автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Унификация тележек грузовых локомотивов с использованием гидрогасителей

На правах рукописи УДК 629.424.1.053

АНКУДАВИЧУС Игорь Зигмович

УНИФИКАЦИЯ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ЛОКОМОТИВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОГАСИТЕЛЕЙ.

Специальность: 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог

и тяга поездов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент САПРЫКИН Леонид Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

ВАРАВА Владимир Иванович - кандидат технических наук, доцент ОСИПОВ Станислав Александрович

Ведущее предприятие - Служба локомотивного хозяйства

Октябрьской железной дороги

Защита состоится 24 декабря 1998 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Л 114.03.02 при Петербургском государственном университете путей сообщения (190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд.5-407).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Автореферат разослан

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Б.В.Рудаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Предстоящее увеличение скорости движения грузовых локомотивов до 120...140 км/ч вынуждает обратить особое внимание обеспечению безопасности движения при разных скоростях и предупреждению схода колесных пар с рельсов как в прямых, так и в кривых участках пути. Поэтому необходимо улучшение ходовых качеств локомотивов, которые определяются состоянием пути, скоростью движения, системой и параметрами рессорного подвешивания. С увеличением скоростей локомотивов предъявлено повышенное требование к ограничению амплитуд колебательных процессов.

В последнее время на железных дорогах как России, так и стран СНГ одним из важнейших вопросов является снижение износа бандажей колесных пар и рельсов при взаимодействии тягового подвижного состава и пути, особенно в кривых участках.

Изменение условий работы железнодорожного транспорта связанные с переходом к рыночной экономике и усилением конкуренции с автомобильным транспортом в период падения объемов перевозок, а также финансовые трудности требуют нового подхода к разработке и производству подвижного состава.

Очевидно, в период резкого снижения объемов перевозок ни железные дороги, ни предприятия собственники уже не могут сохранить прежние объемы средств направляемые на выпуск и ремонт подвижного состава. Трудности обеспечения рентабельности перевозок железнодорожным транспортом усугубляются тем, что на грузовые перевозки дополнительно накладываются расходы связанные с дотацией на пассажирские перевозки.

В этих условиях следует применить системный подход и нетри-

виальные пути в создании подвижного состава нового поколения и концентрироваться только на совершенствовании традиционно сложившихся типов грузового подвижного состава.

В соответствии с Федеральной программой по "Разработке и производству в России грузового подвижного состава нового поколения" (до 2010 года) рассматриваемая диссертационная работа направлена на уточнение взаимодействия локомотивов и пути для 2х и 4х-осных тележек тягового подвижного состава и снижение износа колесных пар с использованием гидравлических гасителей колебаний.

Решение этих вопросов приобретает особую актуальность в связи с ростом цен на энергоносители и стоимостью колесных пар, ростом трудозатрат на переточку бандажей и замену рельсов.

Цель работы состоит в унификации и выборе наиболее перспективных экипажных частей грузовых локомотивов, оценке математических моделей их взаимодействия с рельсами с учетом силы тяги и повышении ходовых качеств тягового подвижного состава.

Методика исследований. Использован комплексный подход к решению поставленных задач, включающий:

типизацию тележек грузовых локомотивов на основе систем упругого подвешивания и демпфирующих устройств; исследование математических моделей тележек с перераспределением нагрузок от колесных пар на рельсы; проведение оценки и аналитических расчетов в системе "колесо - рельс" с учетом и без учета сил тяги и торможения; разработку конструкции гасителя колебаний вязкого трения; оборудование опытного тепловоза и его испытания в условиях эксплуатации.

Научная новизна работы. В результате выполненных исследований:

- предложены анализ, унификация и типизация парка локомотивов по

схемам упругого подвешивания; обоснованы тенденции конструкций связей систем рессорного подвешивания;

- усовершенствован метод оценки взаимодействия локомотивов и- пути в кривых участках без учета силы тяги и силы торможения (общераспространенный приближенный метод);

- предложен метод оценки взаимодействия локомотивов и пути в кривых участках с учетом силы тяги и-силы торможения;

- разработаны основные направления исследований по улучшению взаимодействия локомотивов и пути в кривых участках;

- рекомендована рациональная конструкция тележечного гасителя колебаний;

Практическая ценность. В результате выполненных в диссертации исследований определены приоритетные направления по совершенствованию параметров экипажных частей локомотивов в зависимости от условий их эксплуатации, дан анализ методу Смирнова - Раевского - Королева, сформулированы требования (предположения) и предложен комплексный подход к исследованию взаимодействия локомотивов и пути в кривом участке. Определены критерии качества взаимодействия в зависимости от параметров рессорного подвешивания локомотивов и параметров пути в кривых. Показано, что: выбор и обоснование параметров рессорного подвешивания локомотивов необходимо проводить,на основе взаимодействия с рельсами с учетом силы тяги; для снижения интенсивности износа колесных пар и рельсов, и увеличения их сроков службы, необходима разработка ряда мероприятий - конструкционных, технологических и эксплуатационных. Дана сравнительная оценка предлагаемого метода взаимодействия колесных пар с рельсами с общераспространенным приближенным. Предложен механизм связи колесно-моторных блоков с рамой тележки.

Полученные результаты являются научной основой для выбора и обоснования параметров пути и экипажных частей по условиям взаимодействия с кривым участком.

Реализация' работы. В основу диссертационной работы положены разработки, выполненные в соответствии с Федеральной программой Министерства путей сообщений РФ.

