автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Обоснование показателей, характеризующих новационность конструкций поглощающих аппаратов автосцепки в условиях маневровых соударений

Ь1а правах рукописи

КОТУРАНОВ ВАСИЛИИ АНДРЕЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ НОВАЦИОННОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ПОГЛОЩАЮЩИХ АППАРАТОВ АВТОСЦЕПКИ В УСЛОВИЯХ МАНЕВРОВЫХ СОУДАРЕНИЙ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов

и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2014 г.

005550627

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" МГУПС (МИИТ) на кафедре "Вагоны и вагонное хозяйство"

Научный руководитель: Петров Геннадий Иванович доктор технических

наук, профессор

Официальные оппоненты: Бороненко Юрий Павлович доктор технических

наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет

путей сообщения», заведующий кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство». Антипин Дмитрий Яковлевич кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Подвижной состав железных дорог» Ведущая организация: ЗАО научная организация «Тверской институт

вагоностроения»

Защита состоится "25" июня 2014 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д218.005.01 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, Д.9, стр. 9, ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.miit.ru МГУПС (МИИТ)

Автореферат разослан "25" апреля2014 г.

Ученый секретарь / ' Воронин Николай

диссертационного • Николаевич

совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сохранность вагонов и грузов, которые в них перевозятся, в значительной мере зависит от нагрузок, действующих на подвижной состав. Очень часто эти нагрузки относятся к числу ударных, обусловленных резким изменением скоростей движущихся вагонов при маневровой работе и при переходных режимах (торможение, трогание с места) движения поездов. Противоударная амортизация единиц подвижного состава осуществляется с помощью поглощающих аппаратов автосцепки. Существует большое число различных типов конструкций этого важного узла, устанавливаемого на тяговых и нетяговых единицах железнодорожного транспорта.

Аппараты имеют два функциональных компонента. Упругий компонент преобразует часть кинетической энергии удара в потенциальную энергию упругой деформации рабочих узлов, а диссипативный, поглощает и рассеивает другую часть энергии. Когда поглощающий аппарат автосцепки не справляется с этой задачей в условиях маневровой и поездной работы, он закрывается. В частности, закрытие аппарата может происходить и при его квазистатическом сжатии в поезде (плавное трогание поезда с места), когда упругий компонент не имеет необходимого усилия сопротивления. Различие аппаратов обусловлено тем, как технически реализуется два вышеназванных компонента. Эти компоненты обуславливают рабочие качества поглощающих аппаратов.

Если рабочие характеристики аппарата обеспечивают выполнение названных условий и аппарат востребован потребителем, то можно считать, что конструкция его практически отвечает современным требованиям. Но более значимым показателем современных конструкций поглощающих аппаратов автосцепки является их новационность. Под новационностью поглощающего аппарата автосцепки -автор понимает наличие в аппарате нововведений, признанных в стране и за рубежом: качественно новых технических решений, новой конфигурации, новых материалов, новых способов гашения энергии или новых технологий, обеспечивающих его существенное преимущество по показателям применения в условиях маневровой и поездной работы.

Акцентирование внимания на обеспечении заданного уровня сил и хода при заданном значении скачка скорости имеет большую актуальность, так как от этого во многом зависит решение задач безопасности эксплуатации подвижного состава на сети железных дорог. Степень разработанности темы. Над поставленными вопросами работали авторитетные научные школы и крупные ученые и изобретатели БГТУ ВНИИЖТ ВНИИВ, ПГУПС, МИИТ, ОАО «РЖД» и др. На базе этих исследований созданы теория, методы расчета и испытаний, нормативная база для конструирования поглощающих аппаратов автосцепки. Значительный вклад в развитие теории и практики создания поглощающих

аппаратов внесли Никольский JI.H, Кеглин Б.Г., Болдырев А.П., Каракашьян З.О., Першин В.Я., Филиппов В.Н., Феоктистов И.Г., Беспалько C.B., Ступин Д.А., Белоусов А.Г., Фатьков Э.А и др.

В научно-технический обиход введен целый ряд понятий, относящихся к оценке рабочих качеств аппаратов автосцепки. Наиболее значимый из них - энергоемкость (количество энергии, воспринимаемой аппаратом при полном его ударном сжатии). Создается впечатление, что этим показателем ограничиваются все оценки. Большая энергоемкость — хороший аппарат, меньшая — хуже. В мировой практике оценки качества противоударной защиты производятся по максимально допустимому ходу àmax, максимально допустимой силе Fmax, максимально допустимой скорости vmax столкновения.

Эти качества более понятны потребителю, чем энергоемкость. Очевидна полезность проведения разработок, расширяющих круг традиционных оценок ударной амортизации.

Объект исследования. Поглощающие аппараты автосцепки железнодорожного подвижного состава, наиболее распространенные на рынке этой техники. Предмет исследования. Компьютерное моделирование процессов соударения вагонов, формирование на основе их результатов информационно-методического

обеспечения процессов выбора конкретных типов аппаратов для заданного вагона и математическое обоснование показателей, характеризующих

новационность конструкций поглощающих аппаратов автосцепки.

