автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Улучшение условий реализации силы тяги подвижного состава за счет изменения динамических характеристик верхнего строения пути

хшшстш'стео путей сообщения российской федерации

ростовский государственны л у1шеерслтет р £ О Д путей сообщения

... • л* Г. ! " О

^ " " На правах рухошгси

удк 629.4.015: 625.03

БОПДЛРЕНКО Ирина Ярославовна

Улучшение условий реализации силы тяга подвижного состава за сч5т изменения динамических характеристик верхнего строения пути

Специалыгосга:

05.22.07 - Подписной состм железных дорог итзга поездов 05.22.06 - Железнодорожный путь

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов - на - Дону 1998

Работа выполнена в Ростовском государственном университете путей сообщения, на кафедре «Путевые п строительный мшшш».

ШучпиКруководитель: к.т.п., профессор ЭрадзеДавид.

Георгиевич

Офшдаальше оппоненты: дт.и., профессор Касышав

ВалгрийЕвгеиьевзя, 1ТСУ. тЕт:а, ;'дацеит : рп/пс" ; Бодаю -Игорь ^Вш'шь'шй/

•Ф'ЗДУШее предприятие:'V; . Служба локоиотшиого хозяйства

Упрзвдшш Северо-Кавказской' ..железной дорош

Защита состоится« 2О » А-Ш^Ш 19?§ года .. Р 1 У5 час.' ¿О мнн. на 5аседаш1Гдлссертшщошюго'.ссЕ«з1 Д114.С8.01 -Ростовского гсоударстёешшго' ухшеерашега пугай: сербщегаш." ■

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке РГУПС.

'Автореферат разослан <\ /3 » добрал я 199" года. Отзыва на автореферат в 2-х экземпляр®, заваренные печатью, просим направлять в адрес ученого совета:.

344033, гРостов на Дону, Площадь нм. Стрелкового полка народного ополчения, 2, РГУПС.

УчСнцй сек-ретарь • диссертационного совета

к.т.п., Д0це1гг //// М.Л.Лившиц

ОЕЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛ&ГГЫ

JАктуальность. В отраслевой программе развития железнодорожного транспорта на 1396 - 2000 г. отмечена необходимость'применения технических и технологических решения, сбоспечивающих ресурсосбережение, а также методов и мер по защите окружавшей среды от шумового воздействия подвижного состава. Решений поставленных задач может быть выполняло в комплексе с мерами,обеспечивающими оптикапьнма режимы вождекип поездов при движении с максимальными прицепными и осевыми нагрузкам^. В этих условиях особу» актуальность приобретает повышение коэффициента сцепления колеса с рельсом,являющегося'одним из показателей функциональной эффективности тягового транспорта. Возможность реализопать предельные значения силы тяги из условий сцепления заключается а увеличении как величину, так и стабильности коэффициента сцепления колеса с рельсом.

Механичвскпя система :"подвижной ■ состло (ПС) - верхнее строение пути (ВСП)" представляется структурно достаточно сложной о связи с широким спектром динамических нагрузок, поэтому расчет, исследование, оптимизация коэффициента сцепления фрикционной пары "колесо - репье" необходимо производить с учетом взаимосвязи динамических процессов, протекающих на поверхности Фрикционного контакта и в механической системе "ПС - ОСП". Так как данная механическая система является нелинейной исследование и оптимизация значений коэффициента сцепления на натурных объектах представляют собой сложную.и в некоторых случаях практически нерешаемую задачу, что делает перспективном применение модельного эксперимента.

Цель работы. Воздействовать на сцелныо качества колес ПС возможно как на базе совершенствования; конструкции тягового ПС ^ так и путем создания наиболее благоприятных условий реализации коэффициента сцепления с учетом особенностей взаимодействия ПС и ВСП. В связи с этим цепь исследований - получение оценки изменения величины п стабильности коэффициента сцепления а функции изменения параметров жесткости и демпфирования ВСП.

Научная новизна, на база положений теории подобия и моделирования. методов математической статистики и оптимизации нелинейных систем были поставлены и решены следующие задачи:

- разработана методика физического моделирования системы "ПС -ВСГ)", что позпопило на физической модели изучить и провести анализ изменения величины и стабильности коэффициента сцепления е функции влияния жесткосгных и демпфирующих характеристик предлагаемой шпалы-демл-фера;

- методом Руиге-Кутта определены рациональные упругио и демпфирующие свойства деревянных шпал но балластном основании по критерию минимума коэффициента динамики;

- доказана целесообразность применения в конструкции шпалы-демп-фвра мастики на основе жидкого каучука о качество клея и амортизатора колебаний, которому соответствуют наиболее стабильные значения козф-фициемта сцепления лары трения "колесо-рельс";

- экспериментально определена связь между конструкцией шпалы-демпфера, свойствами клеевого материала и механическими характеристиками шпалы-демпфера;

- получены математические зависимости коэффициента сцепления колеса с рельсон в функции жесткостных и демпфирующих показателен пути.

