автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Разработка перспективных конструкций и выбор рациональных параметров гидрофрикционных поглощающих аппаратов автосцепки для рефрижераторных вагонов

Министерство высшего и среднего специальчого образования РСФСР

Брянский ордена „Знак Почета" институт транспортного машиностроения

На поавах рукописи УДК 629. 4. 028. 86

БОЛДЫРЕВ Алексей Петрович

Разработка перспективных конструкций и выбор рациональных параметров гидрофрикционных поглощающих аппаратов автосцепки для рефрижераторных вагонов

05. 22. 07.—Подвижной состав железных дорог и

тяга поездов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск—1988

Работа выполнена в Брянском ордена „Знак Почета" институте транспортного машиностроения.

Научный руководитель—доктор технических наук,

профессор Б. Г. КЕГЛИН.

Официальные оппоненты—доктор технических наук,

доцент Ю. П. БОРОНЕНКО,

кандидат технических наук, доцент И. Е. ФЕДОСЮК.

Ведущее предприятие—Производственное объединение

„Брянский машиностроительный завод".

Защита диссертации состоится т " Ф£В1989 г.

в АЪ часов в ауд. 220 на заседании специализированного совета К 063.28.02 при Брянском ордена „Знак Почета" институте транспортного машиностроения по адресу: 241035, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направляь ученому секретарю специализированного Совета по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан . /И " ДМЬМЗ 1989 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, к. т. н., доцент __ д

В. П. Тихомиров

asm ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Решение одтой нз клтевых задач перестройки - удовлетворения потребностей населения в предметах литания - невозможно без повышения качества и сокращения сроков перевозок продовольствия. Проблема совершенствования конструкций, роста производительности и надежности ро^рлзератор:шх вагонов» перевозяэдх скоропортящиеся» в основном продовольственные грузн, является составной части? в рэгиэяин указашо! задачи.

Интенсификация маневровых работ на полезной дороге', кервд -кое превышение допустимой правилггдп технической эксплуатации скорости соударения р/вагенов на сортировочных горках приводят к порче дорогостоящего холодильного и энергетического оборудовался и, соответственно, перзвозтзх грузоз; ухудшаются такие условия труда бригады, обслуживающей рефригератервуи секцию. Защита вагона и груза от продольных нагрузок осуществляется кеявагошшгяг амортизирующими устройства.',а - поглощащиш аппарата!® автосцеп-ил, лревращандиля кинетическую энергию удара в тепло. Эксплуатируемые в настоящее время пятпвагонше рефригераторнко секции FC-5 производства Брянского маютостроятелыгого завода оборудузг-ся фрикционными поглощавдикп аппаратами ЕОЖ-IIQA, имекрмя энергоемкость 90-100 кДд я допускащгагг скорость соударения р/вагоггез 11-12 км/ч.. Дальнейшее повышение эффективности агюртизнрукцих устройств в существующих габаритах еоз^с^яо липь за счет применения других типов поглощзхзцпх аппаратов.

йтдросршсцис.тнь'е поглощающие аппарата позволяют при сравнительно небольших производственных затратах получить характеристики, близкие к характеристикам лучших конструкций гидравлических и глдрогазоЕЫх амортизаторов удара. Разработка таких аппаратов долгна сопровождаться обосцов1нтгч выберем параметров конструкции с учетом типа вагона и условий ого эксплуатации.

Цель работы: создание новых конструкций гидрофрешшояных поглощающих аппаратов и расчет их оа шкальных параметров о использованием обобщенного критерия эффективности амортизирующего уст-. роЕсгва.

Методика нсследовяттия. В работе применяются теоретические н экспериментальные метода спределения продольной нагруженноети рефригераторяых вагоноз.

В ходе теоретических исследований проводится математическое моделирование работы поглощающих аппаратов на рефрижераторных вагонах. При расчетах характеристик аппаратов и оптимизации их параметров использованы симплексные методы минимизации целевой функции и численное интегрирование систем дифференциальных уравнений о применением ЗЦВМ.

' Кетодзкой экспериментальных исследований предусматривалось изучение динамических процессов, протеказщзх при ударном скатив амортизаторов. В комплекс испытаний входили копровые, стендовые соударения опытных образцов поглодавдах аппаратов, а также эксперименты иа натурных Батонах.

ЙШ2§2 #овиана. В результате проведенных исследований:

- разработаны математические модели гидровставок и ксмбишт-роьавньх аппарат®, с различной степенью точности описывающие процессы ударного сжатия и учитывающие податливость рабочей кпд-яосга пгдрсвсгаши, наличие в полостях гидроьстаЕки воздуха, ?.вс~ су клапана высокого давления, инерционные свойства деталей логло-щалцего аппарата, зависимость козф^зшдэята трения от сксроокг СКОЛЬаВЕГОЛ к т.д. £

- уючнчва ичодаг® расчета продольной натруженное га рефрг-г4|»*оршх вагонам, оснецг¡¿лнх гадрофшащошшмг пагдощазднш ап-вв^^йгаш, к® цг" соотщрч»«ях одашочакх вагонов, так и при ударах ххупт? юрогся I» 1...'"1рг2эра:.' сеида;

- у-повсаершлв! работ новых зовоафукцай падрофЕв-а^ет-,: агшараоев црц маневровых соударениях, сояучэ-

■ -да'.зггйаи гидроаморчизатороз щя низких температурах;

• 33; .^¡каз алгоритм л цроведвна ыногопараметрзческая оптв-

• гз^рэйрпкцвопного аппарата ПМКГ-ПО по условию минимума . . , мого критерия эффективности ыеквагонкого амортизирующего

/лОЙШШШШ паяроога. Получены оптимальные параметры тагдро-пагло-уддего ашарата ШКГ-110, в соответствии с ко-чоцва сгасргзвкаирсзава его конструкция.

