автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Выбор оптимальных параметров гасителей колебаний подвижного состава

>

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи УДК 629.4.027.35.

КУПРИЯНОВ Артур Георгиевич

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГАСИТЕЛЕЙ КОЛЕБАНИЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность 05.22.07 - подвижной состав железных дорог

и тяга поездов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Академик АТ России, Д. т. н., профессор Кашников В.Н. Научный консультант: К. т. н., профессор Филоненков А.И.

Ростов-на-Дону - 1998 г.

Содержание.

Стр.

Введение...........................................................................7

1.Состояние вопроса, постановка задач, цели исследований..........10

1.1 .Классификация и анализ работы гидравлических демпферов

подвижного состава..........................................................10

1.2.Классификация и анализ работы фрикционных гасителей колебаний подвижного состава............................................19

1.3. Анализ работы пневматических гасителей колебаний подвижного состава...........................................................................25

1 АГидропневматические гасители колебаний...........................27

1.5.Управляемый функциональный гаситель колебаний двухстороннего действия...................................................29

1.6.Анализ работы гасителей колебаний в экипажах с двухступенчатым рессорным подвешиванием.........................32

1.7.Выводы по главе. Цель исследований. Постановка задач.........33

2. Вывод и аналитическое исследование системы дифференциальных уравнений вертикальных колебаний экипажа с двухступенчатым рессорным подвешиванием, содержащим гасители колебаний в обеих ступенях подвешивания.............................................35

2.1. Вывод системы дифференциальных уравнений.....................35

2.2. Аналитическое исследование системы дифференциальных уравнений (2.7)................................................................38

2.2.1. Приведение системы дифференциальных уравнений (2.7) к отдельному дифференциальному уравнению четвертого порядка...........................................................39

2.2.2 Проверка системы на устойчивость по критерию Рауса-Гурвица.................................................................41

2.3.Решение дифференциального уравнения четвертого порядка методом понижения порядка по критерию приближения частотных характеристик..................................................................42

2.3.1. Сведение дифференциального уравнения четвертого порядка к дифференциальному уравнению второго порядка.....................42

2.3.2. Аналитическое решение характеристического уравнения дифференциального уравнения четвертого порядка (2.10) методом Кар дано.........................................................................57

2.4. Выводы по главе............................................................58

3. Оптимизация параметров сопротивлений гасителей колебаний в

двухступенчатом рессорном подвешивании по квадратичному функционалу качества.......................................................60

3.1. Постановка задачи.........................................................60

3.2. Оптимизация линейных систем по квадратичному функционалу качества........................................................63

3.3. Определение оптимальных параметров гасителей колебаний центральной ступени рессорного подвешивания.......................68

3.4. Определение оптимальных параметров гасителей колебаний буксовой ступени рессорного подвешивания...........................71

3.5. Сопоставление паспортных и оптимальных (3.55) и (3.67) параметров демпфирования................................................74

3.6. Выводы по главе............................................................76

4. Оптимизация показателей вертикальной динамики экипажей с двухступенчатым рессорным подвешиванием методом неопределенных множителей Лагранжа..................................79

4.1. Этапы проведения оптимизации........................................80

4.2. Аналитическое решение задачи оптимизации амплитуд перемещений кузова и рамы тележки экипажа с двухступенчатым рессорным подвешиванием.................................................82

4.2.1. Постановка задачи оптимизации......................................82

4.2.2. Определение граничных условий оптимизации...................83

4.2.3.Выбор переменных оптимизации.....................................84

4.2.4. Составление функции оптимизации и ее решение................85

4.2.5.Нахождение значений переменных оптимизации..................87

4.3. Расчет коэффициентов вертикальной динамики

кузова и тележек...............................................................88

4.4. Экспериментальная проверка полученных результатов...........91

4.5. Выводы по главе............................................................91

5. Технико-экономическая оценка взаимодействия экипажа и железнодорожного пути после улучшения показателей вертикальной динамики......................................................93

5.1. Коэффициент плавности хода............................................93

5.2. Уменьшение кинетической энергии, затрачиваемой на возвращение кузова в положение устойчивого равновесия..........96

5.3. Увеличение запаса прочности элементов рессорного подвешивания..................................................................97

