // Vehicle System Dynamics, Vol.44, 2006. – p. 402-414.
8. Orlova A., Romen Yu. Refining the wedge friction damper of three-piece freight bogies (Совершенствование клинового фрикционного гасителя коле баний для трехэлементных грузовых тележек) // Vehicle System Dynamics, Vol.46, Issue 1&2, 2008. – p. 445-455.
Патенты на изобретения и полезные модели:
9. Бороненко Ю.П., Орлова А.М., Рудакова Е.А. Двухосная тележка с кли новым гасителем колебаний для грузового вагона // Патент на полезную мо дель №67043 от 19.02.2007 г. Опубл. 10.10.2007 Бюл. № 10. Волков В.А., Чепурной А.Д., Бубнов В.М., Тусиков Е.К., Сокирко Б.Н., Котенко П.Н., Бороненко Ю.П., Орлова А.М., Рудакова Е.А., Васильев С.Г., Державец Ю.А., Аношин Г.В. Тележка двухосная для грузовых вагонов // Патент № 2 275 308 от 22.06.2004 г. Опубл. 27.04.2004 Бюл. №12.
11. Бороненко Ю.П., Орлова А.М., Рудакова Е.А. Двухосная тележка грузо вого вагона с упругой связью колесной пары и боковой рамы // Патент на полезную модель № 60 908 от 22.11.2006 г. Опубл. 10.02.2007 Бюл. №4.
Другие публикации:
12. Бороненко Ю.П., Орлова А.М. Обобщение накопленного опыта проек тирования тележек грузовых вагонов для создания их типоразмерного ряда // Вісник ДНУЖТ імені академіка В. Лазаряна. – Вип. 5. – Д: ДНУЖТ, 2004.
– с. 25-30.
13. Бороненко Ю.П., Бубнов В.М., Орлова А.М., Рудакова Е.А. Создание те лежки с самоцентрирующимися колесными парами на базе трехэлементной рамы // Сб. науч. статей Подвижной состав 21 века: идеи, требования, про екты. – СПб: ПГУПС, 2005. – с. 27-32.
14. Orlova, A., Boronenko, Yu. The anatomy of railway vehicle running gear // In: Handbook of railway vehicle dynamics. (Анатомия ходовых частей желез нодорожных экипажей // В: Учебник по динамике рельсовых экипажей) Ed.
S. Iwnicki. ISBN-13: 978-0-8493-3321-7. – CRC Press, Taylor & Francis Group, 2006. – p. 39-84.
15. Орлова А.М. Выбор рациональных параметров и конструктивной схемы тележки с буксовым подвешиванием // Сб. науч. статей Подвижной состав 21 века: идеи, требования, проекты. СПб: ПГУПС, 2003. – с. 61-71.
16. Орлова А.М. Обоснование возможности реализации рациональной гори зонтальной жесткости тележки трехэлементной конструкции // Вісник ДНУЖТ імені академіка В. Лазаряна. – Вип. 5. – Д: ДНУЖТ, 2004. – с. 157 162.
17. Бороненко Ю.П., Орлова А.М., Рудакова Е.А., Васильев С.Г., Аношин Г.В. Экспериментально-теоретические исследования надежности полиуре тановых упругих элементов в соединении «букса-рама» тележек грузовых вагонов // Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте.
Труды VI межд. науч.-техн. конф. - СПб: ПГУПС, 2004.- с. 71-77.
18. Соловьев В.М., Губарев Ю.М., Орлова А.М. Расчетная и эксперимен тальная оценка ходовых качеств тележки грузового вагона с надбуксовым подвешиванием с осевой нагрузкой 25 т // Сб. науч. статей Подвижной со став 21 века: идеи, требования, проекты. - СПб: ПГУПС, 2003. – с. 46-53.
19. Бороненко Ю.П., Орлова А.М. Разработка тележек грузовых вагонов с осевой нагрузкой 30 т // Сб. науч. статей Подвижной состав 21 века: идеи, требования, проекты. - СПб: ПГУПС, 2007. – с. 5-12.
20. Орлова А.М., Рудакова Е.А. Усталостные испытания амортизаторов бук сового подвешивания тележек грузовых вагонов // Сб. науч. статей Под вижной состав 21 века: идеи, требования, проекты. - СПб: ПГУПС, 2007. – с. 77-81.
21. Бороненко Ю.П., Орлова А.М., Рудакова Е.А. Российские разработки те лежек грузовых вагонов нового поколения: в чем причины неудач и каковы перспективы? // Сб. докл. межд. конф. Развитие транспортного машино строения в России. - Щербинка, 2004. – с. 52-54.
22. Бороненко Ю.П., Орлова А.М. Тележка модели 18-9750 для грузовых ва гонов с осевой нагрузкой 25 т // Материалы I межд. науч.-практ. конф. Про блемы и перспективы развития грузового вагоностроения. - Екатеринбург Нижний Тагил, 2005. – с. 81-83.
23. Orlova A., Boronenko Yu., Scheffel H., Froling R., Kik W. Tuning von Gut erwagendrehgestellen durch Radsatzkopplungen (Совершенствование тележек грузовых вагонов с использованием межосевых связей) // ZEVrail Glasers Annalen – 126 Tagungsband SFT Graz 2002. - p. 270-282.