^ь^зйотеш пв^йжекяш» гидрофрикционные поглощающие аппарата: с £Ез.талшгааской кодаевсацией износа и с гидравлическим распором. Основные технические решения задгпцены автсрс-кккз свидетельствами.

Цолучозн характеристики вагрукзнности рефрижераторных вагонов, оснащенных птдрофрикциовиыш аппаратами ПМКГ-ПО. Результата сошсгааяены с данными для аппаратов Ш-2-В и ШК-ПОА.

Проведены натурные эксперименты по определению основных характеристик гадровставок клапанного шла и поглощающих аппаратов ПМКГ-ПО; выявлены преимущества аппаратов ШКГ-J.IO по сравнению с дтрикционныда аппаратами ПМК-ПСА.

Результаты работы частично внедрены на производственном объединении "Брянский машиностроительный завод" при проектировании аппаратов ПМК-IIQA .и ПМКГ-IIQ, предназначенных для установки на рефрижераторные секции РС-5 (план новой техники Минтяямаша СССР С тема- Г86.4.01.021.0Т). Экономический эффект от внедрения составляет 27180 рублей в год.

Апробация работы. Результаты исследовании докладывались на:

- Всесоюзных конференциях "Проблемы механики яелезнодорояпо-го транспорта" (Днепропетровск, 1984г. и 1988г.);

- Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития вагоностроения" (Москва, 1988г.);

- научно-технической конференции "Молодые ученые и специалисты - развитию промышленного и сельскохозяйственного производства области" (Брянск, 1988г.);

- 42-47 научно-технических конференциях профессорско-препо-даватольского состава ЕШ (Брянск, 1983-1988 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, вызодсв, списка литературы, включающего 83 наименования. Работа содержит 101 страницу машинописного текста, 70 страниц рисунков, 12 таблиц, всего 189 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы создания высокоэффективных амортизирующих устройств для рефрижераторных вагонов, содержатся краткие сведения о цели н сущности выполненных исследований.

В первой £лавя на основе анализа работ, посвященных вопросам продольной динамики вагонов, осуществляется постановка задачи исследований.

В трудах Е.П.Блохина, С.З.Вершнского, П.Т.Гребенюка, C.B. Дуваляна, В.А.Лазаряна, А.А.Львова, Л.А.Манашкина, Л.Н.Нтсольско-го, Н.А.Панькина, Н.Г.Беспалова, О.Т.Бойчевского, З.О.Каракашья-на, В.В.Коломийченко, Б.Г.Кеглина, Л.Д.Кузкдча, Г.Б.Крайзгура,

А.С.Осипова, Й.В.Селинова, Е.Л.Стамблора, В.П.Тихомирова, А.Т.Харитонова, А.В.Юрченко разработаны научные основы создания различных гидов поглощающих аппаратов автосцепки.

Исследованию продольной динамики вагонов посвящены работы Е.П.Елохвна, Ю.П.Борокенко, С.В.Вершнского, П.Т.Гребешка, С.В.Дувадяка, В.Г.Иноземцева, Б.Г.Кеглина, Л.Н.Йщсольского, А.Д.Малова, Л.А.Маналжана, Н.А.Панькина, П.А.Усигча, В.Д.Асадова, Ю.Ы.Черкашна и др.

Расчетная и экспериментальная оценка вагруденности рефрижераторных вагонов продольными силами приводится в работах Е.П.Ело хина, Б.Г.Кеглина, Л.А.Ыанашотна, ЯЛ1.Никольского, Н.Д.Зфравле-ва, Н.Г.Беспалова, А.Г.Стриженка, Л.А.Гоза, В трудах Б.Г.Кеглина Д.Д.Полякова, А.С.Осипова, В.Д.Прохоренхова обоснована необходимость применения для специализированных вагонов гидрофриквдонти поглощающих аппаратов, обладающих по сравнению с. другими типам аппаратов рядом преимуществ.

Несмотря на широкое освещение в литературе вопросов продолз ной нагруженности рефрижераторных вагонов, ряд проблем не решен в полном объеме до настоящего времени. Taj;, устанавливаемые с 1906 года на р/ваroiaj пластинчатые поглощающие аппараты ШК-IIQ. знатотально превосходящие по своим характерно тикам применявшее ранее аппараты Ш-2-В, не в полной мере удовлетворяют перспектив ним условиям эксплуатации, что требует создания новых конструкций амортизаторов удара. Ее решены вопросы обоснованного выбора параметров фринционно-гидравлических поглощающих аппаратов, недостаточно глубоко разработана методика математического моделирования работы таких аппаратов при различных условиях эксплуатации.

