автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Установление параметров амортизации буксовых связей тепловозов

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ Антон Андреевич

УСТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АМОРТИЗАЦИИ БУКСОВЫХ СВЯЗЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2004 г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения МПС РФ»' на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент САПРЫКИН ЛЕОНИД ИВАНОВИЧ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент ИГНАТЕНКОВ ГЕННАДИЙ ИВАНОВИЧ; кандидат технических наук, доцент БАХОЛДИН ВАЛЕНТИН ИВАНОВИЧ

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава (ГУП ВНИКТИМПС).

Защита диссертации состоится 23 декабря 2004 года в часов минут на заседании диссертационного совета Д218.008.05 при Петербургском государственном университете путей сообщения МПС РФ по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения МПС РФ.

Автореферат разослан « 23 » ноября 2004 года.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью, просим направлять в адрес ученого совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Н.П. Семенов

Общая характеристика работы.

Актуальность исследования. В соответствии с программой ОАО «РЖД» «Создания и освоения производства новых локомотивов в 2004-2010 г.г.» необходимо производить локомотивы российского производства с улучшенными потребительскими качествами, обеспечивающими конкурентоспособность российского транспортного машиностроения и железнодорожных грузовых и пассажирских перевозок, снижение себестоимости перевозок за счет совершенствования системы эксплуатации и ремонта подвижного состава.

В последние годы на железных дорогах России отмечен интенсивный физический и технологический износ бандажей колес подвижного состава. Фактический ресурс бандажей колесных пар локомотивов, до настоящего времени не превышает 50 % плановых 800-900 тыс. км пробега. Из-за этого неэффективно расходуется ежегодно более 60000 тонн дорогостоящей бандажной стали, на восполнение которой расходуется более 1,5 млрд рублей. Потери энергоресурсов от трения гребней колес эксперты оценивают в 20 % их общего расхода на тягу. Сопротивление движению при этом возрастает на 10-15 %, а коэффициент сцепления локомотива снижается до 0,12 и менее.

Необходимо отметить, что за последние 10 лет на сети ж.д. России повсеместно внедрялось гребне и рельсосмазывание, упрочнение гребней. Эти мероприятия позволили несколько сгладить остроту вопроса, однако интенсивность износа гребней колес снизить не удалось. Так, по данным формы отчета ТО-3, обточки локомотивных колесных пар по износу гребня (И1) и остроконечному накату (И5) в сумме по всем железным дорогам России составляли: в 1999 г.— 124557 (71,8 %), общего числа обточек, в 2000 г.-133054 (73%).

Безопасность движения, вопросы ресурсо- и энергосбережения, трудозатраты по переточке колес, необходимость содержания дополнитель-

1 ('ОС. НАЦИОНАЛЫ БИБЛИОТЕКА С.Петер« 09 ПО

ДЛЬНАЯ|

ных локомотивов в парке приобрели особую остроту. В связи с этим совершенствование и разработка организационно-технологических и конструктивных мероприятий, направленных на снижение интенсивности износа гребней колес и уменьшение эксплуатационных затрат, является важнейшей отраслевой и народнохозяйственной задачей.

Тема диссертации входит в перечень актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта (Постановление коллегии МПС России № 16 от 16 августа 2000 г.).

Целью работы является совершенствование динамических качеств экипажей локомотивов за счет улучшения параметров амортизации буксовых связи.

Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие задачи:

• выбор и обоснование кинематической схемы рессорного подвешивания с шарнирно-рычажным механизмом (ШРМ) буксовой связи;

• составлена математическая модель динамических свойств экипажей локомотивов с ШРМ буксовой связи;

• выполнена качественная и количественная оценка динамических свойств экипажей локомотивов в разных плоскостях действия амортизационных связей;

• произведен сравнительный анализ эффективности работы экипажей локомотивов и оценка технико-экономических показателей практического использования результатов исследования.

Объектом исследования является шарнирно-рычажный механизм буксовой связи тепловоза, как связующее звено между колесно-моторным блоком и рамой тележки.

Общая методика исследований. Использован комплексный подход к решению поставленных задач. Применены современные методы планиро-

вания и анализа экспериментов; статистике-вероятностные методы обработки результатов лабораторных и опытных исследований; математическое моделирование характера взаимодействия локомотива с ШРМ буксовой связи с железнодорожным путем.

