автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Колебания дизельного вагона рефрижераторной секции, вызываемые работой энергетического оборудования

Брянский ордена "Знак Почета" институт транспортного машиностроения

На правах рукописи

ЕВЕЛЬСОН Лев Игоревич

Ш 629.463.125:539.4

КОЛЕБАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ВАГОНА РЕФРИЖЕРАТОРНОЙ СЕКЦИИ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ РАБОТОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЙ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга

поездов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск - 1990

Работа заполнена в Брянском ордена "Знак Почета" институте транспортного машиностроения и на производственном объединении "Брянский ь',ашпностронтелышй завод" им. В.И.Ленина.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Б.Г.Кеглин

Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор

Г.С.Михальченко

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Г.Г.Крахмалева Ведущее предприятие - Рижский филиал ВНИИвагоностроения

Заката состоится £¿£-¿¿€¿^/31990 года в' 40 часов

в аудитории й 220 на заседании специализированного совета К 053.28.02 Брянского ордена "Знак Почета" института транспортного машиностроения по адресу: 241035, г.Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, V.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянского ор-' дева "Знак Почета" института транспортного иашиносо^оения.

Автореферат разослан »26» Ка^/Дгюъ г.

Ученый секретарь специализированного совета

* В.л.Тихомиров

ОШЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Систематическое воздействие взбрацли на юстоянно находящихся в дизельном вагоне лицей, занятых обеду низанием рефрижераторной секции, приводит к повыиешга их утомляв -юсти, снижению производительности труда, может служить причиной -язеелых заболеваний.

Повышение внимания к человеческому фактору и планируемый вы-:од на внешний рынок рефрижераторных сектой, выпускаемых ПО "Брян-кий машиностроительный завод", диктуют необходимость улучшения х эргономических характеристик, в топ тесле снижения уровня впб-аций дизельного вагона, вызываемых работой энергетического обо-удования, приведения впбросозтсяшгя в соответствие международным ребованиям.

Другой причиной злободневное та рассматриваемой проблемы язля-гся нередко возникайте трудности со сдачей изготовленных дизелъ-сс вагонов, вызванные резко повышенными, по сравнению со средним эовнем з допустимыми нормативными значениями, Еибрзциямз на от -)льных вагонах. Возникающие при этом нарушения отлаженного прелз-»дственного процесса в условиях серийного .производства приводят существенным экономическим издержкам.

В связи со сказанным,разработка уточненной методики матема-ческого моделирования вибраций кузова вагона, вызываемых рабой энергетического оборудования, позволяющей на этапе проектпро-ния оценивать вибросостояние дизельного загона, является акту-ьной.

Цель работа - создание уточненной методики исследования ко-Заний дизельного вагона, вызываемых работой энергетического )рудования, а также разработка на ее основе рекомендаций по со -зшенстаовашга шброзащпты.

Общая иетотшка исследования основывалась на применении расчетных и расчетно-эксперименталышх методов. В основу теоретических есследований положена методика математического моделирования, основанная на иерархической системе расчетных схем, для общего анализа которой использовалась теория графов. Для более простых классов математических моделей при построении алгоритмов программного обеспечения методики применялись традиционные подходы при -к ладной теории колебаний, а для уточненных схем были разработаны некоторые новые способы численного исследования; при этом был попользован современный математический аппарат, включая теорию множеств.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке уточненной методики математического моделирования вибрации вагонов, вызываемой работой энергетического оборудования. Методике основывается на анализе иерархической системы расчетных схем, каждая ступень которой позволяет решать определенный класс задач динамики вагона.

Разработан численный метод исследования колебаний сложных ко£ струкцзй типа вагонных кузовов, представляющий модификацию МКЭ. Идея его заключается в агщраксикации 'поля обобщенных перемещений с помощью последовательности сгущашдахся конечноэлеыентных сеток. Бри атом перемещения узлов более мелких се^ок являются местными относительно узлов, относящихся к более крупным сеткам.

Для определения близости состояния конструкции к резонансу предложено нетрадиционное применение метода деления спектра без вычисления собственных частот.

Практическая ценность работы. Разработанная методика математического моделирования и программное обеспечение позволяют достаточно точке оценивать расчетным путем спектральные свойства и гЛ'брг.сос^огние внозь проектируемой или модернизируемой .жонструк -

дат дизельного вагона и других вдтшц подвижного состава. Ста-ювится возможным планировать мероприятия, направленные на улучшв-ше эргономических характеристик, снижение металлоемкости и т.д. 5ез предварительного проведения дорогостоящих натурных испытаний.

Установлено, что причиной случаев появления отдельных вагонов 1 резко повышенными вибрациями является близость отдельных собственных частот конструкции серийно выпускаемых дизельных вагонов к юновной частоте вынужденных колебаний, вызываемых работой энергетического оборудования. На основе произведенных вариантных расче-'оз предложены меры, позводящае отстроиться от резонансной зоны.