В ходе разработки перспективных конструкций и расчета оптимальных параметров гидрофрикционных поглощающих аппаратов аз-тосцепкп для рефрижераторных вагонов при маневровых соударения: необходимо решит:, ряд задач:

1) на основании данных эксплуатации с учетом природы отка зов рефрижераторных вагонов определить критерии аффективноета поглощагщих аппаратов для рефрижераторных вагонов;

2) разработать перспективнее конструкции гедрофршщнелшыг поглощаццих аппаратов;

3) исследовать закономерности работа гнцровставок и гидр< фрикционных аппаратов на идентифицировайвых по экспериментам нкм данным математических моде-m* вЭДрауь радаональпые матем;

тические модели для оптимизации параметров аппарата;

4} разработать алгоритм и провести многопараметрическую оп-тяшзациэ гидро|рикционного поглощающего аппарата автосцепки для рефрижераторных Батонов; '

5) провести экспериментальные исследования образцов гидровставок и аппаратов, дать рекомендации по их внедрению.

Традиционно оценка качества поглощающих аппаратов производится по детерминированным критериям: энергоемкость, максимальные сила и ход, коэффициент необратимого поглощения энергии, сила на -чальной затяяки и т.д. Такого рода оценки справедливы лишь на первичном этапе проектирования, при разработке технического проекта необходимо обосновать выбор параметров объекта с точки зрения экономической эффективности.

Используемый в диссертационной работе обобщенный критерий эконоглической эффективности амортизатора удара связывает продольную натруяенность вагона с ущербом, вызванным различными видами отказов, возникающих в эксплуатации и приводящих, к додолнптел!^-ннм затратам яелезных дорог на ремонт и простои р/вагонов, повреждения грузов. Допуская слабое взаимное влияние отказов различной физической природы, матло выделить отдельные критерии, на базе которых формируется обобщенный. -.

Критерий усталостных повреядений элементов загонов Пуст , определяифшея на основе линейной гипотезы суммирования повреждений, вычисляется в соответствии с загзспшсЕИэ:

е т>

^ет = II Рс ГЦ , «>

где П.1 - общее число нагруаений вагона проделывает сидгг.я Р- \ /п' - параметр кривой усталости; - общее число циклов нагруаеккй.

Критерий повреждаемости от единичных перегрузок <7л$ учя-тывает отказы вагона, связанные с действием однократных значительных нагрузок и определяется: Р

Опз = Е (Рк -Рл)П, 6о(Р, -Рп) , (2)

. К'Г

здесь /?<• - число нагругений вагона силой А\ ; Рп -яо-роговое значение продольной силы; 6о ~ единичная йужцая Хе-

висайда; Р - общее число нагрукенкй.

Критерий повреждаемости оборудования и грузов О п. гр особенно важен дяя рефрижераторных вагонов, перевозящие продовольствие е оснащенных дорогостоящим холодильным и энергетическим оборудованием:

Г 2

Зп.гр. = Г '/„) П,во (/к ул) , (3)

где Л.к - число появлений ускорения \ Jл - пороговое ускорение, приводящее к смещению оборудования (груза).

Для расчета критериев Эуст , Эпв . Эл-гр на стадии проектирования новых конструкций использует методы математического моделирования эксплуатационной нагруженвости вагонов. Обобщенный критерий эффективности да& поглощающего аппарата определяется на основе отдельных критериев с учетом удельного веса отказов одной физической природы в общем числе повреждений вагона, оборудования и груза.

ОаЗ -Зуст Оле *¡/л.гр Элгр- ^

Здесь ^пв и (Гп.гр - коэффициенты, учитывающие удельный вес различных видов от азов.

Анализ научно-технической и патентной информации показал, что наиболее перепективными являются гидрогазовые и гидрофрикционные поглощающие аппараты, позволяющие в тех ке, что и для фрикционных амортизаторов, габаритах достичь высоких значений энергоемкости. При этом сравнительно дешевые гидрофрикционные поглощающие аппараты, имея близкие к лучшим конструкциям гидравлических аппаратов характеристики, могут быть использованы для широкого внедрения, так как изготавливаются на базе серийно выпускаемых фрикционных амортизаторов удара.

Существует несколько видов гидрофрикционных аппаратов, разлз чавдихся по типу гидровставок и месту их размещения в аппарате. Исследованиям? в СССР и за рубежом установлено, что наибольшей эффективностью обладают конструкции игдрофрикционных аппаратов пластинчатого типа, использующих износоустойчивые элементы на по внрхностях трения и оснащенных гидровставкаыи клапанного типа, расположенными в подпорной части и действующим параллельно с пруЕИнагш.

Во второй удаве представлены разработанные с участием.автора перспективные конструкции фрикционно-гидравлических поглощаг-вдих аппаратов.

Аппарат ПМКГ-110 создан на базе серийного пластинчатого ме-таллокерамического поглощающего аппарата ПМК-ПОА, внутренняя пруяина которого заменена гидровставкоЭ клапанного типа. При ударном сжатии аппарата гидроамортизатор создает дополнительные давления на поверхностях трения, одновременно демпфируя скачки силы сопротивления аппарата. К достоинствам такой конструкции следует отнести повышенную энергоемкость и полноту силовых характеристик при хороших показателях стабильности и износостойкости.