Динамический анализ выполнен численными методами с применением ЭВМ. Экспериментальные исследования характеристик ШРМ буксовой связи локомотивов проводились на Свердловской железной дороге с участием кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство ПГУПС. Научная новизна работы:

1. На основе теории движения рельсовых экипажей разработана математическая модель поведения ходовых частей локомотивов с ШРМ буксовой связи в прямых участках пути;

2. Предложен алгоритм решения задачи исследования динамических свойств экипажей локомотивов с ШРМ буксовой связи;

3. Разработана методика расчета и аналитического конструирования элементов экипажей локомотивов с ШРМ буксовой связи.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Алгоритм, построенный на основе разработанной математической модели поведения экипажей с ШРМ буксовой связи реализован в виде отдельного модуля и встроен в программный комплекс исследования динамики движения локомотива.

2. Методика расчета и динамического конструирования элементов экипажей с ШРМ буксовой связи дает возможность ускорить процесс создания локомотивов с улучшенными динамическими свойствами, и на стадии проектирования осуществить анализ конкурентно-способных вариантов.

3. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ПГУПС при подготовке специалистов же-

лезнодорожного транспорта и повышении квалификации руководящих работников ОАО «РЖД».

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается проверкой согласованности теоретических исследований с результатами ходовых испытаний. Максимальное расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований не составило более +9 %

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и получили одобрение на: межвузовских научно-технических конференциях, конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее» в 2001 — 2004 годах и юбилейной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения д.т.н, проф. Гаккель ЕЛ. «Новое в конструкции и обслуживании локомотивов», втором международном симпозиуме Eltrans 2003 и на расширенных заседаниях кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ПГУПС.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из вводной части, где изложена общая характеристика работы, шести глав основного текста с выводами, приложениями, заключения и списка литературы из 119 наименований.

Объем работы составляет 100 страниц основного текста, включая 16 рисунков, 2 таблицы 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность проблемы снижения динамической нагруженности локомотива и пути, дана краткая характеристика методики выполнения работы.

В первой главе дан краткий обзор существующих конструкций буксовых связей современных локомотивов, проведена их классификация по ряду конструктивных признаков.

Произведен анализ параметров буксовых связей эксплуатируемых локомотивов, анализ функционирования фрикционных демпферов и гидрогасителей в буксовой ступени рессорного подвешивания.

Многие специалисты-практики и ученые называют более 30 факторов, которые, по их мнению, оказывают основное влияние на износ гребней. Называемые основные факторы во многих случаях имеют противоречивые толкования, не подтверждаемые опытом практики.

На основании обобщения данных износа гребней колесных пар всех типов локомотивов по сети железных дорог России установлено, что износ гребней происходит не только в кривых, но и на прямых участках колеи.

Теоретической базой исследования взаимодействия систем «колесо-рельс» являются фундаментальные труды ученых: СМ. Андриевского, А.И. Беляева, И.В. Бирюкова, В.И. Варавы, М.Ф. Вериго, A.M. Годыцко-Цвирко, А.С. Евстратова, В.И. Доронина, В.В. Иванова, В.Н. Иванова, И.П. Исаева, А.А. Камаева, В.А. Камаева, В.Н. Кашникова, А.Я. Когана, Л.Д. Кузьмича, B.C. Коссова, Е.Е. Коссова, А.И. Кокорева, В.А. Лазаряна, В.Б. Меделя, Г.С. Михальченко, А.П. Павленко, С.Н. Перевозчикова, Ю.С. Ромена, Т.А. Тибилова, В.Ф. Ушкалова и др.

Выбрано направление исследования буксовых связей - шарнирно-рычажный механизм с гидравлическим амортизатором (рис.1).

Разработана структура диссертации (рис. 3).

