автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Снижение виброактивности корпусов редукторов тяговой передачи электропоездов

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

ВОЛОДИН Сергей Вячеславович

СНИЖЕНИЕ ВИБРОАКТИВНОСТИ КОРПУСОВ РЕДУКТОРОВ ТЯГОВОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ

05.22.07 Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Рыбников Е.К.

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ДИНАМИКЕ ТЯГОВЫХ ПРИВОДОВ И КОНСТРУКЦИЙ ПЕРЕДАЧ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА 8

1.1. Краткий обзор исследований по динамике тяговых приводов 8

1.2. Обзор конструктивных особенностей корпусов тяговых редукторов подвижного состава 16

1.3. Постановка задачи исследования 35

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ КОРПУСОВ ТЯГОВЫХ ПЕРЕДАЧ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА 48

2.1. Обзор работ по исследованию и расчёту корпусных конструкций машин 48

2.2. Исследование динамических свойств корпусных конструкций 53

2.3. Выбор и обоснование критерия оценки динамических свойств корпусных конструкций 60

2.4. Использование выбранного критерия для оценки динамических свойств пластин и оболочек 65

2.5. Принципы разработки моделей корпусных конструкций, оценка точности расчётов, анализ свойств 74

2.6. Методика исследования вынужденных колебаний корпусов тяговых передач 79

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ НА ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА КОРПУСОВ РЕДУКТОРОВ ТЯГОВЫХ ПРИВОДОВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА 86

3.1. Оформление наружных поверхностей корпусов 86

3.2. Влияние формы поперечных сечений цилиндрических

частей корпуса редуктора и стержневых связей вертикальных стенок 94

3.3. Формы поперечных очертаний корпусов 103

3.4. Принципы проектирования корпусов тяговых передач с низкой виброактивностью для тяговых передач электроподвижного состава 109

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОРПУСОВ ТЯГОВЫХ ПЕРЕДАЧ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ 117

4.1. Динамические свойства корпусов тяговых передач П-го класса 117

4.2. Корпуса редукторов для тягового привода класса III 144

4.3. Кожуха редукторов тяговых передач 1-го класса 149

5. СРАВНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВИБРАЦИЙ КОРПУСОВ ТЯГОВЫХ ПЕРЕДАЧ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА 158

5.1. Описание модели и методики исследования 158

5.2. Синтез формы корпуса редуктора с пониженной виброактивностью 159

5.3. Результаты расчётов и экспериментальных исследований 167

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 170

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 173

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 181

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 182

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 185

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 188

ВВЕДЕНИЕ

В условиях рыночной экономики повышаются требования к транспортным железнодорожным средствам в отношении безопасности движения, надёжности, комфортабельности, экологической чистоты при минимальных эксплуатационных затратах.

В этой связи одним из основных требований, предъявляемых к тяговому подвижному составу, является снижение воздействия на путь за счёт снижения неподрессоренных масс при относительно интенсивном росте осевой мощности тяговых двигателей.

Одним из путей решения этой задачи является применение тяговых приводов с подрессоренными не только тяговыми двигателями, но и редукторами. При этом так же решается задача повышения надёжности элементов тяговых электрических двигателей и редукторов за счёт снижения действующих на них динамических нагрузок при движении экипажа по железнодорожному пути.

В настоящее время ряд отечественных заводов по производству подвижного состава и все зарубежные электровозостроительные фирмы перешли на разработку и выпуск тягового подвижного состава с асинхронным тяговым приводом, преимуществом которого по сравнению с традиционным является снижение эксплуатационных затрат и возможность создания универсальных электровозов для пассажирского и грузового движений и электропоездов для пригородного и местного сообщений.

Однако большая мощность асинхронных двигателей и большие номинальные частоты вращения роторов предъявляют повышенные требования к механической конструкции тягового привода в целом и тяговым редукторам в частности.