Предложены новые варианты вибраизоляции дизель-генераторов, станавливаемых на выпускаемых ПО ЕМЗ рефрижераторных секциях. Их недрение позволит существенно снизить вибрации кузова дизельного агона.

Экспериментальным путем изучено вибросостояние серийно гыпус-аемых дизельных вагонов. Предложены новые способы нормирования и опустимые значения параметров вибрации, основанные на современ -ых международных требованиях и учитывающие специфику условий тру-а и отдыха обслуживающих рефрижераторную секции механиков, а так-е режимы работы энергетического оборудования.

Полученные данные могут использоваться при проведении прие-о-сдаточных испытаний, сравнении рефрижераторной секции с зару-эжными аналогами и т.д.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы экладывались на Всесоюзной конференции "Численная реализация фи-1ко-механических задач прочности" (г.Горкгай, 1987 г.), на XI знференции молодых ученых Института машиноведения АН СССР "Акту-хькые проблемы машиноведения" (г.Москва, 1987 г.), на Всесоюзно;! знференции "Проблем механики железнодорожного транспорта" '.Днепропетровск, 1968 г.), на Всесоюзной конференции "Перепек-

тиеы развития вагоностроения" (г.Москва, 1988 г.), на 49-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава НИМ' (г.Брянск, 1990 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованных источников, вклтаицего 89 наименований, оодеряит 161 страницу машинописного текста, 15 таблиц,43 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

£й введении изложены экономические и социальные аспекты рассматриваемой в диссертации проблемы. Его содержание в основном раскрыто в начале автореферата в пункте, посвященном актуальности темы.

Первая глава включает обзор современного состояния методов исследования вибраций и виброзащаты, применяемых для железнодорожного подвижного состава, а также и в других отраслях машиностроения. Среди большого количества научных работ, поовященных исследованию вибрации вагонов, вызываемой работой энергетического оборудования, отмечаются работы Г.В.Бутакова, Л.Н. Добрынина, Н.И.Иванова, Б.Н.Иванова, А.А.Рыбалова, И.И.Челнокова.

Рассматриваются основные группы методой виброзащиты: снижение виброактивности источника колебаний, изменение конструкции объекта взброзащиты, присоединение к объекту дополнительной механической системы (динамическое гашение) и установка между объек -том виброзащиты и источник сел колебаний системы вибраизодяции. Отмечается большой вклад в развитие способов виброзащиты применительно к вагонам, внесенный Г.В.^Угаковкм, С.В.Вершнскиы, Б.А.Да-заряноы, ¿¿.Н.Никольским, {¿.{¿.Соколовым, И.И.Челноковым и др.

Наибольшее внимание в данной диссертационной работе уделяется двум группам методов — ниброизоляции и изменению конструкции объекта. Большое значение для совершенствования виброизоляции, расчетов и проектирования амортизирующих устройств, устанавливаемых между объектом защиты и источником вибраций *?ли удара, имеют работы И.Г.Беляковского, Г.В.Бутакова, С.В.Бершинского, А.А.Камаева, В.А. Катаева, Б.ГЛСеглина, И.И.Клшина, В.А.Лазаряна, Л.А.Манашкина, Л.Н.Никольского, В.Ф.Ушкалова, К.В.Фродова и др.

Применение группы методов, связанных с изменением конструкции объекта и его собственных частот с целью отстроЗкп от резонансов и получения наиболее выгодной формы вынужденных колебаний на основ -ной частоте возмущения,входит составной частью в более общую проблему исследования колебаний конструкций вагонных кузовов. Отмечается, что в рассматриваемой в данной работе ситуации целесообразно проведение математического моделирования с использованием уточненных расчетных схем и метода конечных элементов. В настоящее время имеется немало отечественных программных комплексов, реализующих МКЭ, в том числе позволяющих рассчитывать колебания вагонных конструкций. Эти комплексы имеют ряд достоинств, но положенный в основу их алгоритмов традиционный вариант МКЭ при изучении колебаний сложных систем с тысячами степеней сободы и при необходимости проведения многовариантных расчетов не всегда оказывается эффективны?.!. Поэтому актуальной является задача разработки новых алгоритмов па базе МКЭ, направленных на повышение его эффективности при больших порядках систем. Отмечаются два направления, интенсивно развивающиеся в последние годы. Первое из них - это создание итерационных многосеточных алгоритмов. Такой подход в настоящее время получил распространение для решения по МКЭ задач статической прочности, что. связано с работами А.Н.Паутова, И.Я.Серпика, З.В.ЛаУдуроза, И.Бабушки, О.Зенкевича и .др. В исследованиях колебаний конструк -

ь

ций многосеточные итерационные методы пока не применялись. Второе направление связано с расчленением сложных конструкций на подсистемы. Кроме хорошо известного метода суперэлементов, интенсивно развивается группа так называемых "методов модального синтеза". Здесь же можно отметить перспективные работы Л.Я.Банах, в которых предложена концепция использования энергетических и спектральных слабых связей между подсистемами.