5.4.Расчет верхнего строения пути на прочность до и после улучшения вертикальной динамики тепловоза ТЭ136................99

5.5. Расчет годовой экономии расходов по текущему содержанию железнодорожного пути....................................................104

5.5.1. Экономия расходов по рабочей силе, необходимой для текущего содержания пути................................................104

5.5.2. Уменьшение расходов на одиночную смену рельсов............109

5.5.3. Уменьшение расходов на одиночную смену скреплений......110

5.5.4. Уменьшение расходов на одиночную смену шпал...............110

5.5.5. Уменьшение расходов на балластные материалы...............112

5.6 Экономия затрат, связанных с уменьшением расхода топлива... 113

5.7. Выводы по главе..........................................................113

Основные результаты работы. Выводы и рекомендации..............114

Список использованной литературы.......................................117

Приложения к диссертационной работе...................................128

Введение.

Одной из главных задач, стоящих в настоящее время перед железнодорожным транспортом, является увеличение пропускной и провозной способности железных дорог. Для ее решения важное значение имеет дальнейшее повышение эксплуатационных скоростей движения, для чего, в свою очередь, потребуется выполнить большой объем работ по улучшению динамических качеств подвижного состава.

Движение железнодорожного экипажа сопровождается возникновением колебаний от взаимодействия с рельсовой колеей. Колебания оказывают вредные воздействия на элементы подвижного состава, размещенное в нем оборудование, а главное - на локомотивную бригаду и пассажиров, что напрямую влияет на здоровье и жизнь людей, а также на качество работы деталей и узлов экипажа.

Как известно, интенсивность вибраций и ударов, опасность схода экипажа с рельсов и воздействия на путь возрастают с увеличением скорости движения. Развитие транспортных средств сопровождается повышением требований к экипажной части подвижного состава. Поэтому, дальнейшее увеличение скоростей движения возможно только усовершенствованием конструкций экипажей, а также характеристик упругих и диссипативных элементов.

В связи с этим, одной из главных проблем, решению которых посвящены исследования многих отечественных и зарубежных ученых, является создание и эксплуатация гасителей колебаний с управляемыми характеристиками.

Большое значение имеют работы, выполненные в этом направлении И.И.Челноковым (гидравлические демпферы которого, типа КВЗ-ЛИИЖТ, более четверти века эксплуатируются на отечественном подвижном составе), а также В.М.Гарбузовым, Б.И.Вишняковым, Б.И.Слитиковым, А.А.Мальцевым,

В.Юаравой [13, 16, 61, 62, 79, 93, 94, 95, 96]. Работе и эксплуатации фрикционных гасителей колебаний посвящены труды Ю.А.Евдокимова [55], А.И.Кокорева [46, 47, 48], И.А.Селенского [74, 75, 76, 77], А.Г.Ханина [88, 89, 90], В.В.Шаповалова [101,102, 103].

Автомобильным гасителям колебаний посвящены работы И.Б.Скиндера и Ю.А.Лиепы [78], А.Д.Дербаремдикера [24], Н.Н.Яценко и О.К.Прутчикова [108].

Работе пневматических гасителей посвящены труды И.В.Астахова [3], Д.Л.Коффмана [51, 52], А.В.Кузнецова [53, 54]. Работу масляно-пневматического амортизатора исследовал Я.С.Щетинков [105].

За рубежом работе и эксплуатации гасителей колебаний посвящены работы Д.Галлахера, Е.Вольтерра, А.Ямаравы, С.Токеды, Я.Ружечки, Р.Гаванауха [18,110,111, 112, 113].

Анализ работы применяемых в настоящее время гасителей колебаний показывает, что область их применения ограничена особенностями характеристик, рабочих процессов и конструктивным исполнением.

Так, гидродемпферы применяются в основном для гашения колебаний кузова, так как они позволяют устойчиво ограничивать максимальную величину амплитуды колебаний.

Фрикционные гасители устанавливаются в буксовой ступени рессорного подвешивания благодаря простоте конструкции и высокой виброустойчивости.

Основными недостатками применяемых гасителей являются: нестабильность силовой характеристики, определяемой возможным изменением условий трения во фрикционных парах; не обеспечение устойчивого ограничения амплитуд - у фрикционных гасителей. Чувствительность к износам, ударным нагрузкам, зависимость силовой характеристики от температуры - у гидродемпферов. Поддержание малых амплитуд без затухания в течение многих циклов - у пневматических гасителей колебаний.

