автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Снижение уровня крутильных колебаний валопроводов силовых трансмиссий универсальных тягово-энергетических модулей

Щербинин Юрий Павлович

СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОПРОВОДОВ СИЛОВЫХ ТРАНСМИССИЙ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ТЯГОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Щербинин Юрий Павлович

СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОПРОВОДОВ СИЛОВЫХ ТРАНСМИССИЙ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ТЯГОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ

05.22.07 — Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения (РГОТУПС)

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент

Дубровин Валентин Сергеевич

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор

Беляев Анатолий Ильич кандидат технических наук, доцент Назаренко Галина Степановна

Ведущая организация — Всероссийский научно-исследовательский

институт железнодорожного транспорта:

Защита состоится "22" июня 2004 года в 15 час. 00 мин. На заседании диссертационного совета Д 218.009.02 при Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения по адресу: 125993, Москва, Часовая ул., д.22/2. ауд. 344.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного открытого технического университета путей сообщения.

Автореферат разослан "_" мая 2004 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

И.А. Алейников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ДИССЕРТАЦИИ. Универсальные тяговые модули (УТМ) предназначены для: маневровых и вывозных работ на железнодорожных станциях и железнодорожных путях промышленных предприятий на маневровом режиме работы; транспортирования составов со скоростями до 80 км/час на поездном режиме работы; перемещения тяжелых несамоходных путевых машин со сверхнизкими длительными скоростями движения, от 50 метров в час до 1,5 км/час и одновременной выработки электрической, гидравлической или пневматической энергии для них.

По техническим и эксплуатационным условиям работы УТМ обладает следующими свойствами: имеет сравнительно небольшую неподрессоренную массу колесно-моторного блока; проходит кривые малого радиуса за счет малой базы тележек; имеет повышенный коэффициент тяги.

Тепловозы с такими характеристиками являются весьма перспективными для железных дорог России, а их применение на железнодорожных путях промышленных предприятий, строительстве и ремонте железных дорог совместно с тяжелыми путевыми машинами позволяет значительно повысить коэффициент использования локомотивов.

Отмеченные универсальные свойства этого локомотива достигаются при помощи силовой трансмиссии. Ее конструкция (рис. 1) состоит из раздаточного редуктора и двух карданных передач, соединяющих центральный вал редуктора с дизелем и тяговым

Рис. 1. Силовая трансмиссия универсального тягового модуля:

1— синхронный генератор; 2,5 — карданные валы; 3 — гидронасосы; 4 — раздаточный редуктор; 6 — дизель QST-30

синхронным генератором. К крайним валам редуктора присоединяются гидронасосы, компрессоры или другое вспомогательное оборудование.

Силовой привод универсального тягового модуля делает возможным создание многофункциональных локомотивов нового поколения для маневрово-вывозной работы на железнодорожных станциях или заводских путях, для совместной работы с тяжелыми несамоходными путевыми машинами и одновременного снабжения их энергией (электрической, гидравлической или пневматической). Это один из наиболее ответственных узлов, определяющих уровень надежности универсальных тягово-энергетических модулей, поскольку передает не менее 85% мощности дизеля.

Важным направлением совершенствования конструкций создаваемых универсальных тяговых модулей является предотвращение усталостных разрушений в деталях этих трансмиссий. Для решения этой задачи необходимо дальнейшее совершенствование методов расчета уровня динамических нагрузок в его тяговом приводе. Повышенные динамические нагрузки в силовой трансмиссии — это основная причина ее выхода из строя и внеплановых ремонтов локомотива, что приводит к существенным экономическим потерям. Ранее, в конструкторских бюро тепловозостроительных заводов, силовая трансмиссия УТМ рассчитывалась только с учетом статических нагрузок. В отечественной и зарубежной научно-технической литературе не изучены динамические свойства подобных силовых трансмиссий, не исследованы характерные для УТМ динамические нагрузки, возникающие в трансмиссии такого привода, при различных режимах его эксплуатации. Постоянная потребность в производстве этих тепловозов для промышленных предприятий и ремонта ж.д. пути в России вызывает необходимость создания более надежных УТМ; что заставляет разрабатывать методики расчета, учитывающие динамические нагрузки в новом силовом приводе универсального тягового модуля на этапе его проектирования в конструкторском бюро.

Достижение этой цели актуально для всех машиностроительных заводов России, выпускающих подвижной состав железных дорог.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является разработка методики расчета силовой трансмиссии универсального тяго-

вого модуля с учетом динамических нагрузок в зависимости от режимов эксплуатации этого локомотива. Для достижения этой цели в диссертационной работе решаются следующие задачи: определение параметров возмущений, действующих в валопроводе силовой трансмиссии; анализ уровня динамических нагрузок, возникающих в элементах силовой трансмиссии и разработка путей их снижения с использованием математических моделей; экспериментальное исследование динамической нагруженности ва-лопровода силовой трансмиссии; разработка рекомендаций по увеличению ее надежности; определение экономической эффективности, разработанной методики расчета динамических нагрузок в силовой трансмиссии универсального тягового модуля, при ее модернизации.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Решение поставленных задач выполнено с использованием теории нелинейных колебаний и методов математического моделирования динамических нагрузок, возникающих в валопроводе силовой трансмиссии. Для этого использовались результаты экспериментальных и аналитических исследований, выполненных автором по определению моментов инерции и жесткости деталей силовой трансмиссии, возмущающих и силовых параметров, действующих на нее, а также характерные эксплуатационные режимы работы УТМ.