Во второй главе выполнен выбор схемы крепления кинематический расчет шарнирно-рычажного механизма буксовой связи (рис. 2). Выведены зависимости изменения длины между головками крепления гасителя коле-

Рис. 1. Шарнирно-рычажный механизм буксовой связи. Общий вид

Рис. 2. Кинематическая схема шарнирно-рычажного механизма

Анализ литературных источников

Постановка задачи исследования

Анализ кинематики шарнирно-рычажного механизма буксовой связи Вывод зависимости для определения угла наклона гасителя колебаний с ШРМ буксовой связи от положения колесной пары Анализ динамической нагруженности тепловоза с ШРМ

Математическое моделирование тепловоза с ШРМ

Задание неровности пути

Расчет вертикальных колебаний

Расчет горизонтальных колебаний

Определение динамической нагруженности тепловоза с ШРМ

_Анализ результатов вычесления_

Сравнение экспериментальных и теоретических результатов

_ исследования_

_Выбор параметров буксовой связи тепловоза с ШРМ_

Определение динамической нагруженности тепловоза с ШРМ при _различных параметрах амортизации_

_Проверки на прочность ШРМ_

_Экономическая эффективность_

Выводы и рекомендации

Рис. 3. Структура диссертации

баний при перемещениях рамы тележки относительно колесной пары в двух плоскостях (вертикальной^, горизонтальной-у):

КС - + у)2 + ^ -Л? -V

ВС~ чКъ +4 ~Къ--------------к~----------------(1)

где 0В = Ц+2, АС = Ь2, СО = Ь3+у, АО = Яи ОВ = Я2, АВ — .

Из полученной зависимости (1) определяются основные углы в шар-нирно-рычажном механизме:

а - arccos

BC2+R2-L2, 2 ВСЯ, '

е = arccos

Ц+У

е = arccos-

^Ъ+уУ + Щ+г)1' АС2 + ОС2 -АО2

(2)

2 АО-АС

А также угол наклона гасителя колебаний в вертикальной плоскости:

// = (7 + £ + *')-90\ (3)

и в горизонтальной:

0 = 90"-//. (4)

На основании выведенных формул были получены зависимости изменения углов наклона гасителя колебаний при перемещениях колесной пары локомотива (Рис. 4.).

Вертигальнье перемещения, м Рис. 4. Зависимость изменения угла наклона гасителя колебаний в шарнир-но-рычажном механизме от перемещения колесной пары

В третьей главе дано обоснование и разработана математическая модель, описывающая амортизацию шестиосного одноступенчатого тепловоза с шарнирно-рычажным механизмом буксовой связи. Расчетная схема приведена на рис. 5. Введены следующие обозначения: ук- поперечный относ кузова; цгк- угол виляния кузова; дк- угол боковой качки кузова; Ущ- поперечное перемещение центра масс ^й тележки; - угол виляния .И тележки; у, - поперечное перемещение 1-й колесной пары; т]1 - смещение центра масс 1-й колесной пары относительно оси колеи; У, - угол виляния ¡-й колесной пары; тк- масса кузова; Н0- расстояние от центра качания при боковой качке кузова до его центра масс; 2Ь - расстояние между комплектами пружин; т]- массатележки; /г, - центральный момент

Рис. 5. Пространственная расчетная схема шестиосного тепловоза

инерции .¡-й тележки; е., - жесткость комплекта пружин 1-й колесной пары; су] - жесткость поперечной связи .¡-й тележки с кузовом; с у угловая жесткость поворота 3-й тележки относительно кузова; Д., - вертикальное демпфирование в рессорном подвешивании ¡-го колеса; Р^ - поперечное демпфирование в рессорном подвешивании 1-го колеса; - демпфирования в поперечной связи j-й тележки с кузовом; - угловое демпфирование при повороте 3-й тележки относительно кузова; а1 - координата по оси х центра масс^й тележки; Ь]- координата по оси х опорно-возвращающего устройства .¡-й тележки; Щ - масса 1-й колесной пары; /а- - центральный момент инерции ьй колесной пары относительно оси х; с^- жесткость поперечной связи }-й колесной пары с тележкой; с^- угловая жесткость поворота ¡-й колесной пары относительно тележки; а,- координата по оси х центра масс 1-й колесной пары.

Система дифференциальных уравнений для данной расчетной схемы будет иметь следующий вид:

+ = -с,•*„) + £(/, -Л-*»)

-НА + Ъ>ук-уу-(6, -^У,]-

- - Но 'в'+Г,-У г - + к + («, - <*) V, - л]"

-У}-(Ь! ~а1 К1"

1=1

-ад +V* -(¿у

л* ^и-Е^аЬ'" -ад-Уj-(bJ

у»

+ЕДА я0у,-(г>, -У, 1+к

I- и у=1

Правые части системы уравнений (5) будут иметь вид:

Рук — Ру — ~ 0.