Б первой главе проанализированы также работы, в которых подробно описываются экспериментальные методы анализа вибрационных процессов. Завершается глава формулированием цели исследования, проводимого в рамках данной диссертации.

£ля достижения этой цели надо решить следующие задачи.

1. Разработать методику и программное обеспечение математичео-кого моделирования вибраций энергетического оборудования и кузова дизельного вагона. Методика должна позволять расчетным путем на. различных стадиях проектирования оценивать ниброоостояние вагона и эффективность мер виброзащиты.

2. На основе разработанной методики провести комплексное теоретическое исследование колебаний дизельного вагона рефрижераторной секции, вызываемых работой дизель-генераторов. При этом должен быть осуществлен анализ спектральных свойств и оценено вибросостояние кузова вагона, определена эффективность виброизоляции дизель* генератора, выявлены причины появления вагонов с резко повышенными вибрациями.

3. В результате проведенного, теоретического исследования предложить практические рекомендации по улучшению виброзащиты дизельных вагонов и по предотвращению случаев постройки - неприемлемых с точки зрения вибросостояния вагонов.

4. Экспериментальным путем изучить вибрации, вызываемые работой дизель-генераторов, предложить научно обоснованные, опирающие-

¡я на М8ЕД7народные требования и учитывавшие спепи<*ш;у условий да— ¡ельного вагона, способы нормирования параметров таких вибраций. Сопоставляя результата математического моделирования и вибрсыэт-ических испытаний, проверить адекватность реальности разработая-нх математических моделей.

Вторая глаза посвящена разработке общей методики математячес-ого моделирования вибраций дизельного вагона, вызываемых работой кйргетического оборудования, а также исследованию таких вибраций а расчетных схемах с упрощенным представлением кузова. Описана ойструкшя дизельного вагона и приведен анализ собранной авторон прйорной информации, включающей результаты проводившихся ранее »брометрических испытаний, многолетние наблюдения механиков, экс-фатирущих рефрижераторные секции, работников 110 ШЗ, занимаются их изготовлением и приемо-сдаточными испытаниями, данные нападений, расчетов и испытаний, проводившихся на ПО "Кадзельмаш"-1Воде-иэготовителе дизель-генераторов. В результате анализа со=-шных данных сделаны выводы:

а) основная гармоника, определяющая вибросостояние кузова зельного вагона при возбуадекии колебаний дизель-генераторами, еет частоту 25 Га, что соответствует угловой скорости вращения ла дизель^генератора; б) вибрации кузова, зазываемые работой зэдь^генераторов, можно рассматривать независимо от колебаний, знйкавдих при движении вагона по неровностям рельсового пути.

Далее описывается система расчетных схем, имеющая иерархичвс-о структуру. В нее входят схемы от простейшей одномерной одно-¡совой (масса на пружине с демпферои) до наиболее точной прос-шственной пластинчато-стержневой модели кузова вагона; Исходя общих соображений и литературных источников,оцениваются границы »сообразности применения каждого класса расчетных схем в зази-ости от решаемой задачи. Одномерные модели и пространственную

одномассовую предлагается использовать для оценки в первом приближении эффективности виброизоляции, балочные и пластинчато-стержневые схемы рекомендуются для исследования колебаний кузова, а также для уточненной проверки качества найденных с помощью более простых моделей вариантов вибрсизоляции.

На основании проведенного анализа строится граф, вершины которого соответствуют классам расчетных схем, а ребра- вводимым между ними связям, отражающим информацию, передаваемую при математическом моделировании. Граф делится на подграфы, каждому из которых соответствует своя часть программного обеспечения, а свойства выделенных подграфов и предлагаемые маршруты их обхода определяют структуру представленных далее алгоритмов и программ. Таким образом, строится общая методика математического моделирования.