При реализации разработанных математических моделей на ЭВМ, определены величины динамических нагрузок в деталях силовой трансмиссии на различных режимах эксплуатации тягового модуля. Характер полученных зависимостей динамических моментов в элементах валопровода трансмиссии в зависимости от режимов работы УТМ, подтвержден экспериментальными исследованиями.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработана научно-обоснованная методика определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой трансмиссии универсального локомотива в зависимости от условий его эксплуатации. Созданная методика определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в валопроводе силовой трансмиссии позволила найти эффективные пути снижения повышенных амплитуд крутильных колебаний в валопроводе этой передачи с учетом конструктивных, эксплуатационных и экономических факторов,

заключающиеся в замене приводного карданного вала на упругую муфту.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Использование, разработанной в диссертационной работе методики определения и прогнозирования величин динамических нагрузок в силовой трансмиссии, на локомотивостроительных заводах, дает возможность научно обоснованно уменьшить динамические нагрузки в этой передаче более чем в три раза, что повышает ее долговечность в эксплуатации не менее 6 раз. Это заметно снижает затраты на ре-монтно-восстановительные работы силового привода локомотивов и позволяет получить прибыль от использования модернизированного УТМ уже в первом году эксплуатации до 50 миллионов рублей.

Разработанная методика прогнозирования величины динамических нагрузок в трансмиссии новых тепловозов позволяет найти экономически обоснованные пути снижения повышенных динамических моментов уже в конструкторских бюро, занимающихся проектированием и модернизацией тяговых приводов универсальных маневровых и промышленных тепловозов.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты исследований, приведенные в диссертации, уже использованы при создании новых конструкций универсальных тяговых модулей, изготовляемых на Калужском заводе «Ремпутьмаш» филиале ОАО «РЖД», Людиновском и Камбарском тепловозостроительных заводах, Калужском заводе «Путьмаш».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации доложены, обсуждены и одобрены: первой и второй научно-практической конференциях Министерства путей сообщения РФ, Департамент пути и сооружений, ГУП Калужский з-д «Ремпутьмаш», 2001 и 2002 годах, заседанием кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» РГОТУПС в 2004 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано семь печатных работ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ: Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, приложения. Общий объем диссертации 143 страницы, включая 52 рисунка, 4 таблицы, список использованной литературы из 82 наименований и 42 страницы приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность работы, определена ее цель и намечена общая методология исследований, сформулированы основные направления решения поставленных задач.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ дается обзор источников литературы по эффективности работы тепловозов промышленного транспорта и универсальных тяговых модулей. Дается обоснование необходимости применения силовой трансмиссии в тяговой передаче этих локомотивов, которая предназначена для распределения мощности дизеля между генератором переменного тока, гидронасосами высокого давления или, если возникнет необходимость, компрессорами. Кинематически силовая трансмиссия связана с дизелем и синхронным генератором карданными валами. Вырабатываемый генератором трехфазный переменный ток поступает в выпрямительную установку, а далее к тяговым электродвигателям постоянного тока. Энергия высокого давления рабочей жидкости, полученная гидронасосами, потребляется исполнительными механизмами почти всех путевых машин, которые могут работать в едином комплексе с УТМ.

Методологической и теоретической основой исследований силовой трансмиссии тепловоза стали научные труды отечественных и зарубежных ученых в области тяговых передач локомотивов. Проблемам совершенствования конструкций, динамики, модернизации трансмиссий локомотивов, а также путям повышения их надежности, посвящены исследования ученых: д.т.н., профессоров И.А. Алейникова, А.И. Беляева, И.В. Бирюкова, А.В. Грищенко, В.И. Киселева, Г.С. Михальченко, В.В. Стреко-пытова, В.А Четвергова, А.С. Космодамианского, Ю.Е. Просфи-рова, профессоров, к.т.н. А.В. Рамлова, Н.М. Хуторянского, к.т.н., доцентов В.Д. Шарова, А.В. Скалина, В.Ф. Бухтеева, В.Е. Кононова, М.А. Ибрагимова, Ю.В. Емельянова, B.C. Руднева, Е.В. Ольшевского, С.Я. Френкеля и других ученых.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ разработана эквивалентная механическая модель крутильно-колеблющейся системы силовой трансмиссии, состоящая из масс с моментами инерции I1, соединенных между собой безинерционным валами с жесткостями (податливостями) С Приняты допущения малости сил трения и амплитуд колеблющих-

ся масс. Механическая расчетная модель силовой трансмиссии тя-гово-энергетического модуля представлена многомассовой разветвленной системой на рис. 2.

Основным возмущающим фактором, действующим на колебательную систему силового привода, является кинематические неравномерности углов поворота ведущего и ведомых валов карданного привода из-за неизбежных углов изломов его шарниров. Рассмотрены кинематические соотношения между углами поворота валов карданной передачи, состоящей из двух шарниров Кардана (рис. 3).

Получены кинематические зависимости между угловыми скоростями и ускорениями ведущего и ведомого валов в зависимости от величины углов излома шарниров и его угловой скорости в виде:

Рис. 2. Расчетная схема силовой трансмиссии УТМ

^ (р;а)= атсЩГге а + СОБ2 р

где а — угол поворота ведущего вала;

Р — угол излома шарниров карданного вала; ц — угол поворота ведомого вала; а — угловая скорость ведущего вала; |д — угловая скорость ведомого вала.

Аналитические зависимости изменения угловых скоростей ведущего и ведомого валов карданной передачи в зависимости от ее углов излома, используются при расчетах вынужденных крутильных колебаний трансмиссии на математической модели.

Определены зависимости момента дизеля и моментов синхронного генератора и гидронасосов высокого давления от частоты вращения их валов при различных условиях эксплуатации УТМ.

Аналитическими и экспериментальными методами найдены величины моментов инерции вращающихся масс и жесткостей валопровода силовой трансмиссии.

С учетом кинематики карданной передачи, получены дифференциальные уравнения движения механической системы, в виде уравнений Лагранжа второго рода.