(6)

Силы, действующие в контакте колесо-рельс Fy,, F^ - выражаются через силы крипа. По гипотезе Картера силы псевдоскольжения принима-

ем пропорционально скорости скольжения: FK = -2 • К г Где параметр

К = 5,3-104 ,r-P (Р- вертикальная нагрузка от колесной пары на рельс И)

Проекции сил псевдоскольжения на оси х, у равны

• •

X' =-2-К — Y" =-2'К~ п)

и о w

скорость поперечного скольжения колес с учетом их отклонения от • •

оси пути на угол Ц/ [23]: иу=ук-у-и,

, • п

а скорость продольного скольжения - и, =Ь„- у/+ и-

а обобщенные силы - Fyi=Y" = - цг) t (g)

Ру,=2ЬкГ=-2ЬК(^ + ук-?), (9)

где п, г, Ьк — конусность, радиус и плечо круга катания; К, о — параметр псевдоскольжения, скорость движения.

Предложенная математическая модель описывает колебания локомотива в вертикальной и поперечной плоскостях. Для решения системы дифференциальных уравнений (5) - (9) использовались методы численного интегрирования. Численное решение системы уравнений осуществлялось с помощью программы, составленной на языке TURBO PASCAL.

В четвертой главе представлены результаты ходовых испытаний тепловоза с шарнирно-рычажным механизмом буксовой связи.

Испытания проводились на свердловской ж.д. с участием кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство».

Целью эксперимента была проверка эффективности предлагаемого механизма связи в замен существующей типа, а также достоверности кинематических зависимостей, полученных во второй главе и адекватности математической модели, разработанной в третей главе.

Результаты расчета амплитудных значений вертикальных ускорений рамы тележки локомотива. Выполненных по методике изложенной в четвертой главе, отличаются от результатов ходовых испытаний не более

±5%.

В пятой главе были определены квазиоптимальные параметры буксовых связей тепловозов с ШРМ буксовой связи.

Во временной области определены амплитудные значения динамической нагруженности тепловоза с выбранными параметрами амортизации буксовых связей при различных скоростях движения (рис. 6.). А также боковые рамные усилия(рис.7.)

В шестой главе произведен расчет на прочность шарнирно-рычажного механизма и крепления гидрогасителя.

Определена экономическая эффективность от внедрения шарнирно-рычажного механизма буксовой связи. Она составляет 2835,83 рублей на одну секцию тепловоза в год.

км/ч

Рис. 6. Амплитуды горизонтальных ускорений с различными параметрами амортизации буксовых связей(1 -вертикальный фрикционный демпфер, 2-гидрогаситель под углом 60°, 3-гидрогаситель с ШРМ).

КН

45-,

! 1

1 ■ 0.5

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

км/ч

Рис. 7. Боковые рамные усилия с различными параметрами амортизации буксовых связей (1-вертикальный фрикционный демпфер, 2-гидрогаситель под углом 60°, 3-гидрогаситель с ШРМ).

Заключение

На основание проведенных в работе исследований можно сделаны следующие выводы:

1. Выполнен анализ и разработана классификация буксовых связей отечественного и зарубежного железнодорожного транспорта с учетом последних достижений в этой области, показывающая тенденции развития элементов сопряжения.

2. Предложена конструкция шарнирно-рычажного механизма буксовой связи, дающая возможность уменьшить рамные силы на 15-18%.

3. Разработана методика расчета и составлена математическая модель определения параметров амортизации буксовой связи тепловоза с выбранным механизмом буксовой связи.

4. Определены оптимальные параметры для ШРМ буксовой связи грузового тепловоза.

5. Определены амплитуды ускорений кузова при различных параметрах горизонтальной и вертикальной амортизации, которые в данном случае уменьшают на 5% по сравнению с другими схемами.