Цель работы - обосновать номенклатуру показателей, характеризующих новационность конструкций

поглощающих аппаратов автосцепки, разработать критерии уровня рабочих качеств аппаратов, произвести оценку характеристик аппаратов на основе компьютерного анализа моделей маневрового соударения вагонов. Задачи исследования. Для реализации цели работы поставлены и решены следующие задачи: - модернизировать существующую программу расчета рабочих качеств поглощающих аппаратов автосцепки и построить графики зависимости сил удара от скорости соударения; зависимости сил соударения от массы; графики накапливаемой аппаратами энергии от скорости соударения; зависимости накапливаемой энергии от максимального усилия; диаграммы, отражающие зависимость максимального значения усилий от скорости и массы соударяющихся вагонов;

обосновать номенклатуру показателей, характеризующих новационность конструкций

поглощающих аппаратов автосцепки, разработать рейтинговые критерии уровня рабочих качеств аппаратов; Научная новизна заключается в модернизации существующей компьютерной программы для оценки рабочих качеств поглощающих аппаратов автосцепки путем введения в модель технологии перехода от одной расчетной схемы к другой; впервые получены двумерные

диаграммы изменения сил в зависимости от массы и скорости соударения, построены графики зависимостей сил и хода от скорости; впервые обоснованы наиболее значимые показатели, характеризующие новационность конструкций поглощающих аппаратов автосцепки и предложены интегральные рейтинговые критерии количественной оценки уровня новационности их конструкций.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Впервые введено понятие «новационность» поглощающих аппаратов автосцепки, методами экспертных оценок выбраны наиболее значимые показатели, характеризующие новационность их конструкций, предложены интегральные рейтинговые критерии количественной оценки уровня новационности.

Разработана технология моделирования

маневрового соударения вагонов, позволяющая сравнительно просто переходить от одной схемы соударения к другой, изменяя при этом параметры жесткости, вязкости, скачков усилий при численном решении дифференциальных уравнений, описывающих динамику процессов соударений. Предложены варианты модернизации двух типов аппаратов АПЭ-120-И и ПМК-110 А.

Методология и методы исследования. Материалы исследования основаны на трудах отечественных и зарубежных ученых в области динамики вагонов, теории и практики конструирования и испытаний поглощающих

аппаратов автосцепки, теории упруго-вязкого удара, научных принципах математического анализа, а также теоретических и практических подходах к моделированию процессов соударения вагонов. В качестве методов исследования использованы: методы математического описания процессов соударения вагонов и методы решения дифференциальных уравнений; методы экспертных оценок и математической статистики. Положения работы, выносимые на защиту: - сводные двумерные диаграммы зависимости реакций от скорости и массы, включающие области допустимых и недопустимых значений; зависимости поглощаемой аппаратами энергии от скорости соударения; зависимости энергоемкости поглощающих аппаратов от максимальной реакции, полученные впервые для совокупности конструкций поглощающих аппаратов автосцепки для трех схем соударения вагонов на основе компьютерного моделирования.

-совокупность наиболее значимых показателей, характеризующих новационность конструкций поглощающих аппаратов автосцепки и интегральные рейтинговые критерии количественной оценки уровня новационности их конструкций, полученные на основе методов экспертных оценок и методов математической статистики.

Вклад автора в полученные результаты', модернизация, существующей компьютерной программы для оценки рабочих качеств поглощающих аппаратов автосцепки с

учетом изменений параметров жесткости, вязкости, скачков усилий при численном решении дифференциальных уравнений; разработка сводных двумерных диаграмм изменения сил в зависимости от массы и скорости соударения, позволяющих определять величину реакции при заданной скорости соударения и массы вагонов для различных конструкций поглощающих аппаратов автосцепки; научно обоснованы наиболее значимые показатели, характеризующие новационность конструкций поглощающих аппаратов автосцепки с помощью методов экспертных оценок и методов математической статистики; непосредственное участие в проведении многочисленных численных экспериментов по моделированию процессов соударения вагонов, построении графиков, в апробации и интерпретации полученных результатов; подготовка основных публикаций по выполненной работе. Степень достоверности результатов работы подтверждается тем, что'. работа выполнена с использованием программного продукта, который прошёл длительную апробацию; использованы современные методики сбора и обработки исходной информации; теория построена на известных, проверяемых данных, обобщении передового опыта; результаты

моделирования сходятся с расчётными и

экспериментальными данными, полученными другими исследователями; результаты экспертных оценок проверены совокупностью различных критериев, коэффициентом конкордации и критерием Пирсона.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на семинарах кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство»