Шарнир I

4 Ж «я

= '~Г~ С1 ■ (а ~ ф)+ С2 • [(б - ^ (р«а))' 3 (Р'а)}

ш

Л Л

(/5 + 5 (р.ц)2 • Ц + /6 ■ ^ • ^ М'<4 =

4 </г Ф

ш

/7 у=-к, .(у - М

йГ Ш

78'Т2 е = -Л/2-А:8~+С4-(е-е) Л Л

моменты инерции соответствующих вращающихся масс (/=1,2,..., 9);

Сп — жесткости соответствующих участков валопровода (« = 1,2,3,4); угол поворота вала дизеля;

угол поворота входного фланца первого карданного вала; у — угол поворота выходного фланца первого карданного вала; угол поворота центрального колеса редуктора; угол поворота входного фланца второго карданного вала; угол поворота выходного фланца второго карданного вала; угол поворота ротора электрогенератора; угол поворота ротора насоса правого; угол поворота ротора насоса левого;

кп — коэффициенты демпфирования;

Ыё — вращающий момент дизеля РБТ30;

Мз — момент электрогенератора ИСМБ; М2 и М4 — моменты гидронасосов высокого давления.

Проделанная работа позволила автору разработать методику определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой силовой трансмиссии универсального локомотива. Согласно этой методике на ЭВМ рассчитываются собственные частоты крутильных колебаний силовой трансмиссии как механической многомассовой системы. Расчетами установлено, что частоты вращения валопровода трансмиссии 762 об/мин (со = 79,8 рад/с) и 1745 (ю = 182,7 рад/с) являются резонансными частотами и попадают в рабочий диапазон вращения коленчатого вала дизеля (6001800 об/мин). Следовательно, в силовой передаче УТМ следует ожидать два резонанса в рабочем диапазоне вращения коленчатого вала дизеля, т.е. повышенных динамических нагрузок.

Расчеты вынужденных колебаний, с учетом возмущающих факторов и характерных режимов работы УТМ, позволили определить величину максимальных динамических моментов в исследуемом приводе. Эти динамические моменты превышают допустимые более чем в три раза на всех эксплуатационных режимах работы локомотива, что приводит к выходу приводного карданного вала из строя за 25-30 часов работы. Это подтверждается проведенными автором экспериментальными исследованиями и практикой эксплуатации тягово-энергетических модулей.

Анализ данных, полученных с помощью математической модели силового привода УТМ, определяет возможности снижения уровня динамических нагрузок в валопроводе силовой трансмиссии. Для этого необходимо изменить инерционные и жесткост-ные параметры колебательной системы таким образом, чтобы ее резонансные частоты, по возможности, не входили в рабочий диапазон частот вращения коленчатого вала дизеля. Уменьшить несоосность валов дизеля и раздаточного редуктора УТМ.

Применение в силовом карданном приводе упругой муфты вместо приводного карданного вала между дизелем и раздаточным редуктором реализует одновременно обе эти возможности (рис. 4).

Рис. 4. Схема модернизированной силовой трансмиссии с упругой муфтой:

1 — тяговый генератор; 2 — карданный вал; 3 — гидронасосы; 4 — раздаточный редуктор; 5 — упругая муфта; б — дизель

Применение упругой муфты позволило одновременно изменить приведенные моменты инерции и жесткости элементов многомассовой колебательной системы, что дало возможность вывести одну ее собственную частоту из рабочей зоны частот вращения привода, уменьшить несоосности валов дизеля и раздаточного редуктора. Эта модернизация трансмиссии позволила снизить динамические нагрузки в силовом приводе в 3,9 раз, что увеличило долговечность модернизированной силовой трансмиссии до 6 раз. Зависимость долговечности силовой трансмиссии в часах ее безотказной работы от нагружающего момента представлена на рис. 5.

Рис. 5. Среднее число оборотов валопровода без дефектов в функции крутящего момента

Для экспериментального определения динамических моментов в приводном и раздаточном карданных валах на их наружных участках наклеивались тензодатчики. С их помощью измерялись и фиксировались на светочувствительную ленту осциллографа характер изменения динамических моментов в исследуемых валах. Датчиком виброускорений измерялись уровни вибраций корпуса силовой передачи.

Одновременная запись на ленту контрольных величин осуществлялась с использованием осциллографа Н201, снабженного универсальной тензометрической установкой УТС-500 для усиления сигналов датчиков и магазина сопротивлений для масштабирования этих сигналов. Динамические нагрузки фиксировались при постоянных оборотах дизеля и постоянной нагрузке на вал дизеля. В качестве нагрузки для УТМ применялись два щебнео-чистительных комплекса ЩОМ, один из которых был оборудован гидроприводом рабочих органов, а другой — электроприводом. Испытания проводились в рабочем режиме на Калужской дистанции пути Московской ж.д. в летнее время. Требуемая величина нагрузки на генератор и гидронасосы задавалась изменением производительности щебнеочистительной машины и ее рабочей скоростью. В транспортном режиме нагрузка на УТМ создавалась прицепленным составом, состоящим из 18 платформ нагруженных щебнем. По величине затрачиваемой мощности на перемещение состава, подбиралась скорость его движения.

Сравнение величин динамического момента, полученных экспериментально с результатами аналитического расчета на математической модели, показывает их некоторое количественное расхождение, при достаточном качественном соответствии. Это объясняется не совсем полным учетом всех особенностей силовой передачи и ее диссипативных свойств. Дальнейшие исследования силовой передачи в эксплуатации позволят уточнить принятую расчетную схему карданного привода и получить более точные данные для дальнейшего совершенствования новых систем привода на заводе «Ремпутьмаш».