6. Результаты натурных испытаний шарнирно-рычажного механизма, подтвердили расчетные характеристики.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Кузнецов А.А. «Возможность унификации тележек локомотивов» в книге «Повышение надежности локомотивов и эффективности их работы» /Сб. трудов ПГУПС 2003г., с.80-81;

2. Кузнецов А.А. «К вопросу унификации локомотивных тележек» -«Железнодорожный транспорт: проблемы и решения» /Межвуз. сб. трудов молодых ученых, аспирантов и докторантов, ПГУПС, 2003г., с.68;

3. Кузнецов А.А. «Унификация тележек локомотивов» в книге «Новое в конструкции и технологии обслуживания локомотивов» /Тезисы докладов научно-технической конференции, ПГУПС 2003г., с.44-45;

4. Кузнецов А.А. «Некоторые вопросы унификация тележек локомотивов» в книге «ЕИ:гаш-2003» /Тезисы докладов международной второго международного симпозиума екгаш 2003, ПГУПС 2003г, с. 18;

5. Кузнецов А.А. «Унификация тележек локомотивов» /Тезисы доклада на «Неделя науки» 2001г., с Л 4;

6. Кузнецов А.А. «Демпфирование колебаний в первой ступени рессорного подвешивания грузового локомотива» в книге «Электрификация и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» /Сб. статей второго международного симпозиума екгаш 2003, ПГУПС 2003, с. 463-467;

7. Кузнецов А.А. «Демпфирование в грузовых тепловозах с шарнир-но-рычажным механизмом» /Сб. статей «Шаг в будущее», ПГУПС 2004,с.23-24;

8. Кузнецов А.А. «Преимущество применения шарнирно-рычажной буксовой связи на грузовых тепловозах» в книге «Известия Петербургского университета путей сообщения», ПГУПС, 2004, вып1, с.53-57.

Подписано к печати 22.11.04г. Печ.л. - 1,2

Печать - ризография. Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1\16

Тираж_100 экз._Заказ №1130

СР ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр. 9

Введение.

1. Аналитический обзор литературных источников, посвященных анализу буксовых связей локомотивов.

1.1. Классификация буксовых узлов.

1.2. Анализ работы гасителей колебаний.

1.3. Обзор работ посвященных поиску оптимальных параметров амортизации буксовых связей локомотивов.

1.4. Направления, методы и структура исследования параметров буксовых связей.

2. Анализ кинематики шарнирно-рычажного механизма буксовой связи тепловоза.

2.1. Шарнирно-рычажный механизм буксовой связи.

2.2. Кинематический расчет шарнирно-рычажного механизма буксовой связи.

2.3. Распределение демпфирующих сил при разных видах буксовой связи.

2.4. Выводы.

3. Математическая модель для оценки динамической на-груженности тепловоза с ШРМ буксовой связи.

3.1. Принцип формирования модели.

3.2. Задание неровности пути и критериев качества.

3.3. Расчет колебаний локомотива в вертикальной плоскости.

3.4. Расчет боковых колебаний локомотива при движении в прямом участке пути.

3.5. Численное решение систем дифференциальных уравнений и обработка результатов вычислений.

3.6. Выводы.

4. Экспериментальные оценки теоретических исследований.

4.1. Методика проведения ходовых испытаний тепловоза с ШРМ буксовой связи.

4.2. Сопоставление теоретических и практических результатов определения динамической нагруженности локомотива с ШРМ буксовой связи.

4.3. Выводы.

5. Определение нагруженности тепловоза с ШРМ при различных параметрах амортизации.

5.1. Определение критерия качества для выявления параметров амортизации.

5.2. Определение оптимальных параметров амортизации буксовой связи локомотива с ШРМ.

5.3. Эквивалентный параметр неупругого сопротивления гидрогасителя с ШРМ буксовой связи тепловоза.

5.4. Выявление динамической нагруженности локомотива с ШРМ буксовой связи.

5.5. Выводы.

6. Расчет шарнирно-рычажного механизма буксовой свя зи и крепления гидрогасителя.

6.1. Расчет на прочность шарнирно-рычажного механизма буксовой связи и крепления гидрогасителя.

6.2. Определение усилий в шарнирно-рычажном механизме буксовой связи.

6.3. Расчет на прочность крепления гидрогасителя к раме тележки.

6.4. Расчет на прочность крепления гидрогасителя к буксе. 90 # 6.5. Расчет экономической эффективности от внедрения предлагаемого ШРМ буксовой связи.