Практическая ценность работы. На основании проведенных исследований разработаны и внедрены конструктивно- технологические мероприятия позволяющие на 3 - 5 % увеличить величину гарантированного среднего значения коэффициента сцепления ПС с рельсами. Установлено, что,варьируя жесткостные и демпфирующие характеристики ВСП, можно в широких пределах изменять условия формирования сил сцепления колеса с рельсом. Данные возможности реализованы в разработанной конструкции составной деревянной шпалы-демпфера.

Конструкция предусматривает использование пиломатериалов и Их отходов при изготовлении шпал-демпферов, что позволит уменьшить расход деле .юн древесины.

Эффективное демпфирование динамических колебаний (снижение коэффициента динамики колоса на 40 - 45%, рельса на В - Ю5£) позволило повысит^ на 35 -50 'Л стабильность расчетного среднего значения коэффициента сцепления при реализации силы тяги и определении массы поезда.

Использование предлагаемой технологии посстановления старогодных деревянных шпал и стабилизационной обработки разъемных соединений рельсовых скреплений железобетонных и деревянных шпал обеспечивает стабильность боковой и вертикальной жесткости БСП и эффективное демпфирование динамических сил при взаимодействии ПС л ВСП. Проведенные мероприятия позволили на протяжении 1 года наблюдений стабилизировать в. 1,5 -1,7 раз жесткость пути, что.положительно сказываотся на повышении стабильности коэффициента сцепления,, увеличении срока службы элементов привода и рессорного подвешивания ПС. а также элементов ОСП при сокращении расходов на их текуцео.обслуживание.

Реализация результатов работы. Изготовлены опытные партии новых шпал-демпферов и восстановленных по разработанной технологии деревян-

пых старогодиых unan. Эксплуатационные испытания показали надежность их работы в условиях ударно-усталостного нагружения.

Научно-технический совет СКЖД рекомендовал при дальнейшей работе по тено изготовить партию шпал-демпферов и цельных деревянных шпал, упрочненных по разработанной технологии с применением клеевой мастики, и уложить опытный участок пути протяженностью 1 км.

Проведена стабилизационная обработка разъемных соедимений железобетонных и деревянных шпал разработанной мастикой на основе жидкого каучука. Эффект от ее внедрения заключается в полном обеспечении требований "Технических указаний по укладке и содержании босстыкового пути" и повышении безопасности движения.

Апробация работы.. Основные результаты исследований были доложены на следующих научно-техничоских конференциях и научно-тохнических советах: НТС СКжд от 10.06.96 г.,"Расширенная коллегия и совещание главных инженеров железных дорог МПС РФ' от 7 июля 1996 г., 2-я Международная конференция "Состояние и порспоктиоы развития электроподвижного состава", Новочеркасск,1997 г., Межвузовская научно-методическая конференция "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта", Москва, РГОТУПС, 1997 г., научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава РГУ ПС (Ростов-на-Дону, 1035, 1990, 1997 г.г.)

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 5 научных работ, получено 2 положительных решения о выдаче патента Р4> Список указанных работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти rnah, выводов и содержит /92 страниц, из них ííf<3 страниц машинописного текста, 21 рисунок, 21 таблица, список литературы из 76 наименований и приложения на Об страницах.

Сведении посвящено обоснованию актуапыюсти уоучаомой проблемы, изложении ее сущности и постановке цели исследования. Приводятся ос-моямме положения работы, аыиосимыо на защиту.

Порпая глава. Впервые задача взаимодействия-твердых тел при трении качения была решена Г. Герцем, позднее U.M. Беляевым. Проблеме сцепления при изучении взаимодействия колеса м рельса посвящены работы Д.К. Мииова, И.П. Исаева, Г. Захсп, X. Фомма, Картера, Ю.М. Лужкова и др. Анализ этих и других работ показываот, что с точки зрения выяснения физической картины о зоно контакта при реализации максимальных

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

сил сцепления проблема остается асе еще недостаточно изученной.

В настоящее время мощность тяговых двигателей локомотивов позволяет реализовать предельные по условиям сцепления значения силы тяги. Величины расчетного коэффициента сцепл^чия лежат в пределах 0,28 -0,44. Необходимо обеспечивать условия для реализации максимальных знал чений коэффициента сцепления, для этого требуется достаточно точно определить зависимость коэффициента сцепления от параметров нагружеиия, жесткостных и демпфирующих характеристик механической системы"ПС-ВСП".

Жесткостные и демпфирующие характеристики ВСП незначительно изменяют среднее значение коэффициента сцепления, но могут существенно увеличивать его разброс с приближением значений в область предельных, при которых возможен срыв сцепления.