Относительно лёгкие опорно-осевые тяговые редукторы, широко применяемые на отечественных электропоездах серий ЭР, ЭД и на многих электропоездах зарубежных фирм, обладают низкой надёжностью, если в их конструкции

не учтён ряд специфических особенностей эксплуатации и обслуживания, присущих тяговому железнодорожному подвижному составу.

Одна из этих особенностей заключается в нестационарности режима эксплуатации по нагрузкам, скоростям движения и вытекающий отсюда широкий спектр динамического нагружения по величинам амплитуд и частотам возмущений.

Следующая особенность заключается в системе планово-предупредительных ремонтов, требующей разборки тягового редуктора для замены колёсных пар и текущих периодических осмотров при ремонте, что нарушает посадочные размеры деталей и их приработанность.

Из опыта эксплуатации отечественного электроподвижного состава известно, что более 50% всех неисправностей по механической части приходится на тяговые редукторы электропоездов и пассажирских электровозов серии ЧС.

Анализ нормативных документов на проектирование тягового подвижного состава показал, что при проектировании используются расчётные методики, созданные в общем машиностроении, и заключающиеся в выборе размеров сечений корпуса и оценки усталостной прочности корпуса в том случае, если он несущий. Это оправдано, если режимы работы редукторов стационарные или близкие к ним, а редукторы располагаются на массивных фундаментах. Очертания, внешние размеры и способы крепления тягового редуктора, как правило, определяются опытом и искусством конструктора.

Тяговые редукторы по схеме крепления к раме тележки приближаются к схеме двухопорной балки с жёсткими или упругими и подвижными в пространстве опорами. Для снижения веса редуктора стараются применять тонкостенные (литые или сварные) корпуса с разъёмной частью для выкатки колёсной пары. Всё это приводит к тому, что корпус становится недостаточно жёстким, что отражается на работе зубчатой передачи и приводит к преждевременному износу её зубьев, искажению эвольвентного профиля. Из-за этого повышенные ударные нагрузки в зубчатой передаче вызывают вибрации корпуса редуктора,

приводящие к разрушению болтовых соединений подшипниковых узлов, болтов разъёма корпуса, появлению усталостных трещин на самом корпусе. Кроме того, в окружающее пространство излучается шум значительного уровня.

Применение на современных электропоездах и электровозах тягового привода с опорно-рамными редукторами указанные особенности не исключаются, так как тяговые редукторы становятся более сложными (в ряде случаев приходится применять паразитные зубчатые колёса или двухступенчатые зубчатые передачи), усложняются элементы крепления их к раме тележки.

Основными критериями рационального проектирования редукторов в общем машиностроении являются жёсткость корпуса и минимальные габариты, а технический уровень оценивается отношением массы редуктора к номинальному моменту на выходном валу. Высоким техническим уровнем считается редуктор у которого этот коэффициент попадает в диапазон менее 0,06-0,1. По этому критерию тяговый редуктор электропоезда ЭР2 имеет высокий технический уровень - коэффициент 0,011, что меньше 0,6. Тем не менее, эксплуатационные качества его низки.

Для тяговых редукторов жёсткость корпуса является также основным критерием качества конструкции, но на необходимость снижения при этом вибраций в области эксплуатационных скоростей не обращают внимание.

На величину жёсткости корпуса редуктора влияют его габариты, которые в ряде случаев определяются компоновкой всего тягового привода и элементами крепления привода или редуктора к раме тележки.

Следовательно, задача проектирования корпуса тягового редуктора максимальной жёсткости и минимального веса является оптимизационной при ряде ограничений, вытекающих из конструкторских, эксплуатационных и производственных требований.

Каких-либо общих положений для проектирования тяговых редукторов не сформулировано ни в отечественной, ни в зарубежной литературе.

Таким образом, задача разработки научных положений для проектирования тяговых редукторов электроподвижного состава, с учётом специфических требований, является актуальной и может быть решена с использованием современных компьютерных технологий в проектировании и расчётах механических конструкций, в частности, с помощью численного эксперимента по программам, реализующим алгоритмы метода конечного элемента.