Расчеты экономической эффективности внедрения в производство методики определения и прогнозирования величины динамических нагрузок трансмиссии универсального локомотива показывают:

— УТМ с модернизированной силовой карданной передачей окупит все материальные затраты за 7-8 месяцев, а за 4 года его интенсивной эксплуатации УТМ чистая прибыль составит 200 млн. руб.;

— не модернизированный локомотив будет приносить прибыль только через 3,5 года эксплуатации, а величина прибыли существенно меньше модернизированного.

Выводы по диссертационной работе

1. Основным показателем, определяющим долговечность силовой трансмиссии локомотивов, является величина динамических нагрузок, действующих на ее валопровод, которые необходимо учитывать при проектировании подобных передач мощности.

2. Установлено, что на величины значений резонансных зон силовой трансмиссии влияют инерционные и жесткостные параметры трансмиссии и кинематические возмущения, зависящие от углов излома шарниров карданной передачи. Для не модернизированной трансмиссии установлено, что частоты вращения 762 и 1745 об/мин (79 и 183 рад/с) являются резонансными, они попадают в рабочий диапазон угловых скоростей работы дизеля, а одна из них близка к его постоянной частоте вращения. Это приводит к появлению двух зон повышенных значений динамического момента в валопроводе силового привода УТМ, что ограничивает его моторесурс до 30 часов эксплуатационной работы.

3. Расчеты показывают, что практически на всех эксплуатационных режимах работы УТМ динамические нагрузки в валопро-воде силовой трансмиссии превышают предельные более чем в три раза, а это значительно снижает ее долговечность.

4. Разработанная научно-обоснованная методика определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой трансмиссии универсального локомотива, позволяет найти рациональные пути снижения высоких динамических нагрузок в силовом карданном приводе с наименьшими экономическими затратами, а именно:

— подобрать оптимальные параметры упругой муфты в ва-лопроводе силовой трансмиссии;

— вывести одну резонансную частоту из диапазона рабочих частот вращения дизеля и отдалить ее от постоянной частоты вращения дизеля;

— снизить динамические нагрузки в валопроводе силовой трансмиссии более чем в три раза, что позволило увеличить ее долговечность в 6 раз по сравнению с не модернизированным вариантом.

5. Применение методики определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой трансмиссии универсального локомотива в зависимости от условий его эксплуатации позволяет получить прибыль от эксплуатации модернизированного УТМ только на ремонтных путевых работах, уже в первом году его эксплуатации до 50 миллионов рублей

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Дубровин B.C.,Новиков В.Н.,Щербинин Ю.П.,Гру-н и н Е.И. Тягово-энергетические модули специального подвижного состава и тенденции их развития / Путевые машины. Труды 1-й научно-практической конференции.: Мин-во путей сообщения РФ, Департамент пути и сооружений, ГУП Калужский з-д «Ремпутьмаш». — Калуга: Изд-во АКФ «Политоп», 2002. — С. 99-109.

2.Щербинин Ю.П.,Грунин Е.И.,Гапеев А.А.,Гороле-в и ч И.Е., Дубровин B.C., Новиков В.Н. Сравнительный анализ тяговых приводов колесных пар тягово-энергетических модулей (локомотивов) / Путевые машины. Труды 2-й научно-практической конференции. Т. 1, г.Калуга 21-26 августа 2002 г. Мин-во путей сообщения РФ, Департамент пути и сооружений. — Калуга: Изд-во АКФ «Политоп», 2002. — С. 213-230.

3.Щербинин Ю.П.,Доев B.C.,Доронин Ф.А.,Индей-кин А.В. Крутильные колебания карданного привода тягово-энерге-тического модуля / Путевые машины. Труды 2-й научно-практической конференции. Т. 1, г. Калуга 21-26 августа 2002 г. Мин-во путей сообщения РФ, Департамент пути и сооружений. — Калуга: Изд-во АКФ «Политоп», 2002. — С. 183-205.

4. Щербинин Ю.П.,Грунин Е.И.,Гапеев А.А.,Дубро-в и н B.C., Новиков В.Н. Особенности силовой трансмиссии универсального тягового модуля (УТМ). Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». — М.', 2003. — С. 164-171.

5.Щербинин Ю.П.,Грунин Е.И.,Гапеев А.А.,Дубровин B.C., Новиков В.Н. Экспериментальное исследование динамики кар-

данного привода универсального тягово модуля (УТМ). Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». — М., 2003. — С. 178-185.

6.Щербинин Ю.П.,Грунин Е.И.,Гапеев А.А.,Дубровин B.C., Новиков В.Н. Оценка экономической эффективности модернизации силовой трансмиссии УТМ. Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». — М., 2003. — С. 171-177.

7.Дубровин B.C.,Новиков В.Н.,Щербинин Ю.П.Совер-шенствование силовой трансмиссии универсального тягово-энергети-ческого модуля// «Наука и техника транспорта». — № 2. — 2004 (в печати).

ЩЕРБИНИН Юрий Павлович

СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОПРОВОДОВ СИЛОВЫХ ТРАНСМИССИЙ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ТЯГОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ

05.22.07 — Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Тип. зак. Изд. зак. 362 Тираж 100 экз.

Подписано в печать Гарнитура Times. Офсет

Усл. печ. л. 1,0 Формат 60х907'/16

Издательский центр РГОТУПСа, 125993, Москва, Часовая ул., 22/2

Типография РГОТУПСа, 125993, Москва, Часовая ул., 22/2

i - 8 9 7 lí

Введение.

1. Перспективные конструкции тяговых и силовых приводов маневровых и промышленных тепловозов.

1.1. Обзор научно-технических работ по динамике приводов локомотивов . 18 Основные выводы по 1 главе.

2. Методика исследования динамики силовых карданных приводов тяговых энергетических модулей.

2.1. Эквивалентная механическая модель силовой трансмиссии.

2.2.Возмущения, обусловленные углами излома карданной передачи.