С участием кафедры "Локомотивы и локомотивное хозяйство" Петербургского' государственного университета путей сообщения грузовые локомотивы ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭ127 с рекомендуемыми гидравлическими гасителями прошли стендовые и поездные испытания на магистральных путях Октябрьской и Южной железных дорог.

Апробация работы. Диссертационная работа, основные ее положения опубликованы в открытой печати, доложены, обсуждены и одобрены на:

- научно-технических конференциях ПГУПСа "Неделя ■■ науки" (1996...1998 г.г.);

- международном научно-практическом семинаре ПГУПСа "Совершенствование технических средств ж.д. транспорта" (1996 г.);

- международной научно-технической конференции Восточноукраинско-го государственного университета "Проблемы развития рельсового транспорта" (1998 г.);

- научно-технической конференции ПГУПСа "Автоматизация управления локомотивов и их систем" (1998г.);

- научно-технических семинарах и заседаниях кафедры "Локомотивы" (1997...1998 г.г.)

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5

глав, заключения, списка литературы и приложения. Материал диссертации изложен на 148 страницах машинописного.текста, содержит 3 таблицы и 12 рисунков, список литературы из 116 наименований, приложения на 20 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Бо введении обоснована актуальность темы исследований, определена ее цель и дана краткая характеристика- задач, стоящих перед транспортной наукой в.новых рыночных условиях. Значительный;вклад в разработку методов исследования взаимодействия подвижного сос-. тава и пути, а также улучшения динамических качеств сделан в трудах ученых: С.М.Андриевский, И.В.Бирюков, Ю.П.Вороненко, В.И.Ва-рава, М.Ф.Вериго, , .. Й.И-Галиев, А.Л.Голубенко, А. Де Патер,

A.С.Евстратов, О.П.Ершков, В.Н.Иванов,, И.П.Исаев, ,А.А.Камаев,

B.Н.Кашников, А.Я.Коган, К.П.Королев, :Е;П.,Корольков,' В,Д.Кузьмич,

C.М.Куценко, В.А.Лазарян, А.В.Липко-Парафиевский, В.Б.Медель, Т.Мюллер, С.А.Осипов, Н.Н.Овечников, А,П.Павленко, М.П.Пахомов, А.С.Раевский, Ю.С.Ромен, А.Н.Савоськин, С^И.Смирнов, М.М.Соколов, Т.А.Тибилов, Х.Хойман, К.Ю.Цеглинский, Г.Юбелянер и другие.

В первой главе выполнены анализ, унификация и типизация локомотивных тележек. Назначение тележек и их систематизация осуществлены по пяти признакам на базе российских и зарубежных локомотивов. В результате выполненных исследований получены следующие результаты: все многообразие схем и элементов рессорного подвешивания поддается анализу и унификации; в качестве рессорного подвешивания локомотивов наблюдаются тенденции использования пружин с гидрогасителями; наибольшее конструктивное воплощение в настоя-

щее время получили локомотивы, имеющие две ступени упругого подвешивания (хотя для грузового движения достаточно одной); запас устойчивости определяется границами, выраженными с помощью показателей, зависящих от параметров упругого подвешивания; наиболее перспективными в грузовом движении, являются локомотивы типа (20-20) И (2о+2о)-(2о+2о).

Во второй главе аналитически исследуются взаимодействия колесных пар локомотива с рельсами в кривых;-участках пути без учета силы тяги и силы торможения. Опасность схода:колес с рельсов возникает при достижении критических значений сил поперечного давления колес на рельсы. Силы взаимодействия колес локомотива с рельсами - сила поперечного давления колеса .на рельс и нагрузка от колеса на рельс до сих пор определяются весьма приближенно по упрощенным методам, основанным на многих допущениях. Среди них: силы действующие на локомотив расположены в.. одной плоскости головок рельсов; коэффициент трения колесами и рельсами 0,25 = = idem; силы тяги и торможения отсутствуют и другие допущения.

Опытные исследования силы поперечного давления и нагрузки от колеса на рельс производят при движении локомотивов с составом с заданной скоростью. Обеспечение движения поезда с заданной скоростью (V = idem) возможно только с включенными тяговыми электродвигателями (при езде на горизонтальных участках и на подъемах) или с включенными тормозами (при езде на спусках). Кроме того, силу поперечного давления колеса на рельс и нагрузку от колеса во время опытов определять непосредственно не удается. Поэтому исходные условия теоретических исследований взаимодействия колес локомотива в кривых участках пути значительно отличаются от соответствующих опытных. Федеральная программа требует обеспечения

большей безопасности движения грузовых локомотивов и вагонов при всех скоростях и в особенности с повышенными. В связи с этим, возникает необходимость уточнения теоретических исследований -

- создание нового, более совершенного метода исследования сил взаимодействия колес грузового локомотива с рельсами, пригодного для широкого диапазона скоростей.