Диссертационная работа содержит 189 с. и включает в себя введение, 5 глав, заключение, список использованной литературы и 4 приложения.

В первой главе произведён обзор исследований по динамике тяговых приводов, обзор конструктивных особенностей корпусов тяговых редукторов. Поставлена задача исследования.

Во второй главе изложена методика исследования колебаний корпусов тяговых передач электроподвижного состава. Выбран и обоснован критерий оценки динамических свойств корпусных конструкций.

В третьей главе исследованы влияния различных конструкторских решений на частотные свойства корпусов редукторов тяговых приводов электроподвижного состава. Определены влияния геометрии наружных поверхностей, формы поперечного сечения цилиндрической части корпуса редуктора, формы поперечных очертаний корпусов. Определены принципы проектирования корпусов тяговых передач с низкой виброактивностью.

Т"\ м и «

В четвертой главе исследованы динамические свойства корпусов тяговых передач различных классов.

В пятой главе произведено сравнение теоретических и экспериментальных исследований вибраций корпусов тяговых передач электроподвижного состава.

В заключении даны основные выводы по работе.

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ДИНАМИКЕ ТЯГОВЫХ ПРИВОДОВ И КОНСТРУКЦИЙ ПЕРЕДАЧ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

1.1. Краткий обзор исследований по динамике тяговых приводов

Изучением кинематики и динамики различных схем тяговых приводов с целью создания наиболее долговечных конструкций занимались многие исследователи в нашей стране и за рубежом: Brecht, 1909; Liechty, 1929; Müller Р., 1934; проф. Минов Д.К., проф. Ковалёв H.A., проф. Медель В.Б., проф. Иванов В.Н., к.т.н. Шацилло A.A., проф. J. Madej, проф. I. Zobory, проф. Бирюков И.В., проф Беляев А.И., проф. Евстратов A.C., проф. Рыбников Е.К., проф. Савоськин А.Н., проф. Павленко А.П., проф. Глущенко А.Д., проф. Ус-манов Х.Г..

Первые работы по динамике тяговых приводов связаны с оценкой воздействия на путь двигателя с опорно-осевой подвеской и определением условий, при которых возможно снижение динамических нагрузок, действующих на путь и в передаче [32, 74].

По мере развития конструкций привода и расширения круга решаемых задач усложнялись расчётные схемы и методы их исследования.

Если в работах [32, 40, 42, 65, 71, 74] авторы ограничивались рассмотрением мгновенного удара при наезде колеса на рельсовый стык, а качество привода оценивалось по коэффициенту ударной массы, то в работе [66] сделана попытка учесть инерционные, упругие и диссипативные свойства системы привода и пути введением коэффициента динамичности в коэффициент ударной массы.

Ввиду того, что конструкции рассматриваемых приводов были жёсткими и собственные частоты колебаний элементов находились в зоне, значительно

превышающей частоты периодических возмущающих факторов от пути, упрощённые расчётные схемы были оправданы. Это позволяло проводить исследования, основываясь на кинематических соотношениях.

Появление упругих элементов в системе привода (упругое крепление носика тягового двигателя, упругий венец в передаче и т.д.) привело к усложнению расчётных схем и заставило учитывать вынужденные колебания элементов тягового привода и надрессорного строения.

В работе профессора Ковалёва H.A. [32] рассматривается влияние неровностей пути и колебаний надрессорного строения на динамические моменты в приводе. Расчётной схемой являлась динамическая система с двумя степенями свободы.

В работе профессора Меделя В.Б. [41] исследования динамики тягового привода проводились уже с учётом колебаний корпуса тягового двигателя и якоря с упругим венцом большого зубчатого колеса при движении по синусоидальной неровности.

В ряде работ [2, 3, 19, 21] исследование различных соотношений параметров привода проведено на основе трёхмассовой расчётной схемы системы привод-путь с помощью аналоговой вычислительной машины. В качестве возмущающей функции принята стыковая неровность.