2.3. Математическая модель силовой трансмиссии. Дифференциальные уравнения крутильных колебаний силовой трансмиссии.

2.4. Определение жесткости элементов силовой трансмиссии.

2.4.1. Экспериментальные методы определения жесткости коленчатого вала дизеля QST-30.

2.4.2. Экспериментальное определение жесткости приводного, раздаточного карданных валов и упругих муфт.

2.5. Оценка жесткости зубчатой передачи.

2.6. Основные характеристики силового и вспомогательного оборудования трансмиссии тягово-энергетического модуля

Из-за постоянного недофинансирования железнодорожного транспорта в 90-х годах на замену выбывающих основных фондов потребуется около 185 миллиардов рублей, которые нужно инвестировать в локомотивное хозяйство. Если этого не сделать, то к 2005 году 51 процент локомотивов превысит нормативный срок службы.[1]

Проблема модернизации локомотивного парка должна решаться созданием универсальных и надежных конструкций локомотивов. Для парка маневровых и промышленных тепловозов, который не уступает по численности магистральным тепловозам, один из перспективных путей является выпуск универсальных тяговых модулей (УТМ), мощностью 400 — 800 кВт и более[2]. Они предназначены для маневрово-вывозных работ, транспортирования и энергообеспечения путевых машин. Выпуск универсальных тяговых модулей организован на локомотивостроительных и заводах тяжелой путевой техники.

Актуальность исследования. Универсальные тяговые модули (УТМ) предназначены для: маневровых и вывозных работ на железнодорожных станциях и железнодорожных путях промышленных предприятий на маневровом режиме работы; транспортирования составов со скоростями до 80 км/час на поездном режиме работы; перемещения тяжелых несамоходных путевых машин со сверхнизкими длительными скоростями движения, от 50 метров в час до 1,5 км/час и одновременной выработки электрической, гидравлической или пневматической энергии для них.

По техническим и эксплуатационным условиям работы УТМ обладает следующими свойствами: имеет сравнительно небольшую неподрессоренную массу колесно-моторного блока; проходит кривые малого радиуса за счет малой базы тележек; имеет повышенный коэффициент тяги.

Тепловозы с такими характеристиками являются весьма перспективными для железных дорог России, а их применение на железнодорожных путях промышленных предприятий, строительстве и ремонте железных дорог совместно с тяжелыми путевыми машинами позволяет значительно повысить коэффициент использования локомотивов.

Целью диссертационной работы - является разработка методики расчета силовой трансмиссии универсального тягового модуля с учетом динамических нагрузок в зависимости от режимов эксплуатации этого s локомотива. Для достижения этой цели в диссертационной работе решаются следующие задачи: определение параметров возмущений, действующих в валопроводе силовой трансмиссии; анализ уровня динамических нагрузок, возникающих в элементах силовой трансмиссии и разработка путей их снижения с использованием математических моделей; экспериментальное исследование динамической нагруженности валопровода силовой трансмиссии; разработка рекомендаций по увеличению ее надежности; определение экономической эффективности, разработанной методики расчета динамических нагрузок в силовой трансмиссии универсального тягового модуля, при ее модернизации.

Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с использованием методов математического моделирования динамических нагрузок, возникающих в валопроводе силовой трансмиссии. Для этого использовались результаты экспериментальных и аналитических исследований, выполненных автором по определению моментов инерции и жесткости деталей силовой трансмиссии, возмущающих и силовых параметров, действующих на нее, а также характерные эксплуатационные режимы работы УТМ.

При реализации разработанных математических моделей на ЭВМ, определены величины динамических нагрузок в деталях силовой трансмиссии на различных режимах эксплуатации тягового модуля. Характер полученных зависимостей динамических моментов в элементах валопровода трансмиссии в зависимости от режимов работы УТМ, подтвержден экспериментальными исследованиями.

Научная новизна. Разработана научно-обоснованная методика определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой трансмиссии универсального локомотива в зависимости от условий его эксплуатации. Созданная методика определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в валопроводе силовой трансмиссии позволила найти эффективные пути снижения повышенных амплитуд крутильных колебаний в валопроводе этой передачи с учетом конструктивных, эксплуатационных и экономических факторов, заключающиеся в замене приводного карданного вала на упругую муфту.

Практическая ценность. Использование, разработанной в диссертационной работе методики определения и прогнозирования величин динамических нагрузок в силовой трансмиссии, на локомотивостроительных заводах, дает возможность научно обоснованно уменьшить динамические нагрузки в этой передаче более чем в три раза, что повышает ее долговечность в эксплуатации не менее 8 раз. Это заметно снижает затраты на ремонтно-восстановительные работы силового привода локомотивов и позволяет получить прибыль от использования модернизированного УТМ при работе со щебнеочистительным комплексом уже в первом году эксплуатации до 50 миллионов рублей.

Разработанная методика прогнозирования величины динамических нагрузок в трансмиссии новых тепловозов позволяет найти экономически обоснованные пути снижения повышенных динамических моментов уже в конструкторских бюро, занимающихся проектированием и модернизацией тяговых приводов универсальных маневровых и промышленных тепловозов.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, приведенные в диссертации, уже использованы при создании новых конструкций универсальных тяговых модулей, изготовляемых на Калужском заводе «Ремпутьмаш» филиале ОАО «РЖД», Людиновском и Камбарском тепловозостроительных заводах, Калужском заводе «Путьмаш».

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены, обсуждены и одобрены: первой и второй научно-практической конференциях Министерства путей сообщения РФ., Департамент пути и сооружений., ГУП Калужский з-д «Ремпутьмаш», 2001 и 2002 годах, заседанием кафедры "Локомотивы и локомотивное хозяйство" РГОТУПС, Техническим советом ВНИТИ в 2004г. Публикации. По результатам исследований опубликовано семь печатных работ.