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 5 - в изданиях рекомендованных ВАК России. Общий объем публикаций составляет 1,85 п.л., авторских - 0,8 п.л. Структура и объем диссертации. Представленная диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, 66 библиографических данных, она включает 181 стр. машинописного текста, 99 рисунков и 8 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении раскрыта актуальность и степень разработанности темы, сформулированы цель и задачи исследования, объект и предмет, научная новизна и практическая значимость, методология и методы исследования, положения, выносимые на защиту, вклад автора, степень достоверности и апробация результатов. В первой главе "Краткий обзор работ по проблемам защиты вагонов от воздействия продольной ударной нагрузки" приводится краткий анализ работ по проблеме продольной амортизации вагонов. Обращается внимание на многообразие устройств, обеспечивающих продольную амортизацию. Общее у всех аппаратов - присутствие двух или совмещение двух компонентов - упругого и диссипативного. Видом этих компонент определяется принципиальная разница конструкции аппаратов. В обзоре

сделана попытка подразделить проблемы, связанные с исследованием аппаратов, на два направления. Одно соответствует разработке вариантов поглощающих аппаратов и оценке их достоинств и недостатков при маневровых соударениях, а другое связано с работой аппаратов в поездных условиях.

В обзоре названы многие специалисты, посвятившие свои исследования и разработки различным поглощающих аппаратам и достигшим заметных результатов. Отмечено, что тренд современных разработок - эластомерные поглощающие аппараты. В области второго направления —

продольной динамики поезда отмечена роль академика В .А. Лазарян и профессора C.B. Вершинского и их последователей. Обращается внимание на литературу по теории удара. По сути, она содержит фундаментальные основы проектирования противоударных устройств.

Выполненный обзор позволил наметить направления исследований предлагаемой диссертационной работы.

Во второй главе "Расчетные схемы и модели маневрового соударения вагонов, анализ рабочих показателей, влияющих на уровень новационности поглощающих аппаратов автосцепки" построены модели и

анализируется эффективность рабочих качеств аппаратов на основе компьютерного моделирования процессов маневрового соударения вагонов. Вагоны оборудуются аппаратами различных типов. Режим маневровой работы

наиболее тяжёлый по уровню возникающих продольных сил: рассматриваются удар вагона-бойка в упор, в подпертый вагон, в свободностоящий вагон. Приводятся расчётные схемы и математические аналоги этих расчётных схем, они показаны на рисунке 1.

' К[(Х1-Х2),(Х,-Х2)]

Рисунок 1 Схемы соударения вагонов

На рисунке 1 (а) представлена схема расчета удара вагона в упор. Моделирующее уравнение этого случая соударения имеет вид: тх1+Я{х1,х,)=0;

На рисунке 1 (б) показана схема удара в подпертый вагон. Моделирующее уравнение для этого расчетного случая имеет вид: +Л1КХ1 -*2)] = о 1

т2х2 - Л, [(*, - х2\(х, -)] + Я2 (х2,х2 ) = 0 Г

На рисунке 1 (в) показана схема удара в свободно стоящий вагон. Моделирующее уравнение для этого

расчетного случая имеет вид: -*2)] = 0]

т2х2 -д[(*, -х2\(х1 -х2)]=0|'

Начальные условия: при /=0 х;=0, х,=У, для схем (б) и (в) дополнительно х2=0, х2=0.

Развернутую форму моделирующих уравнений, сведенную к системам уравнений первого порядка, целесообразно привести в матричном виде, который будет удобен при численном интегрировании по методу Эйлера (задача с начальными условиями). 5 = №+?,

где а = ЁЪ *Ь. - вектор производных от

V М ж Л Л )

искомых функций;

Х2 V, vJ - вектор искомых функций (компоненты вектора могут быть в степенях при нелинейных задачах);

т\ Щ т1 щ

т2 т2 т2 т2

о 0 10

о 0 0-1

матрица коэффициентов жесткости и демпфирования, в общем случае зависящих от времени и от скорости в нелинейных задачах. В линейных - показатель степени скорости п= 1; ср - коэффициент передачи усилия;

С1

а е2

л7"

^2-0 0 т, т„

— вектор суммы усилий начальной

затяжки Q и сил постоянного сухого трения sign vi,2-F, в котором можно отразить скачки усилий на каждом шаге интегрирования.

Система уравнений написана для случая удара в подпертый вагон, поскольку этот случай наиболее общий. Эту систему просто адаптировать для двух других случаев маневрового соударения. Для каждого z'+l шага интегрирования принята формула:

где [е] - единичная матрица порядка матрицы [с]; At - шаг интегрирования.

На каждом шаге интегрирования можно отслеживать скачки и изменения параметров модели. В частности, если |([е]+дг[с])ь,|£|д/-q\, то в векторе ьм первые

две компоненты, относящиеся к перемещениям,

обнуляются. Если в векторе ъм первые две компоненты

Т т

больше S - хода аппарата (xI(i+!) x2(i+i)) > (<> , то в матрице [с] в элементах, где есть жесткости с}, с2 в первой и второй строке, надо подставлять cjm, где ск - жесткость рамы кузова вагона.