Поэтому наиболее актуальным является выполнение работ, направленных на создание новых и усовершенствование уже существующих конструкций гасителей колебаний, в которых эти недостатки будут устранены.

Важным разделом совершенствования теории взаимодействия пути и подвижного состава является не только создание и усовершенствование конструкций, но и выбор их оптимальных параметров. Одним из таких -являются исследования в области вертикальной динамики подвижного состава. К настоящему времени достигнуты значительные успехи как в теоретических, так и в практических разработках. Однако ряд вопросов остается еще малоисследованным, в частности, выбор оптимальных параметров гасителей колебаний.

Настоящая работа является продолжением исследований, ведущихся в этом направлении.

1. Состояние вопроса, постановка задач, цели исследований.

1.1 Классификация и анализ работы гидравлических демпферов подвижного состава.

Принцип работы гидравлических демпферов заключается в перетекании вязкой жидкости через дроссельные отверстия и наполнение ею обратно через клапан (рис. 1.1).

При движении вязкой жидкости через дроссельные отверстия возникает вязкое трение, при этом механическая энергия колебательного движения экипажа превращается в тепловую.

При работе гидравлического демпфера имеется равенство мгновенных значений объемов рабочей жидкости, прошедшей через клапан и вытесненной движущимися элементами демпфера [93]:

где Ук и Уп - соответственно мгновенные значения скорости движения масла в клапане и скорости движения поршня;

площадь, определяющая количество вытесненной жидкости. При движении поршня вниз: Г — ¥ш; вверх ¥ = ¥п- ¥ш; ¥ш - площадь штока; ¥п - площадь поршня; / - площадь канала клапана; к - коэффициент расхода. Тогда скорость течения жидкости через клапан:

Так как перепады давлений Ар в клапане и на поршне равны,, то развиваемое демпфером усилие и энергия, рассеянная при ходе поршня (И соответственно равны:

Уф=Уп¥,

(1.1)

у^¥у„//к.

(1.2)

Рис. 1.1. Конструктивная схема гидравлического демпфера:

1 - шток;

2 - направляющая втулка;

3 - корпус;

4 - цилиндр;

5 - резервуар;

6 - поршень;

7 - верхний клапан;

8 - нижний клапан.

с1ш - диаметр пггока; дц - диаметр цилиндра.

Р = ДрЪ

г г

£ = | Рйг = ^ 1,

(1.3)

0

о

где Р - усилие, развиваемое демпфером;

Е - энергия, рассеиваемая при ходе поршня.

Из (1.3) видно, что эти параметры являются функциями скорости перемещения поршня.

Конструкции клапанов гидравлических демпферов, применяемые в настоящее время, не дают возможность в чистом виде реализовать турбулентный или ламинарный режим движения жидкости. Поэтому силовая характеристика в общем виде может быть выражена уравнением [93]:

где X - составляющая силовой характеристики, учитывающая усилия трения;

а, /3 - параметры, определяющие усилие демпфера при ламинарном и турбулентном движении жидкости соответственно.

На основании опубликованных ранее материалов, посвященных гидравлическим демпферам [27, 28, 29, 79, 82, 93, 98] составлена классификационная таблица (рис. 1.2), в которой обобщены и систематизированы конструкции гидравлических демпферов, применяемых в настоящее время на подвижном составе [116].

Обозначения к рис 1.2:

1- двухстороннего действия; 2- одностороннего действия; 3-рычажные; 4 -телескопические; 5.-е пневматическим упругим элементом; 6-сила сопротивления возрастает без ограничения с увеличением скорости; 7-сила сопротивления пропорциональна скорости, но не превышает расчетную; 8- со вспомогательной камерой; 9- без вспомогательной камеры; 10-размещенной в штоке; 11- выполненной в виде сильфона; 12.-огражденной эластичной прокладкой; 13 - отделенной от воздуха поршневым устройством; 14- с противоударным устройством; 15- предохранительные клапаны,

Р=Х+а¥п+рУп2,

(1.4)

аз

«

о ¡0 У 3 а, а?

■е«

ч (Ц 5$ < с 3 аз <

Рч

см

см

[_Л

н>00

Г)

Ч> т

СП

го

00 го

гм.