Далее во второй главе описывается программный кошлекс УТ£М , предназначенный для проектных и проверочных расчетов на ЭВМ систем вкброизоляции. Круг охватываемых им расчетных схем соответствует первому подграфу и включает одномерные одно-, двух- и многомассовую, а также пространственную одномассовую схему. Основной режим работы комплекса - проектные расчеты в диалоговой форме. Сначала известными в прикладной теории колебаний методами определяются параметры абстрактной системы вибрсизоляции,-которые позволяют получить наилучшие с точки зрения выбранного критерия, качества выходны динамические характеристики при выполнении накладываемых ограничений. Затем осуществляется, автоматизированный направленный поиск реальной системы виброизоляции, сформированной либо из стандартных, выпускаемых отечественной промышленностью амортизаторов, либо из нестандартных, для которых имеются в литературе расчетные формулы определения параметров и стандартизированные ряды размеров составных частей. При этом используется специально разработанная рели»онная база данных. Переходы между расчетными схемами, этапа-

в -расчета и т.д. выполняются на основании либо выдаваемых в ходе налога директив пользователя, либо автоматически при пакетной раг-оте. Функционирование комплекса в проверочном режиме ггредусматри-ает вычисление заданных функций выходных характеристик или собст-знных частот системы. Схема установки и параметры виброизоляторов гбо задаются пользователем, либо представляют результат предвари-эльно проведенного проектного расчета.

Проверочные расчеты по простейшей одномассовой одномерной схе-э показали, что устанавливаемая на серийно выпускаемых дизельных загонах система вибрешзоляции, состоящая из 12 амортизаторов АКСС-ЭШ, неэффективна на основной частоте вибраций, вызываемых рабо-ой дизель-генераторов. Коэффициент виброизоляции от силового воэ-¡пцения равен 1,36. С целью улучшения системы виброизоляция были зоизведены проектные расчеты о помощью программного комплекса 'НА . За критерий качества был выбран коэффициент виброизоляции э силе кц на частоте 25 Гц. Решение отыскивалось в определенной Зластя допустимых значений жесткостей и коэффициентов деютстгрова-1я при выполнении ограничения по отношению кх' амплитуда переме-зний дизель-генератора относительно кузова к амплитуде гармоничес-эго кинематического возмущения с частотой 2 Гц, имитирующего возражение колебаний от движения вагона по неровностям пути. Билл 13дены две рациональные схемы виброизолящш. Первая представляет эбой 16 стандартных амортизаторов АКСС-120И, а вторая - 12 пругшн-а виброизоляторов. Для выбранных схем виброизоляции, а также для грзйного варианта были произведены расчеты собственных частот по юстранственной одномассовой схеме. Результаты расчетов представят в табл. I и табл. 2. Индекс 2 соответствует вертикальному, Я и {/ - продольному и поперечному для дизель-генератора кал-шлениям. Индекс Р означает поворот вокруг соответству?щей оси.

Таблица I

Жесткостные параметры и критерии эффективности вариантов

виброизоляции

Вариант виброизоляшга Жесткости одиночного виброизолятора, Ц/ы Критерии эффективности виброизоля- 1 щга (в вертикально» направлении)

С*

кя кх.

АКСС-ЮСЕй -12 шт. 5,6x10® 2,6x10® 1,45хЮ7 1,36 0,0018

А КС 0-12(311 -16 шт. 1,5x10® 5,Цх105 1,2x10® 0,73 0,016

пружинных -шт. 7,7х105 7,7х105 3,6х105 0,059 0,11

Таблица 2

Собственные частоты систем вибршзоляции

Вариант Собственные частоты,

пкороизо.кцц и /I » / л /

Лтг Т

АлСС-4ии:.5 - 12 шт. 47,5 23,0 11,8 47,0 22,5 54,3

АКСС—120И - 16 шт. 15,8 П,4 4,3 21,7 8.1 26,7

пружинные - 12 шт. 7,5 И,7 2,1 22,0 4.4 ' 16,2

Аля перехода от балочной схемы к конкретным элемен ам конструкции вагона, а также для получения возможности рассматривать колебания кузова с формами, при которых'изгиб .хребтовой балкц цр .в-дяется определяющим, целесообразно использовать уточненный расчетные схемы. Это требует совершенствования методов математического моделирования колебаний кузова.

В тг-етьей глазе разрабатываются теоретические основы адгорит-* ма программы расчета колебаний кузова по конечноэлементным схемам, прелагается новый итерационный многосеточный метод, подучивший

название- ЙЗДОД. Основная идея метода была первоначально предложена н.т.н. И.Н.Серпик ом для расчетов по МКЭ статической прочности конструкций.Теоретические и практические аспект применения метода ИШСД к решению динамических задач существенно отличаются от таковых в статике, включая их в качестве частного случая. Разработка теории и вопросов практической реализации метода ИВМОД для исследования вынудценных колебаний сложной системы типа кузова дизельного вагона проводилась автором совместно с И.Н.Серпиком.