Параметры затухающих колебаний системы "ПС-ВСП" зависят от жесткости пути С .массы пути ш демпфирующих свойств пути . Существенно большие возможности в сравнении с другими мерами борьбы с вредными вибрациями имеет демпфирование. Разработка и использование шпалы-демпфера могут существенно уменьшить динамические составляющие сил взаимодействия колеса и рельса.

При деревянных шпалах путь обеспечивает значительно большую стабильность коэффициента сцепления колеса с рельсом, чемПри железобетонных, что повышает надежность и безопасность движения локомотивов, в связи с этим при разработке конструкции шпалц-демпфера была принята за основу деревянная шпала.';

В связи с вышеизложенным в настоящей работе поставлены основные эадь.чи:

- на основе математических методов оптимизации, физического подобия и моделирования создать физическую модель-механической системы "ПС - вся";

- разработать для проведения исследования установку, позволяющую

с максимальной точностью'воспроизводить процессы, происходящие а натуру

- провести комплексные экспериментальные исследования фрикционной механической системы "ПС-ВСП", варьируя о установленных пределах нагрузочные параметры пары трения "колесо-рельс" и динамические параметры ВСП, для определения слияния упругих и вязких свойств пути на • реализацию силы тяги в силу сцепления колоса с рельсом и оценки ста-бипьнооти реализуемых значений коэффициента сцетшоиип;

- получить рациональные значения жесткостных и демпфирующих характеристик деревянных шпал при балластном ВСП, обеспечивающих наилучшие

условия реализации силы тяги;

- разработать конструкцию шпалы-демпфера с рациональными жесткост-ными и демпфирующими характеристиками;

- проверить шпалу-демпфер на прочность и деформации под подвижной нагрузкой, оценить стабильность упругих свойств пути и их влияние на коэффициенты динамики элементов ПС и ВСП при использовании в качес< эе клеевой композиции мастики на основе жидкого каучука.

Во второй главе рассмотрены вопросы теоретико-экспериментального метода построения динамической модели "ПС-ВСП", разработки конструкции илапы-демпфера и определения предельных значений варьируемых показателей демпфирования и жесткости.

1. Силовая расчетная схема механической системы "ПС -ВСП" з координатах перемещений в вертикальной плоскости представлена на рис. 1

В качестве единицы ПС рассматривается прицепной вагон электропоезда ЭР-ЯП. В рассматриваемой схеме шесть степеней свободы. Составленная по методу Лагранжа система уравнений имеет следующий вид :

m z + -zT) + С (z -zr) = О

mr zr - jMz -zT) - С (z -zr) + JJT(zT-zrt) +■ CT(zT~zM) = 0 .

mH - £т(*гЧ|> - Cr(zT-zl() + p^in'ip) + CK{ZH-ZP) + C¿\ (t )

mp '¿P - Pk(**-*/>> - CK<zH~zp) + * Ср{гр-гш) U -^-ij - С|Л

mm ~ /У5р-*ы> ~ Cp(zp-zw) +£lu(zlll-í(f) + Сш{гш-Ч> ~ 0

ms v -д,<¿u.-v> - сА-г<г> + + v V= 0

гдо

п>,тг,пн,Шр ,тш - массы кузова, обрессоронной части тележки, нсеб-

рессоренной части тележки моторного вагона, рельса, шпалы и балласта; С.С^ .Ср, .Ср.Сщ.С^ - жесткости центрального подвешивания, буксового подвешивания вагона, контактная жесткость колеса с рельсом, жесткости рельса, шпалы, балласта;

р , Д-.Д. 'Р^ • > jSj.- коэффициенты демпфирования центрального подвешивания, буксового подвешивания, колеса с рельсом, рельса, шпалы,балласта. ^ - просадка пути.

Закон изменения просадок пути

■ н П

1 3 -W. sin (------ t ) , ( 2 )

2 Lh

где - глубина просадки пути, м ; t - время, с; V - скорость движе'нип вагона, м/с ; Lh - длина волны неровности, м .

Расчеты проводились для одной рельсовой нити. Полученные дифференциальные уравнения описыоеют колебания механической системы при на-

»0

М&г) ^'(РЬ)

тг , \0г

Фг-г»)

тн .0*

Щ> .

\Щ1

тш ( \0<й

-ы V «.

т*,

7ГТГ7Г7777777777

¿¿и 'т<г?<?

Сг2р

Рис. 1. Силоаая расчетная схема механической системы "ПС - ВСП"

личии возмущающего воздействия в виде периодических неровностей на рельсах при движении подвижного состава и выражают условия динамического равновесия о системе "ПС г ВСП".1

Выполнен анализ компьютерной обработки результатов численного моделирования по методу Рунге-Кутта. Полученное решение моделируемой системы позволяет сделать'вывод, что изменение параметров шпалы таких как ео упругие и демпфирующие свойства не вызывает появление новых резонансных частот.