В процессе эксплуатации пластинчатых поглощающих аппаратов компенсационный зазор "О. " между упорной плитой и подвижными фрикционными пластинами уменьшается по мере износа деталей, что снижает стабильность характеристик аппарата. Для устранения этого недостатка автором разработан модифицированный вариант аппарата ЯМКГ-ПО с .автоматической компенсацией износа. Принципиальной особенностью конструкция является использование нагимного клина для возврата подвижных фрикционных.пластин после удара, что позволяет фиксировать их положение независимо от износа; кроме того для удержания деталей аппарата в сборе применены сравнительно простые конструктивные решения: ребра и зацепы подвижных фрикционных пластин, входящие во взаимодействие с тягали накидного клина и выступами неподвижных фрикционных пластин. Конструкция защтцена авторскими свидетельствами СССР.

Разработанный с участием автора аппарат с гидравлическим объемным распором позволяет значительно увеличить полноту и энергоемкость силовых характеристик. В отличие от традиционного клинового распорного узла, в данном аппарате дои создания силы прилагая на основных поверхностях трения - подвижных и неподвижных фракционных пластинах - используется распорный блок в виде силового гидроцилиндра, давление в котором создается при слагай гидровставки, работающей параллельно с подпорнс-возвратной пружиной. При этом величина давления однозначно определяется параметрами клапанной системы и не зависит от скорости, что позволяет получить силовые характеристики аппарата близкими к прямоугольным. Конструкция аппарата защищена авторским свидетельством СССР.

В третьей главе на основе разработанных математических моделей исследуются характеристики гидровставок и гидрофрикционных поглощающих аппаратов.

Описание процесса ударного сшшгя гидровсганки, во многом определяющей работу комбинированного поглощаадего-аппарата, долг-во учитывать характер дросселирования жидкости через отверстая различной конфигурации, работу клапана высокого давления и изменение свойств Еидкоста. При высоких скоростях сжатия, сопровождающегося скачками силы сопротивления поглощающего аппарата, происходит резкое изменение давлений в гидроамортизаторе, причем величины давлений достигают 50-'70 МПа. В этом случае нестационарный процесс дросселирования жидкости необходимо описывать дифференциальной зависимостью, учитывающей податливость 'аидкости:

dPr i ^(A^rS) Ex/US ¡2Pr{A^rS) dt ~ £0.x A(fo-x) V f

где ■ Pr - сила сопротивления гидровставки; X , % - перемещение и скорость сжатия гидровставки; ¿о - дяина гидравлической камеры; S - площадь дроссельного отверстия; JL - коэффициент расхода; £ж - молуль упругости гидкости; - коэффициент

етдравлического сопротивления; р плотность жидкости.

В случае попадания воздуха в рабочие полости гидровсташки при зарядке ее гшдаостью расчетная-модель дополняется зависимостью для определения комбинированного модуля упругости смеси :

здесь Vas и Vqtk - соответственно .объемы воздуха и кидкости при нормальном атмосферном давлении р0 ; D - давление в гидроамортизаторе; П - показатель политропы. .

Работа клапана высокого давления гадровставки может быть описана с различной степенью точности: либо зависимостью площади дроссельных отверстий от давления S" Фг (р) » Jnr<3° да@ерен-циалышм уравнением двияения массы клапана.

Диапазон рабочих температур гидровставки лежит в проделах от -60°С до +60°С и предполагает существенное изменение свойств нид-кости и режимов дросселирования, причем в наибольшей степени влиянию температуры подьеряены модуль упругости Еж и вязкость жидкости 0 , для определения которых могут быть использованы приводимые в литературе эмпирические зависимости. Режим дросселирования характеризуется числом Рейнольдса Re , зависящим от

скорости потока жидкости и ее вязкости. При значениях > 1СОО, что соответствует скоростям сжатия свыше I м/с в широком диапазоне температур от -40 до +60°С.происходит турбулентное истечение жидкости и для расчета Рг может использоваться уравнение (5). Критическим числам /?в = 250-1000 соответствует переходная зона от турбулентного к ламинарному режиму, характеризующаяся неустойчивой работой гидровставки. Такие значения Ре достигаются при скоростях сяатия 1-2 м/с в диапазоне температур -40 -50°С; для математического описания процессов дросселирования в переходной зоне необходимо проведение специальных экспериментов. При более низких температурах -50 -50°С ( Ре < 250-300) резко растет вязкость жидкости, режим дросселирования переходит в ламинарный. В этом случае вырааенио (5) для подсчета Рг дает большие погрешности з применяются зависимости, учитывающие потери напора на тренде гидкоати о стенки, нагрев яидкости и теплоотдачу в окружающую среду.

Еа осноВашШ приведенных зависимостей разработано несколько математачесйпх кодаяей гйдровставок с постоянным дроссельным отверстием з с нжпааш йгоокого давления. По результатам расчетов построены зйфашрйвяяйЗ процессов сжатия для случая удара в гид-ройставку еа ксщзезей ^а^ановке. Анализ расчетных данных позволил установить цэгесообразаееть применения различных моделей, влияние парамефов конструкции а регамов эксплуатации на работу гидро-встаабзи . . ' .

С йеаользовашйл расчбФяых зависимостей, описывающих работу гидрйьатаззок, разработано два типа математических моделей комбинированных гидрофрикционных аппаратов. В "безынерционных" моделях дая определения силы сопротивления аппарата применяют понятие аоефрщвента передачи:

Р~ Ус[С(Х+Хо) +Рг1 , (7)

Ф - коэффициент передачи, зависящий от геометрических характеристик клиновой системы и коэффициентов трения; С ' , ССо -жесткость я начальная затянка комплекта подпорно-возвратных пружин; X - сжатие аппарата; Рг - сила сопротивления гидровставки; С - коэффициент передачи при отсутствии трения.