В отличие от классического МКЭ, в методе ИШОД функция г , шпрсксишрухяцая функцию перемещений Р на мелкой сетка „с , зтроится при одновременном использовании нескольких сеток 'у л) , сгущающихся с увеличением номера у , и представ-

шется в виде /7

, «У

■де /у' - линейная кшбинапля группы базисных функций, принадле-ащях сетке Лу • При образовании /// , Ру и следуе-зг аапш?-ять следующие условия:

йх/ = X ; У к8 Х\ их,- и>'); У,=Х,, с*)

це Х^' - множество узловых точек сетки Ну ; X - множество злов сетки 3 \ Уу - множество узлов, для которых на сетке Яу зодятоя базисные функции;

б) при I <■J границы конечных элементов сетки Не не передают границ конечных элементов оетки Ну ;

в) границы области определения г у принадлежат грани -ш конечных элементов сеток Н; (¿<¿1, и все узлы на этих гранп-IX принадлежат XI 3

г) Ру Ш*0 ; ' V (3)

д) базисные функции сеток Нявляются линейным ксыйгппзде-базисных функций сетки £ .

При удовлетворении перечисленных условий все базисные функции сеток Щ /у - п) линейно независимы, а конечномерные функциональные пространства, на которых отнекивается решение задач в алгоритме ИВМОД и на сетке £ о помощью обычного ЖЭ, совпадают. Узловые неизвестные сетки Ц/ при у фактически являются мест-ними перемещениями относительно перемещений узлов, связанных с более грубыми сетками.

Решение системы дифференциальных уравнений динамического равновесия организуется с помощью процедуры, осуществляющей блочное итерационное взаимодействие местных и общих деформаций

к»Лб/)-{р„)-2.АчШ'п, . (4>

/*/ ' Ъ д2

где Ац' - обозначение оператора [/(//] + [£¿/1 Л

[ /С/у]. С Су] , [М//] - матрицы, вычисляемые на основе соответственно матриц жесткости, демпфирования и масс конечных элементов Л- -й сетки. Матрица демпфирования принимается по Рэлею в виде [С]-с( ГМ] [к] . Оператор ^ определен на сравнительно гру -бой сетке. Специальным способом построения сеток удается добиться того, чтобы матрицы [ К^] , [С//] . [ М^] ) были блочно

диагональными с порядком каждого блока, равным количеству степеней свобода в узле. Таким образом, в каждой итерации необходимо решать несколько небольших систем дифференциальных уравнений. Если рассматриваются установившиеся гармонические колебания, то обычными приемами надо перейти от дифференциальных уравнений к алгебраическим относительно амплитуд узловых перемещений.

Теоретические оценки и тестовые расчеты показывают, что итерационный процесс (4) быстро сходится при существовании ограничен--ного решения. Это связано оо слабым взаимным влиянием местных и общих деформаций (обобщенных перемещений). При величинах вязкого демпфирования, соответствующих реальным конструкциям, высокая скорость сходимости итерационного процесса наблюдается практически при любых частотах возмущения. С увеличением демпфирования сходимость ускоряется.

Расчет собственных колебаний предлагается проводить на трубой сетке, решая обобщенную задачу на собственные значения для матрзц [К,/]3 СМ//] о помощью одного из трех известных численных кетодаэ-Якоби, итераций подпространства и деления спектра. Алгоритмы первых двух были заимствованы из литераторы без изменений, а для третьего в данной главе предлагается новый способ его практического использования, позволяющий с наименьшими затратами вычислительных ресурсов оценить близость системы к резонансу без определения собственных частот. Данный подход, основанный на двукратном разложении на треугольные множители матрицы динамической жесткости, целесообразно применять при проведении многовариантных расчетов сложных конструкций типа вагонных кузовов.

Четвертая глава посвящена описанию структуры программного обеспечения и результатов математического моделирования вибраций кузова дизельного вагона по уточненным конечноэлементннм схемам. На основе ШСЭ и разработанных его модификаций совместно с к.т.н. И.Н.Серпшсом был создан программный комплекс, предназначенный для расчета собственных частот и фора, а также амплитуд и фаз вынужденных гармонических и полигармонических колебаний кузовов вагонов. Рассмотрена общая структура комплекса и некоторые особенности его алгоритма.

Предусматривается использование конечных элементов двух типов-стеряневых с жесткими консолями на концах и пластинчатых треуголь-

них. Элементе имеют распределенную массу, кроме того, к узлам мо -гут прилагаться сосредоточенные инерционные составляющие по любой кз б степеней свободы.

Особое внимание уделено вопросам автоматизированного построения сеток и соответствующих им матриц, выполненного согласно методу ИШСД. Элементы подразделяются на два класса, условно называемые стандартными и нестандартными. Первые в процессе измельчения сетки делятся одинаков!'ы регулярным образом (процесс автоматизирован), а вторые - в каждо:. случае по-своеьг (добавление элементов делается вручную после выполнения авторазбивки). Отмечается, что при /7> 3 радаональным выбором конфигурации крупной сетки удается достичь при» еулеыой аппроксимации, используя только стактартные элементы» Осо»-бенно важно это при формировании матриц жесткости в масс сеток Н^ (у ^л) . Для стандартных элементов в данной главе выведены фор» ¡.гулы, позволяющие с наименьшими вычислительными затратами получить эти матрицы, используя сокращение одинаковых операций.