Исследовались 13 вариантов сочетаний жесткостных и демпфирующих параметров деревянных шпал по критерию минимума коэффициентов динамики элементов системы. Результаты приведены на рис.2,3,4. Установлено, что увеличение только коэффициента демпфирования шпалы при неизменной жесткости неэффективно, и приводит к увеличению коэффициента . динамики необрессорениой части тележки на всем интервале эксплуатационных скоростей. При увеличении жесткости шпалы от 20000 кН/м до 40000 кМ/м -и степени.•' демпфирования от 0.311 до О.БОЗ-О.В95 (кривые 1 и 11

б)

Рис. 2. Результаты сравнения зависимостей коэффициента

динамики кузова (А) и обрессоренной части тележки (Б) вагона электропоезда ЭР-9П от скорости двикения при различных параметрах шпалы (13 вариантов).

А)

ВД

1) 11) 12) 13)

» i и) = 27.5

и)« 82.3 ii) =103.0 ц) =114.3

кн*сд кн*сд кн*сд кн*с/1

с(ш)=22000 с (ш) -40000 с!ш)=61720

с{ш) =76000

/

11

у

юо, у; км/ч 140

б)

кд

0.2

0.15

0.1

0.05

1) р( 4) р! 11) я 13) м ц)= 27.5 11)= 78.5 !»= 82.9 а} =114 .з 3 кн*с/{ 3 кн*с/1 2 кн*сл 3 кн*с/1- 1 , с(ш)=22000 кн , с(ш)=22000 кн , с(ш)=40000 кн , с(ш)=76000 кн 'м 'м 'м 'м 1

7

4 А / 13

20

40

60

80

100, гг км/ч 140

Рис. 3, Результаты сравнения зависимостей коэффициента динамики необрессоренной части тележки вагона электропоезда ЭР-9П (А) и рельсе (Б) от скорости движения при различных параметрах шпалы (13 вариантов).

А)

КД

0.25 0.2

0.15 I

0.1 0.05

1) рл; 4) рш 11) рш * 27.50 < 78.50 - 82.92 КН*С/М, <Н*С/М, <Н*С/М, СШ-2200' 011=22005 СШ=4000' 1 КЯ/М, ДШ=0.31 КН/М, ДШ-0.88 т/и, Дш*о.7о 1 /1

13) {Ш '114.30 СШ-76001 кн/к, * 1НЬ0.70 ф

А У"

{ ■

_ „ Г.—^

В)

КЦ

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

20

40

60 00

100, V, км/ч 140

1) м 4) 11) .«< а)- 27.5 1!) » 73. е !!)» 82.9 Э КН*С/1 Э КН*СЛ 2 КН*С/1 .....1......... , С(¡10=22000 КН , С Ш)-12000 КН , С(Щ)-40000 КН 'м 'М 'М 1 /

13) м Ю»114.3 э кн*с/г , С(Ш)>76000 КН 1 'м ) ф

9»

> Г-

20

40

60

00

100, 1/г км/ч 140

Рис. 4. Результаты сравнения зависимостей коэффициента динамики шпалы (А) и балласта (6) от скорости движения при различных параметрах шпалы (13 вариантов).

рис.2,3,4) коэффициент динамики необрессоренной части тележки уменьшается в среднем на 40- 4554, а рельса на а-10%. На основе расчетов определены рациональные значения жесткости шпалы-демпфера 40000-76000 кН/м и степени демпфирования 0=0.5-0.695, что соответствует коэффициенту демпфирования^ш=60-82.92 кН*с/м. Рекомендуемые параметры обеспечиваются путем создания шпалы-де^пфера, состоящей из слоев древесины и армированных металлом или полимерным материалом резиновых амортизирующих слоев полимвризованной клеевой композиции на основе жидкого каучука.

Для проведения намеченных исследований получена физическая модель системы "путь-подвижной состав" на основе разработанной методики комплексного моделирования с улучшенной прогнозирующей способностью механических, тепловых свойств материалов, а также инерционных,жесткост-ных и демпфирующих параметров механической системы. Физическое моделирование механической системы "ПС - ВСП" включает моделирование верхнего строения пути по дифференциальным уравнениям изгиба рельса, моделирование подвижного состава по дифференциальным уравнениям колебаний подпрыгивания и галопирования кузова на рессорах с вязкостными демпферами и моделирование процесса сцепления колеса с рельсом из анализа размерностей.