Структура диссертации. В первом разделе в соответствии с целью работы проведен краткий обзор литературных данных, посвященных анализу конструкций существующих приводов колесных пар локомотивов, наиболее приемлемых для маневровых и промышленных тепловозов, а также универсальных тяговых модулей. Этот анализ показал, что одним из перспективных приводов является карданный привод колесных пар с электрической тяговой передачей мощности в особенности для тягово-энергетических модулей и маневрово-промышленных тепловозов промышленного транспорта. Однако, в отечественной и зарубежной научно-технической литературе нет данных по силовым карданным приводам, применяемым на тягово-энергетических модулях, не исследованы динамические нагрузки, возникающие в них при различных режимах эксплуатации и различных вариантах отбора мощности.

Во второй главе на основе уравнений Лагранжа второго рода разработана математическая модель карданного привода тягово-энергетической модуля, как многомассовой разветвленной механической системы. Получены зависимости возмущений, воздействующие на трансмиссию, а также значения ее жесткостных и инерционных параметров и основные характеристики силового и вспомогательного оборудования тягово-энергетической модуля. При помощи универсальной системы MathCAD разработана методика, позволяющая моделировать динамические процессы, происходящие в карданном тяговом приводе энергетической модуля.

В третьем разделе представлены результаты расчетов динамических, нагрузок в карданном тяговом приводе энергетической модуля их анализ и предложения по их снижению. Определен срок службы силового карданного привода тягово-энергетического модуля.

В четвертом разделе приведена программа и методика экспериментальных исследований опытной конструкции карданного привода, представлены результаты экспериментов и их сравнительный анализ, а также данные опытной эксплуатации модернизированного привода.

В пятой главе представлены результаты экономических исследований эффективности научных разработок автора, с учетом современных рыночных отношений в промышленности.

В заключении работы приведены основные выводы и предложения по работе, список научных трудов и приложения.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Основным показателем, определяющим долговечность силовой трансмиссии локомотивов, является величина динамических нагрузок, действующих на ее валопровод, которые необходимо учитывать при проектировании подобных передач мощности.

2. Установлено, что на величины значений резонансных зон силовой трансмиссии влияют инерционные и жесткостные параметры трансмиссии и кинематические возмущения, зависящие от углов излома шарниров карданной передачи. Для не модернизированной трансмиссии установлено, что частоты вращения 762 и 1745 об/мин (79 и 183 рад/с) являются резонансными, они попадают в рабочий диапазон угловых скоростей работы дизеля, а одна из них близка к его постоянной частоте вращения. Это приводит к появлению двух зон повышенных значений динамического момента в валопроводе силового привода УТМ, что ограничивает его моторесурс до 30 часов эксплуатационной работы.

3. Расчеты показывают, что практически на всех эксплуатационных режимах работы УТМ динамические нагрузки в валопроводе силовой трансмиссии превышают предельные более чем в три раза, а это значительно снижает ее долговечность.

4. Разработанная научно-обоснованная методика определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой трансмиссии универсального локомотива, позволяет найти рациональные пути снижения высоких динамических нагрузок в силовом карданном приводе с наименьшими экономическими затратами, а именно: подобрать оптимальные параметры упругой муфты в валопроводе силовой трансмиссии; вывести одну резонансную частоту из диапазона рабочих частот вращения дизеля и отдалить ее от постоянной частоты вращения дизеля; снизить динамические нагрузки в валопроводе силовой трансмиссии более чем в три раза, что позволило увеличить ее долговечность в 6 раз по сравнению с не модернизированным вариантом.

5. Применение методики определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой трансмиссии универсального локомотива в зависимости от условий его эксплуатации позволяет получить прибыль от эксплуатации модернизированного УТМ только на ремонтных путевых работах, уже в первом году его эксплуатации до 50 миллионов рублей

Основные выводы по работе.

1. Основным показателем, определяющим долговечность силовой трансмиссии локомотивов, является величина динамических нагрузок, действующих на ее валопровод, которые необходимо учитывать при проектировании подобных передач мощности.

2. Установлено, что на величины значений резонансных зон силовой трансмиссии влияют инерционные и жесткостные параметры трансмиссии и кинематические возмущения, зависящие от углов излома шарниров карданной передачи. Для не модернизированной трансмиссии установлено, что частоты вращения 762 и 1745 об/мин (79 и 183 рад/с) являются резонансными, они попадают в рабочий диапазон угловых скоростей работы дизеля, а одна из них близка к его постоянной частоте вращения. Это приводит к появлению двух зон повышенных значений динамического момента в валопроводе силового привода УТМ, что ограничивает его моторесурс до 30 часов эксплуатационной работы.

3. Расчеты показывают, что практически на всех эксплуатационных режимах работы УТМ динамические нагрузки в валопроводе силовой трансмиссии превышают предельные более чем в три раза, а это значительно снижает ее долговечность.

4. Разработанная научно-обоснованная методика определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой трансмиссии универсального локомотива, позволяет найти рациональные пути снижения высоких динамических нагрузок в силовом карданном приводе с наименьшими экономическими затратами, а именно: подобрать оптимальные параметры упругой муфты в валопроводе силовой трансмиссии; вывести одну резонансную частоту из диапазона рабочих частот вращения дизеля и отдалить ее от постоянной частоты вращения дизеля; снизить динамические нагрузки в валопроводе силовой трансмиссии более чем в три раза, что позволило увеличить ее долговечность в 6 раз по сравнению с не модернизированным вариантом.

5. Применение методики определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой трансмиссии универсального локомотива в зависимости от условий его эксплуатации позволяет получить прибыль от эксплуатации модернизированного УТМ только на ремонтных путевых работах, уже в первом году его эксплуатации до 50 миллионов рублей

1.«Реформа - это не самоцель, а единственный способ для отрасли выжить в условиях рынка» / Гудок №218(22522) 27 ноября 2001г.