На основе анализа математических моделей, с учётом исходных данных приведённых в диссертации (масса вагона — 100 тонн, скорость соударения - 1,39 м/с (5 км/ч)) для случая удара вагона в упор, построены графики зависимостей реакций в автосцепке от времени

для двух типов поглощающих аппаратов. График изменения реакции от времени имеет характер затухающих колебаний со срывами из-за сил сухого трения. Максимум реакции ориентировочно соответствует времени, равному четверти периода колебаний.

Далее в диссертации приводится серия графиков, на которых показаны динамические силовые характеристики аппаратов Ш-1-ТМ, Ш-6-ТО-4, Ш-2-В, ПГФ-4, ПМК-110-А, АПЭ- 120-И,

В автореферате приводятся силовые характеристики аппаратов ПМК-110-А и АПЭ-120-И рисунки 2 и 3.

Приведение этих рисунков обусловлено тем, что ниже будут рассматриваться вопросы их совершенствования. У пружинно-фрикционных аппаратов линия прямого хода, по сути, не зависит от скорости, а у эластомерных зависимость существенная и при увеличении скорости, уровень поглощения энергии выше, хотя это общеизвестный факт, но материалы, помещённые в диссертации, подробно их иллюстрируют.

Полезную информацию можно получить, обратившись к графикам зависимостей максимальной реакции в автосцепке от скорости соударения, рисунок 4. Как видно из графиков максимальная реакция при увеличении скорости возрастает нелинейно. В третьей главе "Моделирование рабочих качеств поглощающих аппаратов автосцепки при различных схемах соударения. Рейтинговая оценка рабочих качеств поглощающих аппаратов, характеризующих новацион-

ность их конструкций" показан материал углублённого анализа рабочих качеств поглощающих аппаратов.

7 !

Рисунок 3 Силовая характеристика аппарата АПЭ-120-И. Удар вагона в упор

Рисунок 2 Силовая характеристика аппарата ПМК-110-А. Удар вагона в упор

Рисунок 4 Зависимость максимального значения реакции от скорости. Удар в упор, масса 100 т.

В таком виде он не встречался в литературе. По мнению автора диссертации, его можно отнести к инновационному, он содержит сводные, двумерные диаграммы зависимостей реакций аппаратов от скорости и массы, зависимости максимальных реакций от кинетической энергии вагона-бойка, поглощаемой аппаратами энергии от скорости соударения, от максимальной реакции. Последние две зависимости определяют пути совершенствования аппаратов. Приведём для примера двумерные диаграммы для аппарата ПМК-110-А рисунок 5.

На этом рисунке обозначены линии уровня реакций. Справа снизу вверх значения их при рассмотрении кривых по возрастающей слева на право. Светлая область — допускаемый уровень, тёмная - усилия, превышающие допускаемые значения.

Рисунок 5 Зависимость максимального усилия от скорости и массы. ПМК-110-А. Удар в упор

В диссертации для двух аппаратов с наибольшей энергоёмкостью - АПЭ-120-И, Ш-6-ТО-4, построены обобщённые зависимости максимального значения реакции в автосцепках от кинетической энергии вагона-бойка. В этой же главе рассмотрен большой объём информации относящейся к оценке рабочих характеристик всех поглощающих аппаратов. Проведённые исследования заостряют внимание на том, что целесообразно силовые характеристики аппаратов дополнять графиками зависимости силы и хода от скоростей их соударения. Такие зависимости приведены для аппаратов двух типов ПМК-110-А и АПЭ-120-И (рисунки 6 и 7).

Методами экспертных оценок и математической статистики научно обоснованы наиболее значимые показатели, характеризующие новационность конструкций поглощающих аппаратов автосцепки: энергоемкость, ход аппарата, конечное усилие статического сжатия, усилие начальной затяжки и масса аппарата. Эти показатели отражают конструктивное совершенство аппаратов (ход и масса) и свойства многорежимности - способности аппарата обеспечивать сохранность грузов и конструкций при маневровой и поездной работе (энергоемкость, конечное усилие статического сжатия и усилие начальной затяжки).

Предложены два интегральных критерия для количественной оценки новационности конструкций поглощающих аппаратов, учитывающие выше указанные показатели, и использующие рейтинговый подход. Проведены сравнительные исследования рабочих качеств различных аппаратов.

В четвёртой главе "Анализ направлений повышения энергоемкости эластомерного поглощающего аппарата АПЭ-120-И в случае предполагаемого увеличения усилия закрытия» отражены пути совершенствования силовой характеристики этого аппарата за счет изменения формы линии сжатия силовой характеристики.