Ранее силы поперечного давления колес локомотивов на рельсы в кривых участках пути определялись по общеизвестному упрощенному методу. В нем: не учитывали - силу тяги и торможения, упругость рессор и рельсов; принимали - статические нагрузки от колес на рельсы, расположение всех сил в плоскости пути, скольжение по рельсам с постоянным коэффициентом и другие. Основы этого метода для определения направляющих сил рельсов на гребни найегающх колес 2х и Зх-осных железнодорожных повозок в кривых участках пути впервые были предложены в России (метод Смирнова-Раевского-Королева) . Основные предположения метода: нагрузки от .колес на рельсы

- статические; локомотив движется в кривых участках пути один без состава по спуску, без силы тяги и торможения с установившейся скоростью; все силы, действующие на локомотив, лежат в одной плоскости; криволинейное движение локомотива состоит из двух движений - поступательного и вращательного; различие действительного и теоретического путей колес колесной пары компенсируется скольжением колес по рельсам; колесные пары имеют цилиндрические поверхности катания; поперечное упругое сжатие головки рельса определяется по формуле К.П.Королева; расчетная схема локомотива (или каждой его тележки) - пластинки с роликами, заменяющими гребни колес (без трения), на которую действуют - вертикальные силы тяжести в эквивалентных опорных точках колес на рельсы, силы трения

скольжения в тех же точках и поперечные направляющие силы рельсов на гребни набегающих колес, приложенные в соответствующих опорных точках. Все величины необходимые для расчетов и входящие в уравнения движения'тележек условно распределены на 2 группы: условно известные, определяемые заданием или по формуле связи и условно неизвестные, определяемые из уравнений движения и из уравнений связи. Среди них: условно известные величины^ параметры локомотива, определяемые его родом и типом; параметры рельсового пути, определяемые его типом; параметры, определяемые по формулам связи:

— величины поперечных сжатий головки наружного рельса передним

шах min

набегающим колесом для VHn и VCh :

eyij - ех ■ (0,50 + 0,35 • vuh) • (1 + ц* • V) , (1) о -1

где еж = Gkqji • (Сру) - параметр поперечного сжатия головки рельса; 2 -1 -1 ' ::: ■ vuh = V • (127Ro) - hH-(2Ьк) - безразмерное центростремительное ускорение; цв = О...0,005 - коэффициент, зависящий от колесных пар локомотивов, „тах н

для VHn в первом приближении еУи «0,5 • еж

,,min , Н ~ „г-

для VCH в первом приближении eyij »0,85 • еж

— полюсные расстояния всех колесных пар тележки (см. рис.);

— составляющие сил сцепления ("трения") колес с рельсами по осям координат и моменты их относительно осей колесных пар;

— наибольшие возможные граничные значения скоростей: максимальная скорость наибольшего перекоса тележки и минимальная скорость наибольшего сдвига тележки наружу колеи, определив их, соответствующие значения сжатий вычисляются по формуле (1); условно неиз^

вестные величины:. величины скорости движения локомотива, направляющей силы рельса на гребень набегающего;колёса1первой колесной пары тележки на головку наружного рельса; направляющей силы рельса на гребень набегающего колеса баднёй (второй или третьей) колесной пары тележки на головку внутреннего рельса, определяются из уравнений равновесия тележки; -величины, определяемые из уравнений связи: реактивная сила давления тележки на торец шейки колесной пары, сила поперечного давления колеса на рельс, сила поперечного сжатия головок рельЬов, перегрузка наружных рельсов от наружных колес колесной пары. '

Оценка взаимодействия колесных пар локомотива с рельсами в кривых участках пути с учетом_силы тяги и силы торможения включает следующие основные предположения: нагрузка от колес на релъсы-- переменная вследствие перегрузок и разгрузок, вызываемых продольными и поперечными моментами сил, действующих на локомотив;

локомотив движется в кривых участках пути при действии сил сопротивления состава на его сцепке и самого локомотива с включенными или выключенными двигателями и тормозами с переменной скоростью; все силы действующие на локомотив расположены в пространстве, в соответствующих местах; криволинейные движения локомотива и его частей состоит из Двух составляющих ("принудительного" движения, соответствующего фиксированному перемещению и "свободного" движения, соответствующего периодическим отклонениям (свободным и вынужденным колебаниям) от оси пути в пределах зазоров меаду гребнями колес и головками рельсов); различие действительного и теоретического путей колес катящейся колесной пары по рельсам в кривых компенсируется деформацией касательной ползучести (крипа) материалов контактных зон колес с рельсами (без скольжения); оси колесных пар и поверхности катания колес и рельсов в их контактных зонах - упругие; колесные пары имеют конусные поверхности катания и соприкасаются с головками в трех или двух контактных зонах (при набегании) ; : рельсовый путь - гладкий, без стыков, упругий в вертикальном и-поперечно-горизонтальном направлениях, имеет плавные -вертикальные неровности; расчетная схема локомотива состоит из секции локомотива (с двумя тележками) и рельсового пути. Кузов секции, рамы тележек и колесные пары - абсолютно твердые тела, сопряженные между йобой упругими связями, могущие перемещаться относительно друг друга и вилять относительно оси пути.

Затем приводим величины, необходимые для дальнейших расчетов: параметры локомотива, определяемые его родом и типом; параметры рельсового пути, определяемые его типом. Используя их, находим параметры определяемые по формулам связи. Так как, наиболее перспективными считаются 4х-осные и, созданные на их базе,

8ми-осные локомотивы, то дальнейшие исследования рассматриваются на базе выше упомянутых локомотивов.

Граничные значения характерных скоростей движения локомотива функционально связаны с величинами поперечных сжатий наружного рельса передними набегающими колесными парами тележек и с соответствующими углами набегания на этот рельс тех же колесных пар. Но значения углов набегания и поперечного сжатия головки рельса, зависящие от искомых скоростей, в начале расчета вообще неизвестны. Поэтому определение неизвестных скоростей возможно только методом последовательных приближений к действительности. Для этого по приближенным эмпирическим формулам определяют ориентировочные значения искомых скоростей и соответствующие значения углов набегания и поперечного сжатия головки рельса. Затем вычисляют уточненные значения скоростей и углов набегания. Такие повторные вычисления выполняют до тех пор, пока новые значения скоростей движения, поперечного сжатия головки рельса и углов набегания - будут отличаться от соответствующих значений предыдущего вычисления на величины не более 1%.