го

13

.^Г

. го

го

1

СМ1

оо

СМ

СП

СХ]

ь ■■

1Л

СМ1 С\1

т

т

го го

Т

Я

о РО иэ

ГО (М см

СП

см ои

о

иэ *\Г оо

ьп со

иэ го

О)

со

о см го

ХО

Рис. 1.2. Классификация гидравлических демпферов подвижного состава.

фиксирующие величину предельного давления; 16 - клапаны с регулировкой предельного давления в зависимости от перемещения; 17- клапаны с регулировкой предельного давления в зависимости от ускорения; 18-однорежимные; 19- многорежимные; 20- без ограничения предельного давления; 21- постоянного трения; 22.-е ограничением предельного давления; 23.-переменного трения; 24- с регулированием дроссельного отверстия; 25 - с регулированием размера дроссельной щели; 26- по виду устройства, регулирующего допускаемое давление; 27- в зависимости от допускаемого давления: 28- в зависимости от температуры окружающей среды; 29- в зависимости от перемещения; 30 - по типу дроссельного отверстия; 31,- до сечения канала; 32- до сечения дросселя, 33- простое; 34- сложное; 35-переменного сечения; 36 - сила сопротивления пропорциональна скорости и перемещению; 37- сила сопротивления пропорциональна скорости и перемещению, но не превышает расчетную; 38,- срабатывание предохранительного устройства зависит от амплитуды; 39- с указанным изменением силы сопротивления; 40- с равносторонней силой трения; 41.-е разносторонней силой сопротивления; 42 - по виду дроссельного канала; 43-без гидравлического затвора; 44- с гидравлическим затвором; 45-плунжерный клапан; 46 - тарельчатый клапан; 47- пластинчатый клапан; 48-шариковый клапан.

В приложении 1 к диссертационной работе представлена подробная конструкция гидравлических демпферов подвижного состава.

Для всех видов гидравлических демпферов характерно практически отсутствие начальной силы при вступлении в работу. Это - их одно из главных положительных качеств - можно показать на примере обобщенной силовой характеристики (1.4). Если Уп=0, то усилие демпфера определяется только величиной сил трения в цилиндро-поршневой паре, то есть Р=Х. Причем для правильно установленного (без перекосов) на подвижном составе и исправйого

демпфера силами трения, ввиду их малости, можно пренебречь, поэтому он плавно вступит в работу.

Следующее преимущество гидравлических демпферов - способность устойчиво ограничивать величину амплитуды колебаний. Это можно показать с помощью графика (рис. 1.3), при этом [93]:

Zя=7шZ¿ft>;

„ 8

=-;—г/

' Зг3лт2 (1.5)

А=пР0гн.

При амплитудах колебаний, которые меньше величин 2а и энергия, вносимая в систему какой-либо возмущающей силой, станет больше, чем рассеиваемая демпферами. Это может привести к увеличению размахов колебаний. Если размахи колебаний преувеличат величины ¿Га и то каждый из демпферов рассеет энергии больше, по сравнению с тем, что сообщит системе возмущающая сила. Это приводит к уменьшению амплитуды колебаний до устойчивого значения.

Одним из основных недостатков гидравлических демпферов является нестабильность силовой характеристики при сезонных колебаниях температуры наружного воздуха, что связано зависимостью вязкости рабочей жидкости от температуры. При низких температурах усилие, развиваемое демпфером, возрастает, а при высоких температурах падает.

Результаты исследований [61, 62] показали, что изменение температуры рабочей жидкости в диапазоне от -50°С до +50°С вызывает двукратное изменение усилия демпфера. Нагрев рабочей жидкости до температуры 80-90°С приводит к снижению в два раза гасящего усилия. Это происходит вследствие падения вязкости рабочей жидкости[78].

Ухудшают эксплуатационные характеристики рабочей жидкости также газы, растворенные в ней. Так, например, растворенный в рабочей жидкости

кислород увеличивает содержание продуктов окисления смолистого характера[82].

Следующим существенным недостатком гидродемпферов является квадратичная или линейная зависимость усилия от частоты деформации. Это очевидно из выражения (1.4) и с учетом, что Vn = Z = ZH(ocos(ot, наибольшее значение усилия г