/

/

У

У У У у /

У У У

У У У

/ у У У ^

1,5 у.м/с

~~~" Максимальная реакция

— 'Ход аппарата

Рисунок 6 Зависимость максимальной реакции и хода аппарата ПМК-110-А от скорости

* У У' у

У У у /

/ У У у

У У /

У У

____— / —■

~~ Максимальная реакция

*Ход аппарата

Рисунок 7 Зависимость максимальной реакции и хода аппарата АГТЭ-120-И от скорости соударения

У эластомерных аппаратов линия прямого хода зависит от скорости сжатия и уровня сил вязкого трения, естественно, и от жёсткости рабочего тела. Были выполнены многовариантные расчёты для случая удара в упор вагона с модернизированным аппаратом АПЭ-120-И-М, из которых следует, что модернизация позволяет поднять энергоёмкость с 0,14 МДж до 0,215 МДж. Эффективность предлагаемых решений подтверждена увеличением рейтинга новационности модернизированного аппарата.

В пятой главе «Анализ направлений повышения энергоемкости пружинно-фрикционного поглощающего аппарата ПМК-1ЮА в случае предполагаемого увеличения усилия закрытия» отражены результаты по модернизации этого аппарата за счет увеличения в одинаковое число раз жесткостей обеих пружин и посредством внесения конструктивно-параметрических изменений. Эффективность этого решения подтверждена увеличением рейтинга новационности модернизированного аппарата.

Заключение

В работе на основании выполненных автором научных исследований изложены новые научно обоснованные технические решения по обоснованию показателей, характеризующих новационность поглощающих аппаратов автосцепки, имеющие существенное значение для развития железных дорог страны. Основные выводы и результаты:

1) Введено и дано определение понятия «новационность» для поглощающих аппаратов автосцепки. Методами экспертных оценок и методами математической статистики обоснованы наиболее значимые показатели (энергоемкость, ход, конечное усилие статического сжатия, усилие начальной затяжки, масса аппарата), характеризующие новационность конструкций поглощающих аппаратов автосцепки.

2) Предложены интегральные критерии, учитывающие установленные показатели, для оценки рабочих качеств поглощающих аппаратов автосцепки. Проведены сравнительные исследования конструкций различных поглощающих аппаратов по этим критериям. Установлены конструкции аппаратов, имеющих наиболее значимые признаки новационности.

3) Осуществлена модернизация существующей компьютерной модели, которая позволила получить большой объем информации о рабочих качествах поглощающих аппаратов. В процессе анализа конструкций поглощающих аппаратов и данных, полученных с использованием компьютерного моделирования, были сформулированы предложения по модернизации конструкции эластомерного поглощающего аппарата АПЭ-120-Ии конструкции поглощающего аппарата ПМК-110 А.

4) Предложено осуществлять модернизацию поглощающего аппарата АПЭ-120-И посредством уменьшения объема камер сжатия эластомера и увеличения силы вязкого трения в 1,206 раза путем уменьшения площади проходных отверстий.

5) Установлена эффективность предлагаемых технических решений: энергоемкость при усилии 2 МН повышается на

22 %, рейтинг конструкции - 3,24%.

6) Предложена модернизация поглощающего аппарата ПМК-110-А путем увеличения длины жесткой пружины и её жесткости, уменьшения предварительной деформации пружины. Показано, что в этом случае повышение энергоемкости аппарата при усилии 2 МН может составить 37%. Рейтинг конструкции повышается на 21%.

7) Определены и проанализированы рабочие характеристики основных типов поглощающих аппаратов автосцепки, устанавливаемых на вагонах; предложены двумерные диаграммы зависимости максимальных усилий от скоростей соударения и масс вагонов.

8) Полученные результаты внедрены в учебный процесс МГУПС (МИИТ).

Основные научные результаты и положения кандидатской диссертации опубликованы в следующих работах:

1) Котуранов, В. А. Повышение энергоемкости поглощающих аппаратов грузовых вагонов [Текст] / В. А. Котуранов // Транспорт Российской федерации. - СПб, 2013,- с. 40-42.

2) Сергеев, К. А. Определение характеристик жесткости противоударных устройств вагонов [Текст] / К. А. Сергеев, М. П. Козлов, В. А. Котуранов // Наука и техника транспорта.-2013. -№3.- с.59-62.

3) Козлов, М. П. Расчетная оценка рабочих характеристик

поглощающих аппаратов автосцепки [Текст] / М. П. Козлов, В. А. Котуранов // Железнодорожный транспорт -2014. - №2. - с.72-73.

4) Сергеев, К. А. Показатели инновационности технических решений по конструкциям грузовых вагонов, имеющих численные оценки [Текст] / К. А. Сергеев, М. П. Козлов, В. А. Котуранов // Наука и техника транспорта. -2012.-№4.- с.95-97.

5) Козлов, М. П. Линейные ускорения опорных точек кузова [Текст] / М.П. Козлов, М.В. Козлов, В.А. Котуранов // Мир транспорта. 2013. - №2. - с. 38-40.

6) Филиппов, В. Н. Восьмиосные вагоны [Текст] / В. Н. Филиппов, В. А. Котуранов [и др.] // Железнодорожный транспорт. — 2011. - №7. - с. 64-65.

КОТУРАНОВ ВАСИЛИЙ АНДРЕЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ НОВАЦИОННОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ПОГЛОЩАЮЩИХ АППАРАТОВ АВТОСЦЕПКИ В УСЛОВИЯХ МАНЕВРОВЫХ СОУДАРЕНИЙ Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать ИЛ.оц.ШЫ г. Заказ № В! 5 Формат 60x90/16 Тираж 80 экз._Усл. печ.л. - 1,5_

УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д.9, стр. 9.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

МГУПС (МИИТ)

На правах рукописи

04201458479

Котуранов Василий Андреевич

Обоснование показателей, характеризующих новационность конструкций поглощающих аппаратов автосцепки в условиях маневровых соударений