Для дальнейших исследований необходимо определить граничные значения скоростей движения локомотива в кривых участках пути для двух геометрически опорных положений тележек: 1) граничное значение наибольшей возможной скорости движения локомотива, соответствующее критическому состоянию положения наибольшего перекоса каждой тележки относительно рельсовой колеи; 2) граничное значение наименьшей возможной скоростью движения локомотива, соответствующее критическому состоянию положения' наибольшего сдвига наружу.

Имея граничные значения скоростей движения находим попереч-

ные сжатия головки наружного рельса в первом приближении:

н нп н сн

— в режиме тяги (еу;и) = 0,5 • еж; (еУи) = 0,85 • еж

н нп н он

— в режиме торможения (еУи) = 0,35 • еж; (еУ13) = 0,55 • еж

Определив граничные значения скоростей движения во втором приближении находим поперечные сжатия головки наружного рельса передним набегающим колесом по рекомендуемой формуле:

еУ1а = еж • (0,4 • Ьт/3+ 0,35 • уцЬ) • (1 + 0,5 • Тх),

где еж - параметр поперечного сжатия головки рельса; Ьт - база тележки;, уць- безразмерное центростремительное ускорение; тх-- коэффициенты использования; касательного сцепления колесной пары при реализации силы тяги - "коэффициент тяги", а при реализации силы торможения - "коэффициент торможения". В третьей главе представлена математическая модель движения первой (набегающей) колесной пары локомотива. Координаты перемещений центров инерции колесных пар по оси пути относительно неподвижной системы отсчета состоят: из поступательного движения вдоль осей координат и вращательного перемещения вокруг осей координат. Немаловажное значение имеет угол поперечного наклона рамы тележки к горизонтали при движении в кривых участках пути:

&РТ = ^цЬ • Р-рт»

где Уць - безразмерное центростремительное ускорение центра инерции рамы тележки; дрт - коэффициент наклона рамы тележки. Коэффициент наклона рамы тележки определяется в зависимости от количества ступеней рессорного подвешивания, модулей опрокидывающего и восстанавливающего моментов упруго подвешенных частей секции локомотива. Используя вспомогательные коэффициенты деформации, составлены и определены коэффициенты составляющих реактив-

ных сил рельсов по осям координат. Сложное движение колесных пар в кривых участках пути расчленено на два простых: переносное (поступательно-вращательное) и относительное (вращательное). Представлена система уравнений движения набегающей колесной пары на боковую грань головки рельса и получены формулы коэффициентов запаса деформации контактной ползучести. После их определения сначала вычисляются коэффициенты реактивных сил и эквивалентные плечи этих сил, а затем коэффициенты перераспределения нагрузок от колесных пар на рельсы. Далее находим коэффициенты нагрузок, реактивные силы рельсов и рамы тележки. Приводится проверка правильности решения уравнений движения. В заключении даны аналитические расчеты по оценке системы "колесная пара - рельсовый путь" и, на базе исследования математической модели движения колесных пар и тележек локомотивов, показана сравнительная оценка предлагаемого метода взаимодействия колесных пар с рельсами с общераспространенным приближенным.

В четвертой главе выполнены теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия тележек и рельсовой колеи с различными типами гидрогасителей и изложены результаты поездных испытаний грузовых тепловозов типа (ЗсгЗо). Испытания проводились в прямых участках пути и кривых радиусами 300, 600 и 1000 м., а также на стрелочных переводах типа Р50 марки 1/11, 1/9. Движение осуществлялось: в прямых и кривых !?=1000м. со скоростями от 40 до 120 км/ч; в кривых 1?=300м. и И=600м. со скоростями от 70 до 110 км/ч; в стрелочных переводах со скоростями до 40 км/ч. Измерение перемещений, ускорений тележек и кузова, а также усилий на штоках гидрогасителей производились при движении опытного поезда в четном и нечетном направлениях. Результаты поездных испытаний в виде

полученных ускорений в кузове, рамах тележек, буксах, динамические прогибы, максимальные значения рамных сил, углы поворота и относа тележек представлены в табличной форме.

Для гашения колебаний системы упругого подвешивания применялись гидравлические гасители. Параметры сопротивления гидрогасителей: 105 кН-с/м при 4х гасителях. Стендовые'испытания проводились при частотах от 0,5 до 2,0 Гц. Значения частот при опытных поездках составляли 1,5...3,5 Гц. Динамические прогибы пружинных комплектов тележечного упругого подвешивания измерялись при скоростях от 40 до 120 км/ч с интервалами 20 км/ч.

Испытания показали, что динамические качества грузовых тепловозов при больших скоростях движения не могут быть признаны удовлетворительными и должны быть улучшены. Проведенные исследования с различным количеством гидрогасителей и вариантами их расположения показали, что имеются широкие возможности значительного уменьшения воздействия тепловозов на путь посредством использования гидравлических гасителей одностороннего действия. Для этой цели предложена новая схема установки гидрогасителя, пропускающая работу гасителя на удар (сжатие) и работающего на ходе растяжения основных упругих элементов подвешивания. Экпериментальные исследования показали, что максимальные динамические прогибы первой ступени рессорного подвешивания уменьшились в 1,5 раза, коэффициент динамики буксовой ступени снизился на 65% и не превышает рекомендуемого допустимого значения, а рамные силы на первой оси по ходу движения в зависимости от скорости уменьшились в 1,5...2 раза.