Модель шпалы-демпфера выполняется из материала натурной шпалы С^ = 1, геометрические размеры шпалы-демпфера в соответствии с =10, при этом масса шпалы пропорциональна 6 , то есть Ст = . При моделировании системы, совершающей плоски-параллельные колебания в поле силы тяжести для обеспечения условия подобия динамических характеристик натуры и модели,т.е. С^ = = 1» необходимо выполнение равенства

с/>г ~ с£ ~ ^е ' "ля исключения возникающего противоречия в каждой точке приложения динамической возмущающей силы на модель шпалы помещается расчетная добавочная масса.

2. Для улучшения динамики взаимодействия ПС и ВСП предлагается использование* клееной составной деревянной шпалы-демпфера, разработанные вариант N 1 и вариант N 2 конструкции представлены на рис. 5 и в . Шпалы-демпферы комплектуются из сплошных наружных и составных внутренних брусьев, склеиваются вибростойким, атмосфоростойким клеевым материалом. 1

Конструкции отличается следующими особенностями: - с целые обеспечения рациональной по условиям динамического взаимодействия ПС и ВСП жесткости армирование шпал-демпфероа по варианту

а) оЛус/и <£ид О] а л ее Зои

с/глоц/ял/е Грусья _ сес/77а-а//£/е др</с&я

3-

V- армс/пура

$-ЛУС/Г70$<?Я резина

6- хле</

Рис. 5.. Конструкция шпалы-демпфера (вариант I).

. . .У.

I ....... ........... V I

I I I 1

I I . I I 1-

I 1

Л сллси/ш/е др</сь$

2- состо^ше <5руа$

3- хомуты углу&яеА'с/я брусьях

ар мол? ур о 6 - клеи

Рис. б. Конструкция ипалы-демпфера (вариант 2).

N 1 выполнялось в клеевых швах, для варианта N 2 в виде предварительно -напряженной арматуры, расположенной со стороны нижней постели шпалы;

- необходимые демпфирующие с&ойства шпалы-демпфера обеспечивались по варианту N 1 за счет толщины и механических свойств листовой резины, помещенной о клеевые швы, о о варианту N 2 за счет высокоэластичьых свойств самого клеевого материала.

Предварительные полигонные испытания показали, что конструкции по варианту N 2 обеспечивает раьмоулругость пути с течением времени, требуемую долговечность в условиях подвижных нагрузок. Проведена проверка конструкции шпалы-демпфера на прочность и деформации под подвижной нагрузкой по методике, учитывающей не только величины поездных нагрузок, но и количество их воздействий (грузонапряженность).

В третьей главе рассмотрены вопросы разработки и оценки эксплуатационных характеристик клеевого материала для изготовления шпал-демпферов, способного выдерживать динамическое иагружение на сжатие под поездной нагрузкой без явления текучести и остаточных деформаций.

8 соответствии с требованиями, определенными в глапе 2 по прочности и деформациям под подвижной нагрузкой, и для обеспечения рациональных условий по стабильности упругих свойств пути из пяти вариантов клеевого состава была выбрана мастика на основе Жидкого каучука СКДПН.

Методом математического планирования эксперимента проведено определение рационального состава мастики. С целью увеличения модуля сдвига при склеивании древесины с 0,95 до 1,5 МПа в качестве катализатора вместо диметилбемзиламина применен гекевметилендиамин ГМДА.

Полимеризованная мастика в конструкции шпалы-демпфера имеет следующие показатели :

- модуль сдвига "С , МПа - 1,84

- твердость по Шору Н , у.е. - 5а

- коэффициент усталости при ударном нагружении, Куст. - 0,84

- относительная прочность образцов после цикличных температурно-влажностных испытаний А, X - 90

Испытания на статическое и динамическое сжатие показали, что оптимальная толщина клеевого покрытия в области подрельсовой подкладки, выполняющего роль демпфера, составила 12 мм, модуль упругости в зоне упругих деформаций Е = 73 МПа, предел текучести ¿у =7,99 №а.превышает =6,12 МПа - допустимое динамическое напряжение на сжатие в рабочем интервале нагрузок 1,5 - 2,2 МПа. В рабочем интервале нагрузок средняя статическая жесткость составила 60 В10 кН/м, динамическая 79 114 кН/м, деформации не превысили 10 X.

Четвертая глава посвящена реализации расчетно-экслериментапьного метода исследования динамики процесса фрикционного взаимодействия пары трения "колесо-рельс" с целью увеличения коэффициента сцепления и возможности его прогнозирования. Введение а конструкции ВСП шпалы-демпфера- изменяет амплитудно-частотные характеристики, которые определяются параметрами динамических прогибов шпалы в зависимости от частоты зоз-мущающей силы.

Исследованием поставлена задача получить качественную оценку изменения динамических составляющих силы сцепления в функции демпфирующих и жесткостных характеристик шпалы-демпфера.