"Инерционные" математические модели учитывают массы и податливости деталей поглощающего аппарата, что приводит к введению в расчетную модель дополнительных дифференциальных уравнений,

описывающих колебания масс деталей аппарата. Для таких моделей при вычислении силы сопротивления аппарата Р .неприменимо выражение (7), так как значение^ Р зависит не только от перемещения X , скорости сжатия % и усилия Рг , но и от изменяющегося во времени взаимного расположения деталей аппарата.

Моделирование фрикционных автоколебаний, возникавших при ударном сжатии амортизатора, осуществляется путем введения экспоненциальной зависимости коэффициента трения от скорости.

Проведено исследование характеристик гидрофрикцпонных погло-щащих аппаратов на математических моделях, идентифицированных по экспериментальным данным, для ситуации удара вагона в жесткий упор. Параметрический анализ, а такге сопоставление результатов расчетов и экспериментов показали, что для оптимизации целесообразно применять экономные "безынерционные" модели аппаратов, а при поисковых расчетах новых конструкций оправдано использование уточненных "инерционных" моделей.

Предложенная методика математического моделирования работы гидрофрикционных помещающих аппаратов применена для исследования характеристик амортизатора удара с гидравлическим объемным распором. Разработанная автором расчетная модель такого аппарата учитывает инерционные свойства силовой системы за счет введения массы ГП/м , перемещающейся в поперечном направлении и вклняанзщей кассу здккера, подвияных я неподвижных фрикционных пластин и присоединенную часть корпуса аппарата. При этом поперечная податливость корпуса характеризуется лесткостыз Сс/п , а работа клапана высокого давления описывается дифференциальным уравнением движения масса клапана • , учтено таете различие давлений

в рабочей камере гпдроамортизатора и распорном блоке. В результата решения системы дифференциальных уравнений, описывающих удар вагона, оснащенного аппаратом с гадразлзчеекпм объемным распором, в кесткий упор, получены силсгые характеристики при различных значениях параметров. Ожкечается, что максимальные силы сопротивления аппарата слабо зависят от начальной скорости, а силовые характеристики по форме близки к прямоугольным и сопровождаются скачка!,и силы сопротивлеюгя, обусловленными колебаниями клапана. Регулировкой параметров клапанной системы и распорного узла удается сгладить скачки.

Четвертая глава посвящена расчетной оценке продольной нагру-генности рефрижераторной секции, оснащенной аппаратами ПМКГ-ПО, при маневровых соударениях.

Рефрижераторная секция, включающая несколько вагонов, является групповой единицей подвижного состава, не поддэгащей расцепке в эксплуатации. Расчеты соударений одиночных вагонов но могут дать полной информации о нагруженноети секции, поэтому на конечных этапах проектирования поглощающих аппаратов долина производиться сравнительная оценка эффективности различных конструкций при соударении сцепов вагонов с рефрижераторной секцией.

Построена расчетная модель соударения отцепа из нескольких грузовых вагонов со сцепом, содерзащим пятивагонную рефрижераторную секцию и грузовые вагоны подпора. При этом использованы дзух-массозне расчетные схемы вагонов с разделением упруго-дисоипатив-ных сэойстз самого вагона с грузом и мезвагонвой связи, включающей поглощающие аппараты. Меззагозная связь моаот содержать либо два последовательно соединенных аппарата Ш-1-ТМ, либо аппарата Ш-1-Е1 и ПЫКГ-ПО, либо два аппарата ПМКГ-ПО» Для вычисления сил в межзагонЕнх связях используются "безынерционные" иатемати-ческие модели аппаратов, представленные з третьей главе. Особенностью расчетной модели маневровых соударений р/сакцпя, не позволяющей использовать разработанные ранее методика и программы для ЭШ, является наличие ди@зренцзальноЗ зависимости для определения силы сопротивления гидрсамортизатора Рг аппарата,ПМКГ-ПО, подобной; (5). Кроме этого специфика конструкции комбинированного поглощающего аппарата предполагает раздольную работу ¿ршщояноЗ части и гидрсзставкп на обратном ходе. Поэтому при восстановлении аппарата з расчетную модель''вводятся дайфаренцватыгае уравнения для определения координат штокоз гидровставок. Предусмотрено усовершенствование модели р/секщга по следующим направлениям:

- педояъзоваяив уточненных математических моделей гидровставок;

- применение более олоаяих 'моделей аппарата (например, "инерционной" модели);

- даль8в2шя дискретизация расчетной схемы вагона путем ен-делэння масс оборудования и грузов.

При оценке натруценности вагонов р/секцзй анализировались вроксш;о азыеэеяия сил в различных сечениях сцепоз, а такке рас-продолоиие гениальных усилий по длине секции для нескольких расчетных ситуаций. Па первом этапе расчетов определялось влияние замедленного восстановления гздроамортизатора посла удара на характер динамических процессов. Было установлено, что этот ¿пактор играет роль в случае быстро следующих друг за другом повторных

ударов, когда гидровставка не успевает восстановиться и сффектив-ность аппарата снижается. На втором этапе исследования проводилась сравнительная оценка продольной нагруженноеm р/секции, оснащенной различными поглощающими аппаратами: Ш-2-В, ПЖ-ПОА и ШКГ-110. Анализ результатов расчетов выявил преимущества гидрофрикционного поглощапцего аппарата, позволившего на 5-40 % снизить'величины продольных нагрузок,

В пятой уусаве изложен алгоритм многопараметрической оптимизации гидрофрикционного поглощающего аппарата' ШКГ-IID, представлены и проанализированы рйзультаты расчетов.