Опыт эксплуатации гидравлических гасителей колебаний на сети железных дорог России показывает, что их работоспособность обус-

лавливается надежностью отдельных узлов и деталей. В главе приводится анализ гасителей колебаний с точки зрения влияния технологических зазоров и уплотнений на надежность этих устройств.

В пятой главе проведен расчет технико-экономического обоснования от замены гасителей колебаний сухого трения вязким (гидрогасителями). Эффект от внедрения гидравлических гасителей колебаний (по ценам на август 1998 г.) составляет 5780 рублей в год на одну секцию локомотива. .

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ.:

1. Все многообразие схем тележек и элементов рессорного подвешивания локомотивов поддается анализу и унификации. В упругом подвешивании грузовых локомотивов наблюдаются тенденции применения пружин с гидрогасителями. Типизацией обоснована целесообразность применения 4х и 8ми-осных локомотивов.

2. Проведено усовершенствование метода оценки взаимодействия локомотивов и пути без учета сил; тяги и торможения - общераспространенного приближенного метода (метода Смирнова-Раевского-Королева) . Для наиболее характерных скоростей движения в кривых участках пути предлагается более упрощенная формула определения поперечного сжатия головки рельса.

3. Предлагается для оценки взаимодействия локомотивов и пути учитывать силу тяги. Доказано аналитическими расчетами проведенными на наиболее перспективных грузовых локомотивах, предназначенных для высоких скоростей движения (в соответствии с требованиями, предъявляемыми МПС РФ). .>

4. Разработана математическая модель, позволяющая производить

аналитические расчеты движения колесной пары в кривых с учетом кинематики и деформации контактной ползучести.

5. Создана и рекомендована к внедрению конструкция тележечного гидрогасителя. Показано влияние технологических зазоров на его работоспособность.

6. Разработано устройство для связи гасителя с буксой и рамой тележки. Установка тележечного (буксового) гасителя, пропускающего работу гасителя на удар (сжатие) и работающего на ходе растяжения основных упругих элементов подвешивания.

7. Экспериментальные исследования колебаний тележек грузовых локомотивов подтверждают результаты теоретических разработок по параметрам связей и взаимодействию с рельсами.

8. Выполнен технико-экономический расчет от внедрения гидрогасителей на серийных тепловозах ТЭ10 и 2ТЭ116. Ожидаемый экономический эффект составляет .5780 рублей в год на одну с.екцию локомотива (по ценам на август 1998 г.). ,,ч; .

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Уменьшение бокового воздействия, на путь тягового :,■ подвижного состава высокоскоростных поездов./ Анкудавичус И.З. Материалы конференции молодых ученых, ПГЯ1С,..,1996 г.

2. Безопасность движения скоростных локомотивов в кривых участках пути./ Сапрыкин Л. И..., Анкудавичус .И.З. Материалы конференции молодых:ученых, ПГУПС, 1997 г.

3. Типизация тележек локомотивов. / Анкудавичус И. 3. - Деп. в ЦШИТЭИ МПС, 1998 г. .. .

4. Оценка взаимодействия многоосных локомотивов и пути в кривых участках./ Анкудавичус И.З. Материалы конференции молодых ученых, ПГУПС, 1998 г.

5. Перераспределение нагрузок от колесных пар тепловоза на рельсы (исследования и практические рекомендации)./ Анкудавичус И.З. Материалы конференции молодых ученых, ПГУПС, 1998 г.

6. Взаимодействие локомотива и пути в кривых./Анкудавичус И.З. -Деп. в ЦНШТЭИ МПС, 1998 г.

7. Демпфирование тележечной ступени упругого подвешивания локомотивов гидрогасителями./ Сапрыкин Л.И., Анкудавичус И.З. Материалы международной научно-технической конференции "Проблемы развития рельсового транспорта", Восточноукраинский гос. ун-т, 1998 г.

8. Оценка динамической нагрукенности локомотивов в кривых участках пути. / Сапрыкин Л. И. , Анкудавичус И.З. Материалы научно-технической конференции "Автоматизация управления локомотивов и их систем", ПГУПС, 1998 г.

9. К вопросу унификации тележек локомотивов./ Анкудавичус И.З. Межвузовский сборник научных трудов "Перспективы развития тепловозной тяги", ПГУПС, 1998 г.

Подписано к печати 16.11.98г. Усл.-печ.л. -1,2 Печать офсетная. Бумага для множит.апп. Формат 60x84 1/16 Тираж 100 экз. Заказ эЧЗ,

Тип. ПГУПС 190031,С-Петербург, Московский пр.,д.9

ЙИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

АНКУДАВИЧУС Игорь Зигмович

УНИФИКАЦИЯ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ЛОКОМОТИВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОГАСИТЕЛЕЙ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент САПРЫКИН Л. И.