Полная матрица системы в явном виде не формируется, а строящиеся подматрицы блоков (в том числе самой крупной сетки) подвергаются разложению на множители при выполнении первой итерации, вследот-вии чего многократного решения каждой подсистемы уравнений не требуется. ,

Рассмотрены результата математического моделирования на осно* ве стержневой расчетной схемы, представляющей систему балок рамы дизельного вагона. Массы закрепленных на раме элементов оборудовав ния принимались сосредоточенными в узлах, а массы частей металлоконструкции распределялась равномерно по длине соответствупфх конечных элементов.

Расчет спектра собственных частот показал наличие составляющих, близких к основной частоте вибраций, вызываемых дизель-генераторами. Собственные формы, связанные с найденными частотами, ха-

ран терны пучностями колебаний в зоне кухни-салона и узлсм в месте установки дизель-генератора 3 I. Заметно проявляются изгибине колебания хребтовой балки. Одна из двух найденных собственных час -тот, близких к 25 Iij, соответствует форме с закручиванием хребтовой и некоторых промежуточных параллельных ей балок.

Рассмотрены результаты расчетов собственных частот вариантов конструкции рамы, соответствующих предложенным на основе балочной модели изменениям. Подтверждается возможность такими путями отстроиться от резонансной зоны и уточняется совокупность элементов, zeo-екости которых следует увеличить. Расчетами вынужденных колебаний 5шга установлено, что максимальное значение амплитуда снижается в 3,5 раза дан варианта, включающего перенос дизель-генератора Л 2, ' I в 1,5 раза в случае, предусматривающем только увеличение яесткоо-и промежуточных поперечных балок.

Далее в четвертой главе описывается математическое моделирова-ие колебаний кузова дизельного вагона, проведенное на плаотинча-о-стержневой схеме. Такая схема позволяет значительно более точно, ем стержневая, учесть влияние стен и крыш, подучить более полную ^формацию о вибросостоянии вагона. Применялась конечноэлементная шроксимация конструкции, использующая последовательность из трех »ток, построенных по методу ИВМСД. Имеющиеся в стенках вагона йрные и оконные вырезы учитывались приближенно, путем понижении ютветствущих жеоткостных параметров ортотропных пластин. Рама и я вагонё. представлялись стержневой системой, соединенной в общих лах о совокупностью треугольных пластинчатых элементов.

Раочет собственных частот системы по методу деления спектра, частотном интервале от 10 до 40 Гц дал значения ( в Их): 12,0; ,3; 24,2; 28,8; 32,6; 35,1; 37,5; 39,5. Таким образом, вайденн тзкие к основной частоте вибраций составляющие спектра кузова, ) подтверждает обнаруженный уже на более простых моделях факт

близости конструкции к резонансу. Для вариантов изменений параметров системы, предложенных о целью отстроиться от резонансной зоны, автором был использован способ оценки близости конструкции к резонансу без вычисления собственных частот. ■ Для обоих рассматривавших ся вариантов в частотном интервале от 20 до 30 не было обнаруже но собственных частот, что говорит о достаточно хорошей отстройке. Процессорное время, затраченное на такой проверочный расчет, оказалось на порядок меньше, чем при вычислении собственных частот конструкции серийного дизельного вагона. .

Математическое моделирование вынужденных колебаний кузова прс изводилось двумя способами - по методу ИШСЩ с трехсеточной аппров симацией и с помощью обычной процедуры МКЭ на самой мелкой сетке, получившейся автоматизированно при выполнении расчета по методу ИШОД. Возмущение задавалось от дизель-генератора Ш 2,гармоничес -кое с частотой 25 Гц и амплитудами силовых факторов, полученными расчетом вынужденных колебаний дизель-генераторной установки по пространственной одномасаовой 'схеме.

Суммарные затраты процессорного времени при использовании метода ШШД оказались примерно в 10 раз меньше, чем в случае обычной процедуры МКЭ. При этом итерационный процесс, организованный по методу ИШОД,быстро, сходится к решению на самой мелкой сетке. Наибольшие вертикальные амплитуды наблюдаются в узлах, соответств; вдих полу кухни-салона и дизельного отделения.

Математическое моделирование резонансного режима показало, что и б этом случае итерационный процесс, сходится достаточно быст ро.

Рассмотрены результаты расчетов вынужденных колебаний при ра личных вариантах задания возмущения и демпфирования. Их анализ по зболил сделать выводы о сравнительно слабом влиянии дизель-генера гора Д I на вибросостояние вагона, а также сравнить эффективноета

различных систем виброизоляции по критерию максимальных амплиоуд пола.