В работе [11] исследованы колебания опорно-осевого тягового двигателя под воздействием обобщённой возмущающей функции. В расчётной схеме рассмотрены колебания только по двум координатам.

Более полная модель системы тележка-привод-путь представлена в работе Березовского В.И. [3]. Модель состояла из шести масс и частично учитывала массу тележки и пути. Решение проведено с использованием электронных вычислительных машин (ЭВМ).

В большинстве из рассмотренных выше работ исследование динамики системы привода проводилось в предположении линейных связей между элементами системы. В некоторых из них [32] сделана попытка упрощённой оцен-

ки влияния нелинейностей типа "зазор"; в работах [19, 41] проведено исследование влияния нелинейных характеристик упругих связей в приводе.

В работах выполненных под руководством профессора Иванова В.Н. [24, 25, 26, 27] рассмотрены различные аспекты динамики зубчатой передачи привода с опорно-осевым двигателем. В частности сделана попытка рассмотреть влияние удара в зубчатом зацеплении на динамические усилия в передаче [24], влияние зазора и нелинейной характеристики связи якоря и венца большого зубчатого колеса [27] на процессы в системе якорь-упругий венец.

Аналитический метод исследования, принятый в этих работах, основан на решении двух дифференциальных уравнений второго порядка.

В работе [26] изложен вероятностный метод расчёта параметров тяговой передачи при условии отсутствия удара в зубчатом зацеплении. Это работа является, насколько это известно, первой, в которой применён вероятностный метод анализа динамики тягового привода, хотя и в упрощённой постановке.

Следует назвать также ряд работ [2, 19], в которых рассматривались вопросы, связанные с исследованиями влияния внутренних возмущений, вызванных работой зубчатой передачи, на динамику системы якорь-передача. Однако в этих работах расчётные схемы состояли не более чем из двух-трёх масс; исследования выполнялись аналитически или частично с использованием ЭВМ.

С появлением схем тяговых приводов с опорно-рамными двигателями и малым значением жесткостей в кинематических цепях привода возникла необходимость учёта влияния комплекса возмущений, возникающих при движении по пути с различными скоростями.

Анализ относительно многочисленных опубликованных работ по динамики привода с опорно-рамным двигателем [6, 7, 29, 31, 59, 68, 75] показывает, что большинство из них посвящены выяснению вопроса о степени воздействия на путь опорно-рамного двигателя по сравнению с опорно-осевым на базе использования одномассовых [29] или четырёхмассовых [31] расчётных схем.

и

Анализ выполненных исследований по динамике тяговых приводов позволяет сделать следующие выводы:

1. Характерным для всех рассмотренных работ является то, что с введением нового, неучтённого ранее фактора система упрощалась за счёт пренебрежения, без достаточных оснований, другими факторами. Это обстоятельство объясняется в значительной мере трудностями аналитического решения дифференциальных уравнений, описывающих колебания рассматриваемых систем.

2. Появление приводов с опорно-рамными двигателями и упругими элементами в кинематических цепях выдвинуло ряд новых проблем, таких как:

- защита якоря тягового двигателя и зубчатой передачи от динамических воздействий;

- ограничение динамических моментов в передаче и реакций, действующих на раму тележки через подвеску редуктора;

- устранение резонансных явлений в механической системе привода и тележки.

Для решения этих задач требуется комплексный подход к исследованию динамики тягового привода, который предполагает совместное исследование колебаний:

- тягового двигателя, якоря, редуктора и колёсной пары;

- рамы тележки;

- основания пути и рельса;

с учётом:

- зазора в зубчатом зацеплении редуктора;

- нелинейных характеристик упругих элементов;

- наличия нелинейной связи колеса и рельса в месте контакта;

- воздействия комплекса возмущающих факторов пути и различных точек приложения сил и неодновременности их действия.

Использование ЭВМ в 1960-75 годы открывало большие во