Санкт-Петербург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение................................................4

1. Типизация экипажных частей локомотивов..............10

1.1 Анализ, унификация и типизация локомотивных тележек............................................10

1.2 Выбор перспективной конструкции экипажной части----23

1.3 Выводы.............................................25

2.Взаимодействие колесных пар локомотива с рельсами в кривых участках пути..................27

2.1 Характеристика взаимодействия колесных пар локомотива с рельсами..............................27

2.2 Оценка взаимодействия колесных пар локомотивов с рельсами в кривых участках пути без учета сил тяги и сил торможения.....................................30

2.3 Оценка взаимодействия колесных пар локомотивов с рельсами в кривых участках пути с учетом сил тяги и сил торможения.....................................42

2.4 Выводы.............................................60

3. Движение колесных пар в подвижной системе координат.62

3.1 Кинематика колесных пар в кривых участках пути.....62

3.2 Коэффициенты деформации ползучести.................68

3.3 Уравнения движения колесных пар локомотива в подвижной системе координат..............................73

3.4 Аналитические расчеты..............................90

3.5 Выводы.............................................92

4. Гидрогасители грузовых локомотивов и совершенство-

вание их конструкции...............................96

L 3 -

4.1 Усовершенствование гидравлического гасителя ко-

лебаний............................................96

4.2 Оценка влияния технологических зазоров усовершенствованного гасителя на его работоспособность......96

4.3 Расчет гидрогасителя с использованием ЭВМ.........104

4.4 Экспериментальная оценка эффективности применения гидрогасителей....................................106

4.5 Выводы............................................108

5. Технико-экономическое обоснование от внедрения

гидрогасителей на грузовых локомотивах.............111

Выводы................................................117

Общие выводы по результатам работы....................118

Список использованных источников......................120

Приложения............................................130

Приложение 1..........................................130

Приложение 2..........................................139

Приложение 3..........................................142

Приложение 4..........................................143

ВВЕДЕНИЕ.

Предстоящее увеличение скорости движения грузовых локомотивов до 120...140 км/ч и бесперебойное обеспечение перевозок народно-хозяйственных грузов по железным дорогам обусловлено уровнем совершенствования конструкции экипажного оборудования локомотивов, обеспечением безопасности движения при разных скоростях и предупреждению схода колесных пар с рельсов как в прямых, так и в кривых участках пути. Для этого необходимо улучшение ходовых качеств локомотивов, которые определяются системой и параметрами рессорного подвешивания, состоянием пути, скоростью движения. Кроме того, с увеличением скоростей локомотивов предъявлено повышенное требование к ограничению амплитуд колебаний при резонан-сах •

Ввиду высоких требований, предъявляемых Министерством путей сообщения посредством Федеральной программы по "Разработке и производству в России грузового подвижного состава нового поколения" (до 2010г.) к надежности экипажной части тягового подвижного состава, уровню технического обслуживания в условиях депо и заводов, допускаемым скоростям движения и весам поездов возникла необходимость уточнения процесса взаимодействия локомотивов и пути в кривых участках. Последнее должно проводиться на наиболее перспективных экипажных частях, созданных на базе анализа, унификации и типизации тележек как российских, так и зарубежных локомотивов, а также в конструктивном совершенствовании экипажной части локомотивов [52].

Основы взаимодействия колесных пар локомотива с рельсами в кривых участках пути для вагонов были сформулированы в 1895г. С.

И. Смирновым, а в 1903 г. уточнены К. Ю. Цеглинским. Аналогичное усовершенствование этого метода для локомотивов было предложено в 1903 г. Г. Юбелянером. Дальнейшее усовершенствование его для локомотивов было выполнено в 1910 г. А. С. Раевским и А. В. Липко- Парафиевским, а в 1913 г. - X. Хойманом [88].

Результатом крупных исследований, выполненных в области изучения динамической нагруженности локомотивов и моторовагонного подвижного состава, опубликованы в трудах И.П.Исаева, В.Н.Иванова, А.А.Камаева, И.В.Бирюкова, Н.Н.Овечникова, А.Н.Савоськина, М.П.Пахомова и многих других [4, 6, 30, 31, 36, 37, 40, 41, 69, 75, 76, 81, 821.

С дальнейшим ростом скоростей в грузовом движении большое значение приобретает обеспечение движения без контакта гребней колес с рельсами, связанного с проблемой горизонтальной динамики экипажа, износа поверхности катания и гребня колес, вписывания экипажей в кривые. Решению этих задач посвящены многие исследования отечественных и зарубежных ученых.

Результаты ранее производимых расчетов значительно отличаются от соответствующих опытных величин. Для уточнения этого метода К. П. Королев С43, 44, 46, 47, 80] в 1950 г. принял во внимание поперечную упругость рельсового пути, перераспределение- вертикальных нагрузок от колес на рельсы и ввел коэффициент динамичности силы поперечного давления набегающего колеса на рельс.

В. Б. Медель [61...63] в 1953...1955 г. г. ввел в расчеты силу тяги локомотива, развиваемую колесами пропорционально скоростям продольных сдвигов их по рельсам в кривых, вследствие различия диаметров их поверхностей катания при всех режимах движения локомотива.

С. М. Куценко в 1954 г. рассмотрел пространственное расположение сил, действующих на локомотив (без учета сил тяги и торможения, сил упругости рессор и рельсов), при соприкасании набегающей колесной пары с рельсами в трех контактных точках.

Т. Мюллер С68] учел поперечную упругость пути при входе в окружную кривую однотележечного локомотива типа 0-3-0 без силы тяги со статическими нагрузками от колес на рельсы. А. Де Патер [31 в 1967 г. рассмотрел движение такого же локомотива в переходной кривой абсолютно твердого пути.