В качестве целевой функции при оптимизации параметров выбран обобщенный критерий эффективное и:, учитывающий эксплуатационную нагруженноеть рефрижераторного вагона, характер повреждений его деталей, оборудования и перевозимых грузов. При расчете критерия на каждом шаге оптимизации моделируется комплеко условий эксплуатации р/вагона.

•Исследованиями установлено, 4ï&-основную дсиш повреждений вагон получает при маневровых соударнаах, причем максимальное число операций приходится на удар одааеганого вагона в одни или группу вагонов. Это позволяет при реиеша ээдаад оптимизации ограничиться рассмотрением работы вагона ва сортировочных горках, а в качестве основной расчетной ситуаций SHÔpâïi соударение одиночных вагонов. Моделируемый комплеко условий эковлуатыепг вклю*- ••. чает в себя некоторое число соударений, йавдоа ез которых характеризуется определенными лараметраШ, првчеьз йазвояео значимые из них - массы вагонов и начальные скороом соударений.

Оптимизация проводилась йо трем расчетным моделям с использованием таблиц статистических распределений параметров зкеплуатацки. Первая модель - удар рефрижераторного вагона,• описываемого двух-массовой схемой, в жесткий упор со скоростью - эквивалентна соударению двух одинаковых батоне® со скоростыа £Vo . Более точная вторая модель имитировала удар грузового вагона в неподвижно стоящий рефрижераторный вагон. Третья расчетная модель использовала многомассовую схему рефрижераторного вагона, учитывающую колебания элементов оборудования. Для определения целевой функции на кавдом шаге оптимизаций схематизировались динамические процессы изменения сил м ускорений»

Как было показано в третьей главе, изменяя параметры гидровставки, можно Ь широких пределах варьировать характеристиками поглощающего аппарата« В наибольшей степени на работу етдровставки

влияют площадь постоянного дроссельного отверстия 51 , площадь дроссельных отверстий клапана Зг. » 3 также нес го ость С и начальная затяжка 2о прукины клапана высокого давления. Ха -рактерно, что изменение величин 5/ > вг « См . ¿о в значительном диапазоне не требует переделки конструкции и не влечет дополнительных затрат на изготовление. Эти обстоятельства позволили выбрать указанные параметры в качестве управляющих при оптики задай.

Отыскание минимума целевой функции осложняется громоздкостью вычисления критериев эффективности для нескольких ударных динамических процессов, требующих интегрирования систем нелинейных дифференциальных уравнений. Для оптимизации выбран симплексный метод Нелдера-Мида (метод поиска по деформированному многограннику), относящийся к методам прямого поиска и достаточно экономный по количеству вычислений целевой функции.

Б процессе исследования минимизация проводилась для трех , расчетных моделей, результаты сравнительно анализировались, после чего оптимальный вектор дополнительно проверялся на моделях, иш-тируищих соударения групп грузовых вагонов с рефрижераторной секцией.

Результаты оптимизации представлены в таблице.

Таблица

Результаты оптимизации параметров аппарата ПМКГ-ПО

Параметры оптимизации Исходный вектор Оптимальный вектор й 13 Оптимальный вектор & 23 Оптимальный вектор й 31

, г? Зг . «г Сы » Д/м ¿0 ' гл Целевые функции: для первой расчетной модели для второй расчетной модели 30!дслеЗ. для третьей расчетной модели 7е£,уеле9 о.е.ю-5 6.1005.10-3 0,36. ю5 0,3.10-1 2,94 2,77 0,272 0,31. Ю-4 0,467. Ю-4 0,348.105 0,428. Ю-1 0,15 : 1Д7 0,146 0,143. Ю-4 0,408. Ю-4 0,208. Ю4 0,272.10-1 0,714 0,843 0,141 0.84.Ю-5 0,416. Ю-4 0,869. Ю4 0,217. Ю-1 0,685 0,893 0,14

На основе полученных данных рассчитаны силовые характеристики и временные зависимости изменения сил для различных векторов управляющих параметров, проведена сравнительная оценка работы поглощающих аппаратов ПМКГ-IIO для исходного и оптимального векторов при соударении сцепов грузовых вагонов с рефрижераторной секцией. По результата!! расчетов окончательно выбраны величины оптимальных параметров.

Шестая r/tasa посвящена экспериментальным исследованиям гидрофрикционных поглощающих аппаратов ПМКГ-IIO, включающим три этапа: копровые испытания гидровставок, стендовые соударения аппаратов ПМКГ-IIO и ударные испытания аппаратов на натурных вагонах.