Щ 6.6. Выводы.

Выводы по диссертации.

Список используемой литературы.

В соответствии с программой ОАО «РЖД» «Создания и освоения производства новых локомотивов в 2004-2010 г.г.» необходимо производить локомотивы российского производства с улучшенными потребительскими качествами, обеспечивающими конкурентоспособность российского транспортного машиностроения и железнодорожных грузовых и пассажирских перевозок, снижение себестоимости перевозок за счет совершенствования системы эксплуатации и ремонта подвижного состава.

В последние годы на железных дорогах России отмечен интенсивный физический и технологический износ бандажей колес подвижного состава. Фактический ресурс бандажей колесных пар локомотивов, до настоящего времени не превышает 50 % плановых 800900 тыс. км пробега. Из-за этого неэффективно расходуется ежегодно более 60000 тонн дорогостоящей бандажной стали, на восполнение которой расходуется более 1,5 млрд рублей. Потери энергоресурсов от трения гребней колес эксперты оценивают в 20 % от общего расхода на тягу. Сопротивление движению при этом возрастает на 10-15 %, а коэффициент сцепления локомотива снижается до 0,12 и менее.

Необходимо отметить, что за последние 10 лет на сети ж.д. России повсеместно внедрялось гребне- и рельсосмазывание, упрочнение гребней. Эти мероприятия позволили несколько сгладить остроту вопроса, однако интенсивность износа гребней колес снизить не удалось. Так, по данным формы отчета ТО-3, обточки локомотивных колесных пар по износу гребня (И1) и остроконечному накату (И5) в сумме по всем железным дорогам России составляли: в 1999 г.— 124557 (71,8 %), общего числа обточек, в 2000 г. - 133054 (73 %).

Безопасность движения, вопросы ресурсо- и энергосбережения, трудозатраты по переточке колес, необходимость содержания дополнительных локомотивов в парке приобрели особую остроту. В связи с этим совершенствование и разработка организационно-технологических и конструктивных мероприятий, направленных на снижение интенсивности износа гребней колес и уменьшение эксплуатационных затрат, является важнейшей отраслевой и народнохозяйственной задачей.

Тема диссертации входит в перечень актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта (Постановление коллегии МПС России № 16 от 16 августа 2000 г.).

Целью работы является совершенствование динамических качеств экипажей локомотивов за счет улучшения параметров амортизации буксовых связей.

Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие задачи:

• выбор и обоснование кинематической схемы рессорного подвешивания с шарнирно-рычажным механизмом (ШРМ) буксовой связи;

• составление математической модели динамических свойств экипажей локомотивов с ШРМ буксовой связи;

• выполнение качественной и количественной оценки динамических свойств экипажей локомотивов в разных плоскостях действия амортизационных связей;

• проведение сравнительного анализа эффективности работы экипажей локомотивов и оценка технико-экономических показателей практического использования результатов исследования.

Объектом исследования является шарнирно-рычажный механизм буксовой связи тепловоза, как связующее звено между колес-но-моторным блоком и рамой тележки.

Общая методика исследований. Использован комплексный подход к решению поставленных задач. Применены современные методы планирования и анализа экспериментов; статистико-вероятностные методы обработки результатов лабораторных и опытных исследований; математическое моделирование характера взаимодействия локомотива с ШРМ буксовой связи с железнодорожным путем.

Динамический анализ выполнен численными методами с применением ЭВМ. Экспериментальные исследования характеристик ШРМ буксовой связи локомотивов проводились на Свердловской железной дороге с участием кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ПГУПС.

Научная новизна работы:

- На основе теории движения рельсовых экипажей разработана математическая модель поведения ходовых частей локомотивов с ШРМ буксовой связи в прямых участках пути;

- Предложен алгоритм решения задачи исследования динамических свойств экипажей локомотивов с ШРМ буксовой связи;

- Разработана методика расчета и аналитического конструирования элементов экипажей локомотивов с ШРМ буксовой связи.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Алгоритм, построенный на основе разработанной математической модели поведения экипажей с ШРМ буксовой связи, реализован в виде отдельного модуля и встроен в программный комплекс исследования динамики движения локомотива.