Ю. С. Ромен в 1964...1965 г. г. исследовал движение 4-осного вагона с двумя тележками в кривой переменного радиуса с учетом поперечной упругости рельсов и виляния тележек. 0. П. Ершков [23], С241 в 1956 г. опубликовал обобщенный аналитический способ определения поперечных сил, действующих от экипажей на рельсы в кривых участках пути (без учета сил тяги и сил торможения) с использованием статического метода для оценки отклонений от норм состояний пути и экипажей. В. Н. Кашников в 1968 г. учел неравно-упругость кривого участка пути в плане.

Дальнейшее развитие исследований по горизонтальной динамике предопределили работы В.й.Варавы, С.А.Осипова, С.М.Андриевского, И.П.Исаева, Т.А.Тибилова, В.А.Лазаряна, Е.П.Королькова, Е.П.Дуд-кина и многих других ученых [9, 1?, 18, 29, 32, 50, 55, 57, 58, 79, 84, 861.

Изменение условий работы железнодорожного транспорта связанные с переходом к рыночной экономике и усилением конкуренции с автомобильным транспортом в период падения объемов перевозок, а также финансовые трудности требуют нового подхода к разработке и производству подвижного состава.

Цель работы состоит в выборе наиболее перспективных экипажных частей для грузовых локомотивов, исследовании математических моделей взаимодействия на основе наиболее перспективных локомотивов и пути, в прямых и кривых участках в зависимости от условий эксплуатации, совершенствовании традиционно сложившихся типов подвижного состава и улучшении их ходовых качеств и плавности хода в соответствии с Федеральной программой по "Разработке и производству в России грузового подвижного состава нового поколения" (до 2010 года).

Методика исследований. Общая методика исследований включает в себя анализ, унификацию и типизацию как Российских, так и зарубежных локомотивов, среди них Французские, Английские, Шведские и другие, на основе которых выбраны наиболее перспективные для грузового движения 4х-осные и 8ми-осные локомотивы и проведены исследования взаимодействия их и пути, в прямых и кривых участках без учета и с учетом сил тяги и торможения. Экспериментальные исследования по повышению плавности хода и ходовых качеств, уменьшению износа бандажей колесных пар и рельсов проводились на локомотиве типа Зо~Зо с помощью установки в системе рессорного подвешивания дополнительных гидравлических гасителей колебаний.

Научная новизна. В результате выполненных исследований:

- определены тенденции конструкций связей систем рессорного подвешивания, предложены анализ, унификация и типизация парка локомотивов по схемам рессорного подвешивания;

- усовершенствован метод оценки взаимодействия локомотивов и пути в кривых участках без учета силы тяги и сил торможения - метод Смирнова-Раевского-Королева (общераспространненый приближенный метод);

- предложен метод оценки взаимодействия локомотивов и пути в кривых участках с учетом силы тяги и силы торможения;

- разработаны основные направления исследований и рекомендаций по улучшению взаимодействия локомотивов и пути в кривых участках;

- показано конструктивное усовершенствование гасителя колебаний традиционно сложившихся типов грузового подвижного состава;

- оценено влияние технологических зазоров гидрогасителя на его работоспособность;

- произведен расчет гидравлических гасителей колебаний с использованием ЭВМ;

- рекомендовано внести дополнение в экипажные части локомотивов в виде гидравлических гасителей колебаний;

- проведено технико-экономическое обоснование использования гидравлических гасителей колебаний в системе рессорного подвешивания грузовых локомотивов.

Практическая ценность. В результате выполненных в диссертации исследований определены приоритетные направления по совершенствованию параметров экипажных частей локомотивов в зависимости от условий их эксплуатации, дан анализ методу Смирнова - Раевского - Королева, сформулированы требования (предположения) и предложен комплексный подход к исследованию взаимодействия локомотивов и пути в кривом участке, полученные результаты являются научной основой для выбора и обоснования параметров пути и экипажных частей по условиям взаимодействия с кривым участком пути.

Определены некоторые критерии качества взаимодействия при решении задач по выбору параметров экипажных частей в зависимости от параметров рессорного подвешивания локомотивов и параметров пути в кривом участке: направляющая сила рельсов на гребне набе-

гающего колеса, поперечные силы от колес на рельсы, поперечные отжатия головки рельса.

В результате проведенных исследований показано, что выбор и обоснование параметров рессорного подвешивания локомотивов (тепловозов) необходимо проводить на основании исследований их взаимодействия с конструкцией железнодорожного пути, особенно в кривых участка с учетом силы тяги и силы торможения; для снижения интенсивности износа колесных пар и рельсов, и увеличения их сроков службы необходима разработка ряда мероприятий - конструкционных, технологических и эксплуатационных. Найдены более точно параметры взаимодействия колесных пар с кривыми участками пути с учетом силы тяги и силы торможения, дана сравнительная оценка с методом Смирнова - Раевского - Королева.

В связи с переходом к рыночной экономике и появлением финансовых трудностей осуществлен новый подход к решению задачи в локомотивных депо по оценке работоспособности гидравлических гасителей колебаний. Осуществлено конструктивное совершенствование системы рессорного подвешивания локомотива типа Зо-Зо.

1. ТИПИЗАЦИЯ ЭКИПАЖНЫХ ЧАСТЕЙ ЛОКОМОТИВОВ.

1.1 Анализ, унификация и типизация локомотивных тележек.