Изменение жесткостных и демпфирующих характеристик шпалы-демпфера ограничено условиями обеспечения работоспособности, устойчивости при восприятии нагрузок, требуемой долговечности. рациональные значения данных параметров из принятого диапазона варьирования могут быть определены экспериментальным способом по критерию максимума коэффициент* сцепления, повышения стабильности и, соответственно, по критерию минимума динамических воздействий.

Для проведения исследований разработана экспериментальная установка. Изменение жесткостных характеристик модели ВСП производится плавным регулированием в диапазоне 5000 - 15000 кН/м,а изменение демпфирующих характеристик варьированием числа демпфирующих прокладок, обеспечивающих изменение логарифмического декремента колебаний от 0,075 до 0,3. В качестве процесса на выходе системы использовались сигналы с тензодатчиков, протарированных на изменение величины силы трения и нормальной нагрузки при трении качения. В нормальной плоскости регистрации вертикальных колебаний при трении установлен вибродатчик Д14, позволяющий оценить виброускорение данных упругих колебаний. При этом с помощью анализатора спектра СК4-56 фиксировалось изменение амплитуды виброускорения в зависимости от величины демпфирования и податливости модели шпалы-демпфера, а после обработки сигнала на ЭВМ -распределение спектральной плотности колебаний виброускорения по частотам в диапазоне от о до 10 кГц, то есть соответствующего распределения средней мощности регистрируемого колебательного процесса.Отмечается, что увеличение жесткости, равно как и величины демпфирования снижает значение средней мощности регистрируемых колебаний, отмечаемых на характерной частоте данного процесса трения качения.

Для систематизации исследований применен метод математического планирования эксперимент«. В качество еарьируямых факторов выбраны скорость качения, осевая нагрузка, а также жесткость подральсового основания (при фиксированных значениях демпфирования) или демпфирование

(при фиксированных значениях жесткости). Значения уровней факторов выбраны,исходя из реальных условий эксплуатации с учетом масштабных коэффициентов перехода от натуры к модели.

В процессе проведения исследований отмечено, что частота изменения тягового усилия совпадает с частотой вертикальных колебаний. Основываясь на взаимосвязи характеристик данных колебаний и учитывая, что их источником является процесс фрикционного контакта "колесо-рельс", предложено путем изменения жесткрстных и демпфирующих характеристик модели подрельсового основания (модели шпалы-демпфера) воздействовать на повышение величины и стабильности значений коэффициента трения качения.

Анализ изменения расчетных значений" коэффициента тренма и его пик-фактора показывает, что уменьшение жесткости подрельсового основания способствует росту коэффициента трения качения, однако практически пропорционально возрастает значение пик-фактора, что указывает на падение стабильности коэффициента трения. При этом характерная частота спектральной плотности регистрируемого трибоспектра виброускорений для данных режимов остается величиной постоянной, что позволяет сравнением амплитудного значения спектральной плотности идентифицировать режим трения и оценить уровень ого стабильности.

На рис. 7 приведены результаты исследований зависимости амплитуды колебаний виброперемещений комтробразца при различной скорости, а на рис.в величины пик-фактора коэффициента сцепления для трех фиксированных значений жесткости при различных значениях нормальной нагрузки.

По анализу только триботехнических характеристик довольно трудно определить границу изменения жосткостных и демпфирующих характеристик шпалы-демпфера, при которых увеличение жесткости^и демпфирования положительно сказывается на росте величины и стабильности коэффициента сцепления. Анализ спектральной плотности колебаний виброускорения (рис. 9) показывает, что для принятого диапазона изменения жесткости характерная частота спектральной плотности изменяется незначительно, переменным является уровень колебаний. Оцениваемый амплитудным значением уровень колебаний с ростом жесткости уменьшается. Аналогично влиянию жесткости шпалы-демпфера . рост величины демпфирования с & = 0,075 до 0,3 снижает амплитуду характерной частоты спектральной плотности виброускорония.

Совместный анализ триботехмических (величина коэффициента сцепления и его пик-фактор) и трибоспектральных характеристик позволил определить в качестве рациональной по составу составную шпалу-демпфер, состоящую из четырех брусьев, склеенных мастикой на основе жидкого ка-

0,50 /0*м

ОМ

Л 035

ОМ 0.25

Р* 2000// 2-

з- <$=азоо

о <> £ 5 ^ ^ ^ 25 й !§30

V-

Рис. V. Амплитуда колебаний вибропереыещений ..контробраэца при различной скорости.

2.0

1 10

г-с--/о т/к

3-е - /5МЯ/ъ

750 т

.то

2000 // 2500

//

Рис. 8. Зависимость пик-фактора коэффициента сцепления от нагрузки при различных значениях яэстноети моделей шпал.

т

№

<| ни

ом о

С = $ /У///аг

2-е * ЮЩ'а,

3-е - !$МН/м

2$

Л

■я?