Копровым испытаниям были подвергнуты два типа гидровставок: серийные гидроамортизаторы аппарата Mark h_6Q производства США и опытные образцы гидровставок ПМКГ-IIO. В процессе экспериментов сопоставлялись характеристики гидровставок и оценивалась их работоспособность при различных начальных скоростях. Используемая копровая установка Беяицкого сталелитейного завода имеет массу падающего груза 4280 кг и предназначается для контрольных испытаний серийных поглощающих аппаратов. Схемой экспериментов предусматривалась регистрация параметров соударения: начальной скорости, хода гидровставки и силы ее сопротивления. После обработки полученных осциллограмм построены силовые и временные характеристики ударного процесса, а также точечные диаграммы зависимостей- •• максимальных сил сопротивления гидровставок от начальной'скорости, Выявлены закономерности работы гидровставок клапанного типа, достигнута энергоемкость гидровставок 20-25 кДх при максимальных силах 0,3-0,35 МН.

На втором этапе экспериментальных исследований были изготовлены опытные образцы аппаратов ПМКГ-IIO с использованием деталей серийных аппаратов ПМК-IIOA. При этом в подпорную часть образцов могли устанавливаться как серийные гидровставки аппарата Mark Н-60, так и опытные гидровставка ПМКГ-IIO. Испытания проводились на стенде-горке БСЗ-ШШ, предназначенном для'моделирования ситуаций маневровых соударений вагонов на сортировочных горках с максимальными скоростями до 17-18 км/ч при допустимых нагрузках 3 МН. Ударная тележка млссой 45000 кг поднимается лебедкой на определенную высоту, после чего сбрасывается и накатывается на неподвижный упор, закрепленный в массивном бетонном основании. Ударная тележа и неподвижный упор оснащены серийным автосцепным устройством, где и размещаются опытные образцы аппаратов. Метод:-

кой испытаний предусматривалась запись па ленту осциллографа процессов соударения; фиксировались начальная скорость удара, ход аппарата, сила удара на автосцепке, сила сопротивления гидровставки.

В результате .стендовых испытаний были получены силовые характеристики аппаратов ШКГ-ПО при различных скоростях соударения, построены точечные диаграммы зависимости максимальных сил от начальной скорости соударения, проведено сравнение работы аппаратов с двумя типами гидровставок при различных значениях угла сС клиновой системы.

Заключительный этап экспериментальных исследований аппаратов ЕМКГ-ПО проводился на ПО "Брянский машиностроительный завод". Опытные образцы поглощающих аппаратов устанавливались на натурные рефрижераторные вагоны, соударения осуществлялись путем накатывания тепловозом вагона-бойка на рефрияераторннй вагон. Эксперименты проводились в соответствии с известными методиками по определению энергоемкости и допустимой скорости соударения поглощающих аппаратов. В ходе испытаний определиялись такне рациональные значения параметров аппарата, оценивалась его работоспособность при различных скоростях. Схемой испытаний предусматривалась регистрация начальной скорости соударения, силы на автосцепке, хода аппаратов. После обработки осциллограмм были ноезроеиы силовые характеристики аппаратов и точечные диаграммы зависимостей максимальных сил от начальной скорости удара.

Результаты испытаний показали значительные преимущества гид-рофрикцзошшх поглощающих аппаратов ПЫКГ-ПО по сравнению с серийными фрикционными. На основе данных регрессионного анализа подучены значения энергоемкости ( 9 = 125-135 кДж) и допустимой скорости соударения ( V = 4,05 м/с). Выявлены слабые места конструкции аппарата ШКГ-ПО; чаще всего при испытаниях выходил из строя резино-тканевый сильфон кз-за разрывов в местах крепления и дефектов изготовления. Даны рекомендации по повышении надежности работы аппарата за счет совершенствования технологии производства сильфонов и улучшения конструкции элементов, закреллявдих сильфон на гидровставке.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВСЩЫ

I. На базе серийного фрикционного пластинчатого мэгалдокара-мического аппарата ШК-ПОА создан высокоэффективный гидрофрикционный поглощающий аппарат ШКГ-ПО, оснащенный гидровстанкой клапанного типа.

2. Разработаны ноше конструкции фртщионно-гвдравлическкх поглощающих аппаратов: с автоматической компенсацией износа и с гидравлическим объемным распором. Технические решения защищены авторскими свидетельствами СССР.

3. Проведено теоретическое исследование процессов ударного сжатия гидровставок с помощью разработанных для этой цели математических моделей. Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов показало,.что наилучшими являются модели, учитывающие податливость рабочей жидкости и наличие в ней воздуха.

Предложена методика расчета характеристик гидровставок при низких (до -60°С) температурах для ламинарного рекпма дросселирования жидкости; установлено, что при таких условиях резко возрастают силы сопротивления ударновд сгсагаю.

4. Разработана методика математического моделирования работы гидрофрикционных поглощающих аппаратов, позволяющая адекватно описать процесс ударного сжатия с учетом различных факторов, влияющих на характеристики аппаратов (инерционные свойства и податливости деталей, зависимость коэффициентов трения от скорости относительного скольжения и т.д.). В результате сопоставительного анализа рекомендовано использовать для оптимизации экономные "безынерционные" модели, основанные на использовании коэффициентов передачи при определении силы сопротивления аппарата и учитывайте податливость жидкости гидровставки.

5. Разработанные методики применены для исследования работы аппарата с гидравлическим объемным распором. Показано, что при соответствующем подборе параметров такой аппарат монет иметь силовую характеристику, по форме близкую к квазиидеальной, причем максимальная сила сопротивления не зависит от скорости саатия, а определяется настройкой клапанной системы. Расчетная энергоем -кость аппарата составила 23? кДж при максимальных силах 2,5 1®

и ходе 110 мм.