В пятой главе описывается экспериментальное исследование вызываемых дизелъ-генера'торами вибраций, а также рассматриваются некоторые аспекты их нормирования. Показано, что актуальной является задача разработки норм, опнравдяхся на международные требования, считывающих специфику дизельного вагона и удобных для приемо-сдаточ-шх испытаний в цеховых условиях. Путем обобщения результатов исоле-гсвания рефрижераторных секций, проводившегося ВШИНТ, данных, со-!ранннх бюро надежности СКВ ПО ШЗ, и опросов бригад механиков, обслуживающих секции, была определена ежесуточная продолжительность юздейотвия вибрации, вызываемой дизель-генераторами,для каждого смещения. При получении предельно допустимых значений за оонозу зят международный стандарт ИСО 2631-78. В соответствии с ним, в ачестве критериев нормирования были приняты: комфорт для.купе от-ыха и производительность труда - для остальных помещений. В итоге мучены допустимые значения вертикальных и горизонтальных вябро-зкорензй для основных помещений дизельного вагона. Приводятся зактические рекомендации по проведению измерений вибрации при при-,го-сдаточных испытаниях.

Далее описываются результаты обследования гибросостояния де-гти дизельных вагонов, принятых контролирующими подразделениями, е. имеющих приемлемые вибрационные характеристики. Установлено, •о наиболее вибронагруявншми являются точки вблизи центра кухни-, лона, столика в щитовой, а также точка медду дизель-генераторами дизельном отделении. Построенные доверительные интервалы для едних значений параметров вибраций укладывается в предложенные рмы. Однако желательно добиться в перспективе выполнения крите-я "граница комфорта" не только в купе отдыха. Результата испыта-1 также показали, что дазель-генератор # 2 вызывает вибрации ста-

тисотчески более значимые, чем дизель-генератор № I.

Измерения, проведенные на неблагополучном с точки зрения вибраций вагона , показали превышение в несколько раз величин амплитуд, полученных осреднением по десяти обычным вагонам. При этом отмечено хорошее согласование на качественном уровне экспериментально найденной формы колебаний хребтовой балки и собственной формы, соответствующей ближайшей к 25 Гц собственной частоте, полученной расчетом.

На следующем этапе экспериментального исследования силами сотрудников ПО ШЗ и Е1ТМа при участии автора были проведены виброметрические испытания дизельных вагонов с различными системами виброизоляции. Установлено, что изменение количества амортизаторов АКСС-400М не позволяет улучшить виброзащиту кузова. Сравнение зарегаст-рированных параметров вибраций пола при серийном (12 амортизаторов АКСС-400М) и двух опытных (16 амортизаторов АКСС-120И и 12 пружинных) вариантах виброизоляции показало, что обе предложенные системы существенно эффективнее серийной. Однако улучшение виброзащиты пола вагона оказалось (прежде всего, для пружинных амортизаторов) далеко не столь значительным, как это ожидалось по результатам расчетов на простейших схемах, исходя из которых были предложены опытные варианты. Дучшв согласуются полученные экспериментальные данные о математическим моделированием колебаний кузова по пластинчато-стержневой схеме.

Построены амплитудно-частотные характеристики при возбуждении вибраций с меняющейся угловой скоростью вращения вала дазель-гене-ратора. Полученные частоты резонансных пиков с достаточной точ -ностью совпадают с найденными расчетным путем собственными частотами кузова. При всех трех вариантах виброизоляции обнаружен резонансный эффект в зоне номинальной частот вращения вала дизель-генератора, что объясняет случаи резко повышенных вибраций на отдельных вагонах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕШЯЗЩЦШ

1. Разработана уточненная методика математического моделирования колебаний дизельного вагона', вызываемых работой энергетического оборудования. В основе методики - иерархическая система расчетных схем, каждая ступень которой позволяет решать определенный круг задач. -

2. Создан программный комплекс, позволяющий осуществлять проектные и проверочные расчеты систем Еиброизодяцпи по одномерным схемам и пространственной одномассовой.-

3. Разработан численный метод исследования колебаний (ЖЮД) сложных конструкций типа вагонных кузовов, представляющий модификацию !.ЯЭ. Метод моделирует итерационное взаимодействие местных л общих деформаций путем построения сгущающейся последовательности сеток, в которой местными являются перемещения узлов, принадлежащих более мелким сеткам. Слабое взаимное влияние местных и общих перемещений приводит к высокой скорости сходимости итерационного про -цесса решения уравнений динамического равновесия. В 10 раз уменьшаются вычислительные затраты.

4. Предложен расчетный способ сценки близости систем к резонансу без вычисления собственных частот, использующий двукратное разложение на множители матрицы динамической жесткости.

5. По построенным экспериментальным путем амплитудно-частотным характеристикам и результатам расчетов установлено околорезонансное состояние кузова, что является причиной появления дизельных вагонов с резко повышенными вибрациями.