Специальность 05.22.07 -Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук,

профессор Петров Геннадий Иванович

Москва-2014

Оглавление

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

1 Краткий обзор работ по проблемам защиты вагонов от воздействия продольной ударной нагрузки..................................................................15

1.1 Роль научных школ ВНИИЖТ, ВНИИВ, БГТУ, МИИТ в развитии теории и конструкций поглощающих аппаратов автосцепки и динамики вагонов...................................................................................15

1.2 Перспективные направления развития поглощающих аппаратов и новые подходы к исследованию их характеристик...........................20

Выводы по главе 1 .........................................................................24

2 Расчетные схемы и модели маневрового соударения вагонов, анализ рабочих показателей, влияющих на уровень новационности поглощающих аппаратов автосцепки...........................................................................26

2.1 Расчетные схемы и модели маневрового соударения вагонов..............26

2.2 Моделирование процессов соударения вагонов, оснащенных различными типами аппаратов по схеме удар в упор. Анализ рабочих характеристик аппаратов...................................................................29

Выводы по главе 2.........................................................................41

3 Моделирование рабочих качеств поглощающих аппаратов при различных схемах соударения. Рейтинговая оценка рабочих качеств поглощающих аппаратов, характеризующих новационностъ их конструкций..................43

3.1 Моделирование рабочих качеств поглощающих аппаратов при ударе в упор. Построение сводных двумерных диаграмм и их интерпретация ... 43

3.2 Моделирование соударения вагонов, оборудованных различными типами поглощающих аппаратов. Построение одномерных и двумерных диаграмм, отражающих рабочие качества аппаратов и их интерпретация........................................................................................50

3.3 Рейтинговая оценка рабочих качеств поглощающих аппаратов характеризующих новационность их конструкций......................................86

Выводы по главе 3........................................................................98

4 Анализ направлений повышения энергоемкости эластомерного поглощающего аппарата АПЭ -ПОИ в случае предполагаемого увеличения усилия закрытия ..................................................................................................102

4.1 Принципы и теоретические подходы изменения характеристик аппарата ..........................................................................................102

4.2 Исследование модернизированного аппарата АПЭ-120И-М при различных режимах маневровых соударений...........................................119

Выводы по главе 4........................................................................139

5 Анализ направлений повышения энергоемкости пружинно-фрикционного поглощающего аппарата ПМК-110А в случае предполагаемого увеличения усилия закрытия.................................................................................... 143

5.1 Принципы и теоретические подходы повышения энергоемкости. Результаты моделирования для случая удара в упор.............................143

5.2 Модернизация поглощающего аппарата ПМК-110А другим способом... 154 Выводы по главе 5.........................................................................169

Заключение.....................................................................................171

Список литературы...........................................................................175

Введение

Вагонный парк относится к числу важнейших технических средств железнодорожного транспорта. В доперестроечный период на него приходилась одна треть стоимости основных фондов этой отрасли и примерно треть штата сотрудников железных дорог было задействовано на эксплуатации и техническом содержании вагонов. Производство вагонов занимает заметное место в отечественном машиностроение. Исходя из этого можно сделать вывод, что принятие различных инновационных решений в области вагонного хозяйства и вагоностроения будет существенным образом влиять на инновационность всего железнодорожного транспорта. Поэтому целесообразно обозначить схему того, какими элементами инновационность содержится в каждом техническом решении, принимаемом при разработке узлов вагона, в этом есть как научный, так и практический интерес. Без этого трудно обозначить инновационность всей конструкции вагона.

Как известно[1, 2, 3] любой вагон состоит из четырёх основных узлов: кузова вагона, ходовых частей (тележек), ударно-тяговых приборов и автотормозного оборудования. Главный узел вагона - это его кузов; он определяет тип конструкции, его техническое оформление соответствует той структуре грузооборота, которая будет реализовываться этим вагоном. Устройство кузова должно обеспечивать сохранность перевозимых грузов и удобство выполнения грузовых операций.

Существуют алгоритмы выбора оптимальных линейных размеров кузова с учётом ограничений, которые накладываются на вагон габаритами подвижного состава, допускаемыми уровнями осевых и погонных нагрузок, ограничениями по проходу вагоном кривых участков путей, горбов горок и обеспечению автоматической сцепляемости в нормативных кривых [2, 3]. В нашей работе [58] были сформулированы направления по оценке инновационности узлов вагона. Явной инновацией для кузова можно было бы назвать использование в их конструкции новых материалов, благодаря которым уменьшалась бы масса кузова, повышалась его прочность и достигалось бы уменьшение расходов на поддержание необходимого технического состояния кузовов. Такая явная, на первый взгляд, инновация