В настоящее время имеется большое количество разнообразных конструкций тележек, которые постоянно совершенствуются. Тележки большей части эксплуатируемых локомотивов подразделяются по ряду конструктивных признаков, от которых зависят динамические качества, эксплуатационная надежность, безопасность движения, износ колесных пар, развеска локомотива и другие показатели экипажной части локомотива. Как известно, тележки являются ходовой частью локомотива, непосредственно взаимодействующей с рельсовым путем. Они воспринимают подрессоренные массы локомотива, передают вертикальные нагрузки от кузова на колесные пары через систему рессорного подвешивания, а также горизонтальные силы тяги и тормозные силы, на них устанавливают тяговые электродвигатели и тормозное оборудование. На раму тележки действуют также силы, возникающие при ударах и боковые усилия, появляющиеся при вписывании локомотива в кривые. Нагрузка от кузова передается на раму и через систему опор в виде сосредоточенных сил, которые затем должны распределяться равномерно с помощью системы рессорного подвешивания по всем колесным парам С8, 42, 67].

Большинство магистральных и маневровых локомотивов составляют локомотивы с тележечной экипажной частью.

Рис.1.1 Классификация тележек по трем первым параметрам.

Тележки в основном подразделяются по:

1) числу колесных пар (рис.1.1);

2) способу подвешивания ТЭД (рис.1.1);

3) типу рам [48, 60, 641 (рис.1.1);

4) устройствам связи колесных пар с рамой тележки (рис.1.2);

5) устройствам соединения тележек с кузовом локомотива (рис.1.2).

Проанализировав тележки с кузовным, тележечным подвешиванием и с расположением опорных точек на корпусе буксы [72, 74, 78,

Рис.1.2 Классификация тележек по типам связи с колесными парами и кузовом локомотива.

93,94], на основе анализа экипажных частей как российских, так и зарубежных локомотивов [21, 65, 66, 109, 113, 1143 (Франция -СС27001, СС10002, СС40101, ВВ9003, ВВ9004; Англия - AEI, EEC, GEC; Швеция - RBi, Ra, Е499; Австрия - 1010, 4061; Чехия - ЧС2, ЧС4; Германия - Е50; Бельгия - B-N; Италия - Аврил) составлена определенная классификация тележек (таблица 1.1).

В зависимости от конструкции передач тяговых усилий от колесных пар на раму тележки рессорное подвешивание может быть разделено на следующие основные типы:

1. подвешивание с челюстными направляющими плоского, телескопического и V-образного типов - челюстное рессорное подвешивание [98, 99, 111, 1161;

2. подвешивание с поводковыми направляющими - поводковое рессорное подвешивание [13, 70, 73, 100, 101, 107, 1153;

3. подвешивание с балансирно-поводковыми и балансирно-шкворневыми направляющими - балансирное рессорное подвешивание [96, 97, 102, 1031.

По способу расположения опорных точек передачи веса кузова и рамы тележки на корпус буксы рессорное подвешивание можно разделить на подвешивание [104, 105, 107, 108, 110, 1121:

— с верхним расположением опорных точек на корпусе буксы;

— с промежуточным расположением опорных точек на корпусе буксы;

— с нижним расположением опорных точек на корпусе буксы.

Устройства связи рам тележек с кузовом локомотива служат для передачи нагрузки на рамы тележек от кузова локомотива с оборудованием, восприятия и смягчения динамических воздействий на кузов локомотива, возникающих при движении локомотива, демпфирования перемещений тележек в кривых участках пути, улучшения плавности

Таблица 1.1

Классификация локомотивных тележек

Расположение опорных точек на корпусе буксы Подвешивание Люлечное рессорное подвешивание Маятниковое рессорное подвешивание Непосредственное опирание

Верхнее Промежуточное Нижнее N. к* Т* N. С опорой на через подвески С непосредственной опорой С опорой на буксовые узлы С обычной опорой С рессорным подвешиванием Без рессорного подвешивания

тэз М62 ТЭ10Л АЕ1 Е50 ОЕС РВ1 4061 Е499 Ка 1010 ЕЕС ЧС2 Челюстное рессорное подвешивание АЕ1 1010 Е499 4061 ЧС2 ЕЕС БЕС РВ1 Е50 ТЭЗ М62 ТЭ10Л

ВЛ40 ВЛ80 ТЭ10В(М) 2ТЭ116 ТЭ126 ТЭ127 ТЭ130 ТЭ136 ТЭП70 ТЭП75 ТЗМ7,В-И СС40101 ВЛ60 ТЭП60 2Т3121 СС7100 СС27001 СС10002 ВВ16500 ЧС4 Аврил Поводковое рессорное подвешивание ВЛ80 СС27001 СС10002 ВЛ40 В-И Аврил ТЭП60 ТЗП70 ТЭП75 ТЭМ7 ВЛ60 ВВ16500 СС40101 СС7100 АЕ1 ТЭ126 ТЭ127 ТЭ136 ВЛ80 ЧС4 ТЭЮВ(М) 2ТЭ116' 2ТЭ121 ТЭ130

ТЭП80 ВВ9003 ВВ9004 Балансир-ное рессорное подвешивание ВВ9003 ВВ9004 ТЭП80 ВВ67300

1 - тележечная ступень, К ~ кузовная ступень

хода локомотива и повышения статического прогиба рессорного подвешивания локомотива [38].

По конструкций передачи силы веса кузова на тележки подвешивание может быть разделено на следующие основные виды:

1. непосредственное опирание кузова локомотива на тележки:

1.1 без рессорного подвешивания (роликовые и комбинированные опорно-возвращающие устройства);

1.2 с рессорным подвешиванием (роликовые и комбинированные опор-но-возвращающие устройства, упругие элементы (пружины), расположенные между кузовом и рамами тележек);

2. маятниковое рессорное подвешивание с шарнирно-маятниковой центральной и