2. Тепловозы маневровые и промышленные. Типы и основные параметры. ГОСТ 22339-77. Издание официальное. Государственный комитет СССР по стандартам

3. Министерство путей сообщения РФ, Департамент пути и сооружений, Из-во АКФ «Политоп» Калуга 2002г. .213 с.

4. Тепловоз ТЭМ7 / А.В. Балашов, И.И. Зеленов, Ю.М. Козлов и др.; Под ред. Г.С. Меликджанова,- М.: Транспорт, 1989.-295 с. ил.

5. Беляев А.И. Динамические свойства тяговых приводов тепловозов и возможности их улучшения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.:1979.- 43с.

6. Емельянов Ю.В. Исследование работы тепловозноготягового привода с упругими зубчатыми колесами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 1976.- 27с.

7. Тепловозы (конструкция, теория и расчет) под ред. Н.И.Панова. — М.:Машиностроение, 1976.-543с.

8. Повышение надежности колесно-моторного блока тепловозов. НИИИНФОРМТЯЖМАШ.5-76-11. М.: 1976-51с.

9. Иванов В.Н., Беляев А.И. Исследование динамики комбинированного тягового привода конструкции ВНИТИ и выбор его оптимальных параметров. Труды МИИТ. Вып.603, 1979, с.91-109.

10. Шацилло А.А. Тяговый привод для перспективных грузовых электровозов. Железнодорожный транспорт № 1, 1980, 16-19с.

11. В.П. Гриневич, О.В. Мягких Исследование тяговых и тормозных свойств тепловозов ТЭМ и ТГМ6 в зоне малых скоростей. Труды ВНИТИ. Выл.44.Коломна: 1976, 89-97с.

12. Исаев И.П., Кожакин А.Ф. Вероятностная оценка увеличения коэффициента сцепления локомотивов с групповым приводом колесных пар. Труды МИИТ. Вып.585, 1978, 3-12 с.

13. Бирюков И.В. Прогнозирование динамических свойств тяговых приводов электроподвижного состава. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.:, МИИТ: 1974,- 250с.

14. Собенин JI.А.,Сабуров Ф.Ф. Исследование вариантов карданного привода к осям колесных пар тепловоза. Труды ЛИИЖТ. Вып. 309, 1970, с.84-91.

15. Ольшевский Е.В. Исследование динамики осевого редуктора в системе группового карданного привода тепловозов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 1974.-25с.

16. Меликджанов Г.С. Разработка методов снижения динамической нагруженности и повышения надежности осевых редукторов тепловозов с групповым приводом. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Брянск.: 1981.- 27с.

17. Фокин И.Н. Исследование напряженного состояния и совершенствование конструкций рам тележек маневровых и маневрово-вывозных тепловозов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Брянск.: 1982.- 25с.

18. Дубровин B.C. Исследование динамики карданного привода тепловоза с тяговыми электродвигателями, работающими на общий редуктор. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 1982.- 27с.

19. Дубровин B.C., Ольшевский Е.В., Андронов М.М. Экспериментальное исследование динамики карданного вала. Труды МИИТ, вып. 634, 1979, 130-132с.

20. Павленко А.П. Некоторые вопросы механики тяговых карданных приводов современных локомотивов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Д., ЛИИЖТ: 1969,- 178с.

21. Зюбанов В.З. Повышение экономичности маневрово-промышленных тепловозов с гидропередачей. Актуальные проблемы и перспектива развития железнодорожного транспорта(Тезисы докладов второй межвузовской научно-методической конференции) РГОТУПС. М:.1997.

22. Бахолдин В.И. Исследование взаимодействия элементов группового привода тепловоза. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Д., ЛИИЖТ: 1979.- 23с.

23. Кононов В.Е. Исследование по повышению работоспособности тягового редуктора тепловоза 2ТЭ10Л. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 1971.- 173с.

24. Залит Н.И. Тепловозы промышленного транспорта (справочник).- М.: Транспорт, 1980- 365с.

25. Экспресс -информация. Локомотивы и вагоностроение №16 реф. 98, 1966, 17с.

26. Экспресс -информация. Локомотивы и вагоностроение №21 реф. 149, 1968,26с.

27. Путевые машины: Учебник для вузов ж.-д. Транс./ С.А. Соломонов, М.В. Попович, В.М. Бугаенко и др. Под ред. С.А. Соломонова.- М.: Желдориздат 2000- 756с.

28. Cummins Engine Company, Inc. Engine Data Sheet & Performance Curve. QST30. FR5181/Revision: 22-Jan-2001.

29. Сравнительные исследования энергетических показателей тепловозов ТЭМ12, ТГМ6, ТЭМ2 в условиях эксплуатации на металлургическом предприятии. Отчет НИР И-132-81, Коломна, ВНИТИ, 1981.

30. Исследования по повышению тягово-экономических качеств маневрово-промышленных тепловозов путем применения группового электромеханического привода. Отчет НИР И-46-82. Коломна, ВНИТИ, 1982.

31. Кожевников С.Н., Перфильев П.Д. Карданные передачи.- Киев.: Техника, 1978.-263с.

32. Гольд Б.В., Терсков Б.М. Карданы равных угловых скоростей.- М.: Машиностроение, 1967.-96с.

33. Глушакав С.В.ДПакин И.А., Хачиров Т.С. Математическое моделирование: Учебный курс/- Харьков: Фолио; М.: ООО «Издательство ACT», 2001.-524с.

34. В.П.Дьяконов, И.В.Абраменкова Mathcad 8 PRO в математике, физике и internet М.: «Нолидж», 2000.,512с. ил.