может привести к недопустимому удорожанию конструкции, неприемлемому для собственников вагонного парка. Необходим глубокий экономический анализ, подтверждающий приемлемость такой явной инновации.

Можно назвать очень большое число технических решений по кузовам вагонов, которые можно отнести к частным, не очень явно соответствующим инновационному уровню, но в то же время, представляющим его. Например, изменение конструкции концевой части рамы вагона, где располагаются элементы ударно-тяговых устройств, и которая наиболее часто повреждается. Решение, обеспечивающее устранение этих повреждений, будет представлять заметную инновацию. Похожим инновационным решением будет изменение узла крепления боковых стоек кузовов полувагонов. Основываясь на этих примерах, можно сказать, что у абсолютного большинства кузовов вагонов можно найти большое число возможных технических решений, которые будут представлять частные инновации. Судя по литературным источникам [1, 2, 3, 4, 5, 6] глобальным, но не явным инновационным техническим решением, будет создание кузова любого вагона с такими линейными размерами, которые, для определённой номенклатуры грузов, обеспечат получение такого объёма кузова, когда погонная нагрузка нетто будет достигать максимального значения.

Использование вагонов с такой погонной нагрузкой позволит получить существенное приращение провозных способностей железных дорог, без заметного расхода дополнительных средств на решение такой задачи. Необходимо иметь в виду, что собственный вес кузова вносит главный вклад в такой показатель вагона, как его тара (собственный вес конструкции).

Другой очень важный узел вагона, от которого в существенной мере зависит его инновационность - ходовые части вагона. У современных вагонов они оформляются в виде тележек. Элементы ходовых частей, так же как и элементы кузова, учитывают ограничения по габаритам, осевым и погонным нагрузкам и любая инновация в области ходовых частей должна отражать это обстоятельство. В ходовых частях тоже можно найти явные инновационные технические решения, например, по конструкции рамы тележки, колёсных пар, буксовых узлов, по эле-

ментам рессорного подвешивания. К неявным признаками инновационности следует отнести показатели качества хода такие, как коэффициенты динамики, плавность хода, устойчивость от вкатывания колеса на головку рельса, устойчивость от опрокидывания. Они, естественно, в большой мере зависят от характеристик кузова.

В области тормозного оборудования имеется большое число предложений по явным инновациям в области создания устройств осуществляющих управление тормозными процессами. Тормоза подвижного состава - особая область, которая в одинаковой мере имеет отношение к тяговому и нетяговому подвижному составу, поэтому мы не будем останавливаться на подробном их рассмотрение.

В предлагаемой диссертационной работе внимание уделяется основным элементам ударно-тяговых устройств вагонов - их поглощающим аппаратам.

Актуальность работы. Сохранность вагонов и грузов, которые в них перевозятся, в значительной мере зависит от нагрузок, действующих на подвижной состав. Очень часто эти нагрузки относятся к числу ударных, обусловленных резким изменением скоростей движущихся вагонов при маневровой работе и при переходных режимах (торможение, трогание с места) движения поездов.

Как известно, противоударная амортизация единиц подвижного состава осуществляется с помощью поглощающих аппаратов автосцепки.

Существует большое число различных типов конструкций этого важного узла, устанавливаемого на тяговых и нетяговых единицах железнодорожного транспорта.

Аппараты имеют два функциональных компонента. Упругий компонент преобразует часть кинетической энергии удара в потенциальную энергию упругой деформации рабочих узлов, а диссипативный, поглощает и рассеивает другую часть энергии. Когда поглощающий аппарат автосцепки не справляется с этой задачей в условиях маневровой и поездной работы, он закрывается. В частности, закрытие аппарата может происходить и при его квазистатическом сжатии в поезде (плавное трогание поезда с места), когда упругий компонент не имеет необходимого усилия сопротивления (гидравлические аппараты). Поэтому вся кинетиче-

екая энергия возможного толчка воспринимается металлоконструкцией кузовов и подвижностью грузов.

Способность поглощающих аппаратов защищать конструкции подвижного состава и грузы при маневровой работе и различных режимах движения иногда называют многорежимностью.

Различие аппаратов обусловлено тем, как технически реализуется два вышеназванных компонента. Эти компоненты обуславливают рабочие качества поглощающих аппаратов.

Таким образом, рабочие качества поглощающих аппаратов автосцепки можно охарактеризовать как непревышение допустимого хода рабочего органа -нажимного устройства при различных условиях эксплуатации (работы) и допустимого значения продольных сил в случае нормированного скачка скорости движения.

Если рабочие характеристики аппарата обеспечивают выполнение названных условий, а также при предельных изменениях скорости движения при ударе в упор (наиболее неблагоприятный случай изменения скорости движения) и аппарат востребован потребителем, то можно считать, что конструкция его практически отвечает современным требованиям. Но более значимым показателем современных конструкций поглощающих аппаратов автосцепки является их новацион-ность.