2. Методика расчета и динамического конструирования элементов экипажей с ШРМ буксовой связи дает возможность ускорить процесс создания локомотивов с улучшенными динамическими свойствами, и на стадии проектирования осуществить анализ конку-Щ рентно-способных вариантов.

3. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ПГУПС при подготовке специалистов железнодорожного транспорта и повышении квалификации руководящих работников ОАО «РЖД».

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается проверкой согласованности теоретических исследований с результатами ходовых испытаний. Максимальное расхождение результатов теоретических и экспериментальных исследований составило менее +9 %.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и получили одобрение на: межвузовских научно-технических конференциях, конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее» в 2001 - 2004 годах и юбилейной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения д.т.н, проф. Гаккель Е.Я. «Новое в конструкции и обслуживании локомотивов», втором международном симпозиуме Eltrans 2003 и на расширенных заседаниях кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ПГУПС.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из вводной части, где изложена общая характеристика работы, шести глав основного текста с выводами, приложениями, заключения и списка литературы из 119 наименований.

Объем работы составляет 100 страниц основного текста, включая 16 рисунков, 2 таблицы, 4 приложения. Ф

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Выполнен анализ и разработана классификация буксовых связей отечественного и зарубежного железнодорожного транспорта с учетом последних достижений в этой области, показывающая тенденции развития элементов сопряжения.

2. Предложена конструкция шарнирно-рычажного механизма буксовой связи, дающая возможность уменьшить рамные силы на 15-18%.

3. Разработана методика расчета и составлена математическая модель определения параметров амортизации буксовой связи тепловоза с выбранным механизмом буксовой связи.

4. Определены оптимальные параметры для ШРМ буксовой связи грузового тепловоза.

5. Определены амплитуды ускорений кузова при различных параметрах горизонтальной и вертикальной амортизаций, которые в данном случае уменьшают на 5% по сравнению с другими схемами.

6. Результаты натурных испытаний шарнирно-рычажного механизма, подтвердили расчетные характеристики.

1. Аброскин П.И., Белгорский Д.Г., Бондаренко Б.Р. и др. Магистральные электровозы. Механическая часть электровозов, М.: Машиностроение, 1967 — 436с.

2. АлексеевА.А. Исследование колебаний моторных тележек с различными типами подвешивания тяговых двигателей /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд.тех. наук / Л., 1972 -18с.

3. АндреевА.А. Особенности тяговых и динамических качеств локомотива с упругим продольным сопряжением кузова и тележекдвигателей /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех.наук / Днепропетровск, 1980 - 16с.

4. Анкудавичус И.З. Унификация тлежек грузовых тепловозов с гидравлическими гасителями колебаний /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд.тех. наук / Л., 1998 - 20с.

5. Апанович Н.Г., Евенко В.И., Иванов В.В. и др. Конструкция, расчет и проектирование тепловозов, М.: Машиностроение, 1969 -388с.

6. Березин В.В. и др. Конструкции соединений тележек с кузовом локомотивов, М., 1985 36с.

7. Биндер Н.Я. Исследование конструкций и вертикальной динамики индивидуальных осевых приводов локомотивов с электропередачей /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /,1. Брянск, 1972 20с.

8. Биргер И.А. Резьбовые соединения, Москва.: Машиностроение, т 1973

9. Бирюков И.В. Исследование динамики и прочности электроподвижного состава /Сборник статей/, вып. 374, М., 1971 260с.

10. Бирюков И.В. Механическая часть тягового подвижного состава /Учеб. для втузов ж.д. транспорта/, М.: Транспорт, 1992 439с.

11. Бирюков И.В., Исаев И.П. и др. Основы программирования и решение задач тяги и динамики электроподвижного состава на ЭВМ /Учеб. для втузов/, М. 1962 85с.

12. Бирюков И.В. Применение средств вычислительной техники ^ для совершенствования экспериментальных исследований на железнодорожном транспорте, М.: МИИТ, вып. 712, 1982 -75с.

13. Бирюков И.В. Проблема диагностики подвижного состава железных дорог /Межвуз. сб./, М.: МИИТ, вып. 687, 1981 152с.

14. Бирюков И.В. Проблемы совершенствования системы тягового электроснабжения подвижного состава железных дорог /Межвуз. сб. науч. трудов/, М.: ВЗИИТ, 1989 97с.