6. Для исследования продольной вагругенкости вагонов рефрижераторной секции разработана математическая модель, включающая двухмассовые схемы вагонов и уточненные модели гидрофрикционных поглощающих аппаратов, учитыващие замедленное восстановление гпдровставок после удара. Установлено, что в ситуациях, когда на секцию последовательно накатываются несколько грузовых вагонов, ускоренный возврат гидровставки в исходное положение позволяет снизить продольные нагрузки за счет эффективной работы при повторных ударах.

При использовании гидрофрикционных аппаратов ШЖГ-ПО на 5-40 % снижаются максимальные силы в сечениях сцепов по сравнению с фрикционными аппаратами Ш-2-В и ПЖ-ПОЛ.

?. Разработал алгоритм мнсгопараметрической оптимизации пгд-рефрккционного поглощающего аппарата. Полученный в результате расчетов оптимальный вектор параметров гядровставкп позволил снизить величины целевых функций в 2-4 раза. Расчетная энергоемкость аппарата ШКГ-ПО с оптимальными параме1рами конструкции составила 160 кД®. "

8. Проведены всесторонние экспериментальные исследования опытных образцов гидровставок и поглощающих аппаратов ПЖГ-110.

В результате, копровых испытаний гидровставок выявлены преимущества конструкций клапанного типа; силовые характеристики гидровставки аппарата ПМКГ-ПО имеют энергоёмкость 25 кДя при максимальных силах 0,3-0,35 МН.

Полученные на ударном стендо БСЗ-ВШ силовые характеристики аппаратов ПМКГ-ПО для различных значений углов клиновой систеш обладают высокими коэффициентами полноты'и энергоемкости, достигнутыми за счет снижения скачков сил сопротивления аппарата.

При испытаниях образцов аппаратов 1ЫКГ-П0 на натурных вагонах достигнута энергоемкость 125-130 кДк. и допустимая скорость . соударения 4 м/с; подтверждена пригодность разработанных математических моделей для практических расчетов.

Выявлена слабые места конструкции аппарата ПЖГ-110 - резино-®к.азевый сильфон и закрепляющие его на гидровставке детати. При втедредак необходимо отработать технологию изготовления сильфонов, угдгчизть конструкции прессформ, качество тканевого корда и резины» а тадаэ разработать перспективные варианта узла крепления сидьфова ва гидровставке.

9ч Результаты проведенных исследований использованы при разработке конструкции аияарат®. ПМК-ПОА и 1ШГ-Ы0 для рефрижераторных вагонов ПО "Брянский машиностроительный завод". Годовой экономический эффект в народном хозяйстве, приходящийся на додш автора, составляет 27180 рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следуидах ра- ' ботах:

I, А.С. 1093590 (СССР)» ШГ В 61 <? 9/04. Пружинно-фрикционный. аппарат автосцепки Еедезн.одерсяаото подвижного состава /&%ГчК.егдал% А Болдырев» ЛЛЛиг.ожьскз.й и др. - Опубл.

23.05.84, Был. Я 19.

2. A.C. I3I5352 (СССР), МКИ4 В 61 £ 9/08. Фрикционно-гид-равлический поглощающий аппарат автосцепки /А.П.Болдырев, П.Ю.Шалимов, Б.Г.Кеглин. - Опубл. 07.06.87, Бкш. В 21.

3. A.C. I341088 (СССР), МКИ4 В 61 & S/04. Поглощающий аппарат автосцепки железнодорожного транспортного средства /А.П.Болдырев и А.И.Ермаков. - Опубл. 30.09.87, Бюд. й 36.

4. Болдырев А.П. Оптимизация параметров гидрофрикционных поглощающих аппаратов автосцепки рефрижераторных вагонов .//Проблемы механики железнодорожного транспорта. Повышение надежности в совершенствование конструкций подвижного состава: Тезисы докладов Всесоюзной конференции (Днепропетровск, май 1988г.) - Днепропетровск, ДШТ, 1988. - С. 8-9.

5. Болдырев А.П. Разработка перспективных конструкции гидро-фрикционннх поглощающих аппаратов автосцепки /Молодые ученые и специалисты - развитию промышленного и сельскохозяйственного производства области: Тезисы докладов научно-технической конференции. - Брянск, ЦНТИ, 1988. - С. IO-II.

6. Болдырев А.П. Расчет характеристик гидрожортазатора (гидровотавки) комбинированного поглощающего аппарата автосцепки //Динамика, прочность и надежность транспортных машин. - Брянск, БПМ, 1986. - С. II3-I24.

7. Кеглин Б.Г., Болдырев А.П. Гидрофрикционные поглощающие аппараты и их математические модели //Проблемы механики лселезко-дорокного транспорта. Повышение надежности н совершенствование конструкций подвижного состава: Тезисы докладов Всесоюзной конференции (Днепропетровск, май 1984 г.). - Днепропетровск, дат, 1984. - С. 25.

8. Кеглин Б.Г., Болдырев А.П. Совершенствование математической. модели фрикционного амортизатора удара // Известия вузов: !Лалшн ос троение. - 1984. -Е5. - П. 89-93.