Под новационностъю поглощающего аппарата автосцепки - автор понимает наличие в аппарате нововведений, признанных в стране и за рубежом: качественно новых технических решений, новой конфигурации, новых материалов, новых способов гашения энергии или новых технологий, обеспечивающих его существенное преимущество по показателям применения в условиях маневровой и поездной работы.

Акцентирование внимания на обеспечении заданного уровня сил и хода при заданном значении скачка скорости имеет большую актуальность, так как от этого во многом зависит решение задач безопасности эксплуатации подвижного состава на сети железных дорог. Эти качества базировались на традиционных

оценках (силовая характеристика, энергоемкость, коэффициент полноты силовой характеристики, коэффициент поглощения энергии). В сравнении с ними предложенные показатели более понятны потребителю и при равных условиях по стабильности и надежности поглощающих аппаратов в полной мере отражают их работоспособность.

Степень разработанности темы. Степень разработанности вопросов, относящихся к области поглощающих аппаратов автосцепки, очень велика. Над ними работали авторитетные научные школы и крупные ученые и изобретатели БГТУ, ВНИИЖТ, ВНИИВ, ПГУПС, МИИТ, ОАО «РЖД» и др. На базе этих исследований созданы теория, методы расчета и испытаний, нормативная база для конструирования поглощающих аппаратов автосцепки. Одной из первых серьёзных публикаций по поглощающим аппаратам была монография д.т.н., профессора Никольского Л.Н. [5]. Хотя эта книга посвящена фрикционным амортизаторам удара, она определила направления, которыми следует руководствоваться при исследовании работоспособности поглощающего аппарата любого конструктивного исполнения. Идеи, изложенные в монографии [5], получили дальнейшее развитие в монографии [6] Никольского Л.Н. и Кеглина Б.Г. Результаты этой работы заключаются в создании различных поглощающих аппаратов, перспективных и оригинальных конструкций, в развитие теории проектирования этих устройств [7, 8, 9, 10, 11, 12]. Интересные работы в области создания новых конструкций амортизаторов удара и связанных с ними теоретических обобщений выполнены в БГТУ Болдыревым А.П. [13, 14]. В БГТУ были выполнены работы по развитию техники противоударной защиты вагонов и рядом других специалистов, эти работы значительно обогатили инженерное и научное развитие исследований в рассматриваемой области совершенствования подвижного состава железных дорог [16, 17, 18].

Приоритет разработки и применения гидравлики в поглощающих аппаратах принадлежит кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство» МИИТ. Группа сотрудников этой кафедры во главе с доцентом, к.т.н. Каракашьяном З.О. (состав группы: Болотин М.М., Першин В.Я., Хусидов В.Д. и другие) теоретически обоснова-

ли и экспериментально отработали конструкции гидрогазовых поглощающих аппаратов ГА-100 и ГА-500, рабочие характеристики которых исключительно высокие и стабильно обеспечиваются в любых условиях эксплуатации [19, 20, 21, 22, 23].

Профессор Филиппов В.Н. добился крупных результатов в разработке поглощающих аппаратов эластомерного типа [24, 25]. Вместе с тем, указанные и другие работы, нуждаются в дальнейшем развитии применительно к современным условиям и требованиям к поглощающим аппаратам, новым способам гашения энергии, новым материалам и технологиям, новым подходам к оценки их рабочих характеристик.

В научно-технический обиход введен целый ряд понятий, относящихся к оценке рабочих качеств аппаратов автосцепки. Наиболее значимый из них - энергоемкость (количество энергии, воспринимаемой аппаратом при полном его ударном сжатии). Создается впечатление, что этим показателем ограничиваются все оценки. Большая энергоемкость - хороший аппарат, меньшая - хуже.

В мировой практике оценки качества противоударной защиты производятся по максимально допустимому ходу бтах, максимально допустимой силе Ртах) максимально допустимой скорости утах столкновения. Иными словами:

^тах'&тах

где т - масса ударяющего тела.

Эти качества более понятны потребителю, чем энергоемкость. Очевидна полезность проведения разработок, расширяющих круг традиционных оценок ударной амортизации.

Компьютерное моделирование позволило получить большой объем информации общепризнанной в практике оценки рабочих качеств поглощающих аппаратов (например, динамические силовые характеристики). Кроме того, получен еще больший объем дополнительных сведений, повышающих уровень обеспеченности оценки новационности конструкции (например, диаграммы зависимости максимальных реакций от скорости и массы вагонов, зависимости реакций и хода от скорости соударений и т.д.). Введение дополнительных оценок и получе-

ние их численных значений, сформированных в виде графиков, подтверждает достаточно высокую степень дальнейшего развития теоретических исследований в области совершенствования поглощающих аппаратов автосцепки и оценки их характеристик.

Объект исследования. Поглощающие аппараты автосцепки железнодорожного подвижного состава, наиболее распространенные на рынке этой техники.

Предмет исследования. Компьютерное моделирование процессов соударения вагонов, формирование на основе их результатов информационно-методического обеспечения процессов выбора конкретных типов аппаратов для заданного вагона и математическое обоснова