6. На основе балочной схемы найдены пути отстройки от резонансной области - перенос дизель-генератора № 2 к лобовой стене- вагона и увеличение жесткости промежуточных поперечных балок в зоне между дизельным отделением и щитовой. По стержневой схеме рамы эти изменения уточнены, а по пластинчато-стержневой схеме для них под-

тверждена отстройка от резонансной зоны о учетом пространственная форм колебаний кузова в целом.

7. Расчетом по пластинчато-стержневой схеме максимальные амплитуда вертикальных колебаний получены в узлах, ооответствуияих полу кухни-салона и дизельного отделения, что согласуется с результат тами виброыетрирования десяти дизельных вагонов.

8. Предложены способы нормирования и допустимые значения параметров вибраций, основанные на международном стандарте ИСО и учитывающие специфику условий труда и отдыха персонала и режимы работы оборудования дизельного вагона.

9..Установлено, что на основной частоте колебаний оерийный вариант виброизоляции, включающий 12 'амортизаторов АКСС-400М, неэффективен. Получены улучшенные системы виброизоляции, одна из которых состоит из 16 амортизаторов АКСС-12Ш, а другая - из 12 пру-ЖИЕНЫХ.

10. Разработанная методика и программное обеспечение исследования вибраций, вызываемых энергетическим оборудованием, рекомендуются к применению КБ и НИЛ отрасли при проектировании и модернизации вагонов, создании оистем автоматизированного проектирования.

Предложенные модификации МКЭ могут использоваться при математическом моделировании колебаний конструкций в"различных отраслях машиностроения.

■ Результаты диссертационной работы внедрены на ПО ВИЗ в рамках I очереди САПР ПО ЕЛЗ и использованы.при выполнении темы плана новой техники, Г86.4.01.021 ОТ "НИР и ОКР по повышению эксплуатационных качеств, надежности и долговечности рефрижераторных вагонов и их узлов".

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

I. Серпик И.Н., Евельсон Л.И. Алгоритм расчета динамики конструкций по методу конечных элементов на основе итерационного вза-

имодействия местных и общих'деформаций. - Брянс. ин-т транспорта, маа-ния. - Брянск, 1987. - 19 с. - Деп. в ВИНИТИ 9 февраля 1987 г. В Э47-В87.

2. Сердин И.Н., Евельсон Л.И. К вопросу о применении алгоритмов итерационного взаимодействия местных и. общих деформаций //Акту алыше проблемы машиноведения. Тез. докл. XI конф. молодых ученых института машиноведения АН СССР (Москва, март 1987 г.). - Москва: ШАШ, 1987. - С. 47-48.

3. Евельсон Л.И.> Серпик И.Н. Алгоритм расчета колебаний кузова дизельного вагона рефрижераторной секции на основе многосо -точной итерационной процедуры //Всцрсоы качества, надежности, прочности и долговечности машиностроительной продукции: Тез. докл. m науч.-техн. конф. (Калинин, 1987 г.) - Калинин, 1987. - С. 50-52..

4. Евельсон Л.И., Серпик И.Н. К решению статических п динамических задач механики деформируемого твердого тела на основе алгоритма итерационного взаимодействия местных и общих деформаций //Численная реализация физик Ог&еханяческих задач прочности: Тез. докл. П Всесоюз. конф. (Горький, 1987 г.). - Горький, 1987. - С. 89-90.

5. Евельсон Л.И., Серпик И.Н. Исследование вибраций дизельного вагона рефрижераторной секции //Проблемы механики железнодорожного транспорта: Тез. докл. Всесоюз. конф. (Днепропетровск, май 1988 г.) - Днепропетровск: ДИИТ, 1988. - С. 134-135.

6. Евельсон Л.И., Серпик И.Н. Разработка принципов декомпозиции в исследовании динамики сложных вагонных конструкций //Лерспек-гивы развития вагоностроения: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн.

<онф. (Москва, ноябрь 1988 г.). - М.: ВШИВ, 1988. - С. 166-167.

7. Аддюхов В.А., Гоз Л.А., Евельсон Л.И., Иванова C.B. Стада-шаркые виброметрические испытания дизельных вагонов рефрижератор-

т секций //Динамика, прочность и надежность транспортных машин:

Сб. научн. тр. - Брянск: ШШ, 1990. - С. 30-34.

Подписано в печать 2.4,1120 Формат 60x84 1/16

Бумага типографская 1ё 2 Офсетная печать Печ. л. I Уч.-изд. л. I Т. 100 экз. Заказ Бесплатно

Брянский ордена "Знак Почета" институт транспортного машиностроения

241035, Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7

Подразделение оперативной полиграфии у/1р. ста.ти.сгп.и.ки-