35. Дьяконов В. Mathcad 2001: специальный справочник.- СПб.: «Питер», 2002.-832с. ил.

36. Дьяконов В.П. Компьютерная математика. Теория и практика. М.:»Нолидж», 1999.-1296с. ил.

37. Кудрявцев Е.М. Mathcad 2000 PRO- М.:ДМК Пресс, 2001.- 576с.:ил.

38. Плис А.И., Сливина Н.А. Mathcad 2000 Математический практикум для экономистов и инженеров: Учебное пособие.- М.: Финансы и статистика, 2002.- 656с.: ил.

39. Кирьянов Д.В. Самоучитель Mathcad 11/- СПб.: БХВПетербург, 2003-560 с.:ил.

40. Дьяконов В.П. Компьютерная математика. Теория и практика. М.:»Нолидж», 1999.-1296с. ил.

41. Ж.Лагранж. Аналитическая механика, т.1. 594 стр. M.-JL: ГТТИ,1950

42. Ж.Лагранж. Аналитическая механика, т.2 440 стр. М.-Л.: ГТТИ,1950

43. Т.Леви-Чивита, У.Амальди Курс теоретической механики, т.2, ч.1 435 стр. М.: "ИЛ", 1951

44. Т.Леви-Чивита, У.Амальди Курс теоретической механики, т.2, ч.2 556 стр. М.: "ИЛ", 1951

45. Л.А.Парс Аналитическая динамика 636 стр. М.: "Наука", 1971

46. Я.В.Татаринов Лекции по классической динамике 295 стр. М.: Издательство МГУ, 1984

47. Г.Голдстейн Классическая механика 415 стр. М.: "Наука", 1975

48. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Наука, 1968,-558с.

49. Диментберг Ф.М., Шаталов К.Т., Гусаров А.А. Колебания машин.-М.: Машиностроение, 1964.- 308с.

50. Вибрация в технике: Справочник в 6-ти т./Ред В.Н.Челомей М.: Машиностроение, 1980. — т.З, Колебания машин, конструкций и их элементов. Под ред. Ф.М. Диментберга и К.С.Колесникова. 1980.- 544 с.

51. Фаворин М.В. Моменты инерции тел. -М.: Машиностроение, 1970. -312с.

52. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник.-2-е изд.дперераб. И доп.- М.: Машиностроение, 1980.-151 с. ил.

53. Динамические процессы в механизмах с зубчатыми передачами. Под ред. ГенкинаМ.Д., Айропетова Э.Л. -М.: Наука, 1976.-156с.

54. Марков А.Л. Измерение зубчатых колес. -Л.: Машиностроение, 1977.-280с.61 .Пьяновко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. -М.: Физматгиз, 1960. 193с.

55. Крайнев А.Ф. Механика машин. Фундаментальный словарь. 2-е издание, исправленное. М.: Машиностроение, 2001.- 904с., ил.

56. Волков Д.П., Крайнев А.Ф. Трансмиссии строительных и дорожных машин. Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1974, 424с.

57. Локомотивные энергетические установки: Учебник для вузов ж.-д. Трансп./ А.И.Володин, В.З. Зюбанов, В.Д. Кузьмич и др.; Под ред. А.И. Володина. М.: ИПК «Желдориздат», 2002.-718с.

58. Двигатели внутреннего сгорания: Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина. Т. 2. М.: Машиностроение, 1971,400с.

59. Двигатели внутреннего сгорания: Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина. Т. 3. М.: Машиностроение, 1971,400с.

60. Дизели. Справочник / Под ред. В.А. Ваншейдта. JL: Машиностроение, 1977. 480с.

61. Кузовлев В.А. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. М.: Высшая школа, 1975. 303с.

62. Теория двигателей внутреннего сгорания: Рабочие процессы / Под ред. Н.Х. Дьяченко. 2-е изд. Л.: Машиностроение, 1974. 551с.

63. Е.Е. Коссов, С.И. Сухопаров Оптимизация режимов работы тепловозных дизель-генераторов. М.: Труды ВНИИЖТ, Интекст, 1999. 183с.

64. Электродвигатель постоянного тока тяговый типа ЭД-118А. Технические условия ТУ 16-515.126.-77.

65. Электродвигатель постоянного тока тяговый типа ДК-213. Технические условия.

66. Компрессор ПК- 5,25. ТУ34-38-10946-85.

67. Электродвигатели постоянного тока П2К-УХЛ2 и 2П2К-УХЛ2. ТУ16.514.244-79.

68. Потурьев В.Н., Дырда В.Н. Резиновые детали машин. М.: Машиностроение, 1977.-216с.

69. Родзевич И.В., Авдеев С.П. Расчет долговечности подшипников карданных валов. Труды ВНИТИ, Вып. 49.: Коломна, 1979,82-90с.

70. Драксел Р. Основы электроизмерительной техники /Пер. с нем. Под ред. В.Ю. Кончаловского. -М.: Энергоиздат, 1982,-296с.

71. Риск-анализ инвестиционного проекта/ Под ред. М.В.Грачевой-М.: ЮНИТИ-ДАМА- 2001,- 351с.

72. Ендовицкий Д.А. Комплексный анализ и контроль инвестиционной деятельности: методология и практика/ Под ред.проф. JI.T. Гиляровской.-М.: «Финансы и статистика». 2001-400с.: ил.

73. Сергеев И.В., Веретенникова И.А., Яновский В.В. Организация и финансирование инвестиций. Изд. Второе перераб. И допол. М.: «Финансы и статистика». 2002.,399с.

74. Ендовицкий Д.А. Комплексный анализ и контроль инвестиционной деятельности: методология и практика/ Под ред.проф. Л.Т. Гиляровской.-М.: «Финансы и статистика». 2001-400с.: ил.