7Х Гц т

9. Рйопределение дксперсЙЙ КСяо&аний виСроускорени». по частоте.

учука СКДПН, армированную предварительно-напряженной металлической арматурой толщиной ^ = 3,0 мм с коэффициентом армирования у^ = 0,0129, закрепленной на нижней постели шпалы.

На основании лабораторных испытаний моделей определено повышенна среднего значения коэффициента сцепления на 3 -5 % при увеличении его стабильности на 35 -50 М для модели шпалы-демпфера с определенными выше параметрами в сравнении с моделью цельной деревянной шпалы.

Пятая глава содержит описание практической реализации результатов исследований.Для улучшения условий реализации силы тяги подвижного состава путем улучшения условий динамического взаимодействия подиижно-го состава и пути разработаны и внедрены консгруктнзно-технологическиа мероприятия :

- технология изготовления шпалы-дампфера;

- технология упрочнения новых цельных деревянных шпал:

- технология восстановления старогодных деревянных шпал;

- способ стабилизации жесткости разъемных соединений рельсовых скреплений для деревянных и железобетонных шпал.

Эксплуатационные испытания,проведенные на участке 12?Э хм Ростовской дистанции пути, показали надежность работы шпал-демпферов и восстановленных старогодных деревянных шпал, а также эффективность способа стабилизационной обработки разъемных соединений рельсовых скреплений. Выполненная программа эксплуатационных испытаний позволяет оценить динамический эффект от увеличения демпфирующих и жесткостных параметров,установленных в путь шпал-демпферов. При осмотре шпал-демпферов через год эксплуатации установлено : целостность покрытия не нарушена, истиранив покрытия в локальных зонах не превысило ~ Ь % от толщины покрытия, состояние амортизирующих элементов хорошее, коэффициент старения клеевого материала под подрельсозой подкладкой составил - 3,4, что означает увеличение за время эксплуатации упругих свойств материала при воздействии подвижной нагрузки. Замеры статических прогибов пути под поездной нагрузкой по истечении 1 года эксплуатации шпал-демпферов показали практически отсутствие изменения жесткостных и демпфирующих свойств пути.

За год эксплуатационных испытаний костыльных скреплений и скреплений Д4 деревянных шпал, обработанных согласно способу стабилизации жесткости разъемных соединений, установлено значительное повышение сопротивления раскручиванию резьбовых соединений и выдергиванию костылей и шурупов по сравнению с контрольными необработанными скреплениями,что способствует сохранению вертикальной и боковой жесткости пути.

В результате сравнительных стендовых и эксплуатационных испытаний

установлено :

- повышение среднего значения коэффициента сцепления на 3 - 5 % и повышение на ¿0 - 50 % (в зависимости от типа балласта) стабильности его значений, что позволяет при проведении тяговых расчетов повысить на 3 - 5 % принимаемое для расчетов значение коэффициента сцепления,

- повышение стабильности подрельсового основания и снижение за счет демпфирования уровня динамических составляющих сил контактного взаимодействия нелодрессоренных частей подвижного состава и пути (при поохождении стыка или неровностей пути) позволяет оценить увеличение срока службы элементов подвижного состава на 11 Я, рельсов на 15 шпал на 38 'Л,

- снижение эксплуатационных расходов'нп капитальный и текущий ремонты пути и на обслуживание тележек подвижного состава.

Годовой экономический аффект от внедрения шпал-демпферов, за счет увеличения срока службы элементов 8СЛ составит 1 875 ЗВ2 руб.

Расчеты экономических показателей от внедрения технологии аосста-новления старогодных' дареаянных шпал указывают на целесообразность проведения данных мероприятий.

основные вывода

1. При исследовании рассмотрено слияние динамических процессов, реализующихся о ЕСП и ПС, на условия сцспленип колеса с рельсом, поскольку вибрации.незначительно изменяя сроднее значение коэффициента сцепления,сучестоенно увеличивают разброс текущих его значений с приближением в область продельных, при которых возможен срыз сцепления.

2. Получена физическая модель механической системы "ПС - ССП", о которой обеспечена идентичность динамических процессов натуры и модели С^ - = Дл" устранения противоречий при моделировании системы, совершающей плоско-параллельные колебания а поло силы тяжести, о тонко приложения динамической сипы на модель шпалы помечается добавочная пасса.

3. Нп базе методики физического моделирования разработана и наготовлена лабораторная установка для определения зависимости величины и стабильности коэффициента сцепления пэра тронмл "колесо - репье" от мэсткостных и демпфирующих параметров ОСП в рабочем диапазоне нагрузок и скоростяй качения в зона устойчивого равновесия системы "ПС ССП". ■

4. С использованием разработанного способа исследоаанип трмботеу-иичзских характеристик (положительное решение от 07,00.36 г о выдаче

патента РФ по заявке N 94000511/20) на экспериментальной установке определены корреляционные зависимости параметров энергетического уровня (амплитуда и частота спектральной плотности 'виброускорения) в зависимости от декремента колебаний шпалы и жесткости пути. Проведенный анализ показал, что частота изменения тягового усилия совпадает с частотой вертикальных колебаний, а изменение амплитуды спектральной плотности виброускорений пропорционально изменению коэффициента динамики,

5. В результате теоретического исследования математической модели механической системы "ПС ВСЛ" по критерию минимума коэффициентов динамики составляющих ее элементов определены рациональные значения жесткости шпалы-демпфера Сш =40000-76000 кН/м и степени демпфирования 0= 0.5 - 0.695 при этом коэффициент демпфирования составит= 80 -82.92 кН*с/м.

6. Теоретико-экспериментальные исследовании показали, что увеличение жесткости шпалы в 1.5-1.75 раза и степени демпфирования в 1.6 -2.0 раза позволит снизить коэффициент динамики неподрессорениых частей подвижного состава на 40-4554, рельса на 8-10%, ' что обеспечивает повышение стабильности значений коэффициента сцепления на 35-50%.

7. Разработана принципиально новая конструкция составной яэревян-' ной шпалы-демпфера (положительное решение от 07.12.9S г о выдаче патента РО по заявке N 94024299/11) с рациональными жасткостными и демпфирующими характеристиками. Конструкция может эффективно использоваться в монолитном ВСП.

а. 8 качестве материала амортизирующих слоев шпалы-демпфера использована мастике на основе жидкого каучука. Получен ее рациональный состав по критерию максимума модуля сдвига клеевого шва.

9. Расчет шпалы-демпфера на прочность и деформации позволяет сделать вывод о надежности работы конструкции о условиях ударного динамического нагружения.

10.На участке 1223 км Ростовской дистанции пути внедрены конструкции шпал-демпферов и восстановленных старогодных деревянных шпал, а также технология стабилизации жесткости разъемных соединений рельсовых скреплений деревянных и железобетонных шпал. Годовой экономический эффект от внедрения шпал-демпферов и разработанных технологий составит 1 875 382 руб.

Автор выражает благодарность д.т.и. профессору Шаповалову В.В. эа оказанную помощь в осуществлении экспериментальных исследований и практической реализации результатов работы и к.т.н. доцоиту Щербаку П.И. за активное участие в постановка эксперимента (глава 4) и помощь при проведении теоретических исследований (глава 2).

Основные положения диссертации опубликованы в рледующих работах

1. Иплопалоа В.П., Бондаренко И.Я., Украинцев М.Г., Луценко Б.П. Исследований фрикционных механических систем, совершающих колебательные движения ü поло сил тяготения."Известия высших учебных заведений. Севоро-Капказский регион"; Н 1 - 2. 1394 'с.'44 - 40.

2. Боидаренко И.Я. Пояышоние долговечности системы путь- подвижней состав /Межауа. сб. нпучн. тр./ Рсстовск. госуд.университет путей сообщений - 1095

3. Сондаренко И.Я., Шаповалов В.В., Щорбак D.H. и др. Пути снижения имтенсизнасти износа рельсов и гребней железнодорожных колес ло-вижного состава . Депонированная рукопись II 5 (293), с. 53, м, 1906.

4. Положительное решение' о* выдаче патента РФ "по заявке N 04000511/28. Способ исследования трибстехниипския характеристик узла трения./ Бондареико И.Я., Шаповалов В.В., Литвинов М.Н., Озябкин А.Л./

5. Полоинтелыюа рошонио о выдаче патента РФ по заявке t) 94024293/11. Составная шпала./ Шаповалов В.В., Клим Я.Я., Бондаренко И.Я., Холодный З.В./

е. Бондареико И.Я., Майба H.A., Озябкин а.П., Цербак П.Н. Повыше-* мне эффективности тягового подоихного состава / Тезисы докл. 2-ой Международной конфэренции "Состояние и перспективы развития электропод-оижного состава"/- Новочеркасск, 1007.

7. Бондаренко И.Я., Щербак П.Н., Сзябхии А.Л. Улучшений условий взаимодейстгия подвижного состава и верхнего строения пути /Тезисы докл. Можвуз. науч.-метод. конфпренции "Актуальный проблемы и перспективы развития ясолознодорскного транспорта" / Москва, РГОТУПС, 1997.

Подписано к печати 3.-02.1008 г. Формат 60x64/15.

-

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1,16. Уч.-код.л. 1,11. Тираж 85. Заказ Л'-I0S.

Лииенэия ПЛЛ № 65-10 от 8.08.1994 г.

Типография Ростовского. государственного университета путей, сообщения. 344038, Ростов н/Д, пл. им. Народного Ополчения, Z.