15. Бирюков И.В. Совершенствование оборудования подвижного состава /Межвуз. сборник/, вып. 703, М., 1982 124с.

16. Бирюков И.В. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог М., 1986 — 256с.

17. Блинова З.А. и др. Амортизаторы с резиновыми деталями для подвижного состава, М.: Трансжелдориздат, 1962 24с.

18. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем, М.: Транспорт, 1979 335с.

19. Братчев Э.П., Камаев В.А. Автоматизация проектирования ходовой части железнодорожного подвижного состава /Учеб. пособие/, Брянск: БИТМ, 1985 76с.

20. Бусаров В.Г. Динамические качества локомотива с безрамнойдвухосной тележкой /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /, Луганск, 1992 23с.

21. Варава В.И., Алексеев А.А. Выбор характеристик горизонтальной амортизации моторных тележек локомотивов /Сб. трудов/, JL: ЛИИЖТ, вып. 311, 1970 с. 120-126

22. Варава В.И., Осипов С.А. Выбор характеристик горизонтального обрессоривания тепловоза /Сб. трудов/, Л.: ЛИИЖТ, вып. 295, 1969 с. 48-65

23. Варава В.И. Рессорное подвешивание современного подвижного состава, М., 1968 39с.

24. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава, М.: Транспорт, 1986 559с.

25. ВерченкоВ.Р. (ред.) Унификация в машиностроении /Сб. лекций, прочитанных в ДНТПС/, М.: Изд. стандартов, 1971

26. ВерченкоВ.Р. (ред.) Унификация в машиностроении /Сб. статей/, М.: Изд. стандартов, 1972

27. ВолодинА.И. (ред.) Исследование и усовершенствование конструкций узлов тепловоза /Сб. статей/, М.: ВЗИИТ, вып. 83, 1976

28. Гарг В.К., Дуккипати Р.В. Динамика подвижного состава: Пер.1. Ш'с англ./ под ред Панькина П.А., М.: Транспорт, 1988 391с.

29. Голубенко А.Л. Разработка и исследование упругой подрези-ненной колесной пары для тепловозов /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /, М., 1973

30. Голубенко А.Л. Упругие подрезиненные колеса для рельсового подвижного состава, М., 1973

31. Голубенко А.А. Разработка и исследование упругой подрези-ненной колесной пары для тепловозов /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /, Харьков, 1973104

32. Горбунов Н.И. Повышение тяговых качеств тепловоза за счетсовершенствования упругих связей тележек /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /, Днепропетровск, 1987

33. Голубятников С.М., Григорьев Н.И., Кокорев А. И. Динамика экипажной части тепловозов с бесчелюстными тележками./ Сб. трудов/ ВНИТИ №39, 1974 с. 159-171

34. ГОСТ 16093-81. Резьба метрическая. Допуски, Москва, 1981

35. Дрынкин В.Ф. Динамика колесно-моторных блоков тепловозов с упругим тяговым приводом применительно к задачам диагностики /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /, Ташкент, 1991

36. Евстратов А.С. Экипажные части тепловзов М.: Транспорт, 1987

37. Евстратов А.С, Казачкова Е.В. Оценка эффективности защитыгидродемпферов от высокочастотных нагрузок. /Сб. трудов ВНИТИ №39, 1974 с.206-213

38. Евстратов А.С. (ред.) Результаты динамических испытаний тепловоза ТЭ7 с различными вариантами экипажной части, вып.2(59), М., ГосИНТИ, 1959

39. Евстратов А.С. (ред.) Улучшение воздействия тележек тепловоза ТЭЗ на путь в кривых, вып.6(48) М., ГосИНТИ, 1958

40. Евстратов А.С. (ред.) Усовершенствование узлов тепловоза

41. ТЭ109 /Сб. статей/, вып.35, Коломна, 1972105

42. ЖдановС.А. Исследование влияния конструкции и параметров

43. Ц сопряжения кузова с тележками на тяговые качества локомотива

44. Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /, Днепропетровск, 1980

45. Захаров В.В., (ред.) Совершенствование конструкций и методов эксплуатации технических средств железных дорог /Сб. статей/, М., вып. 66, 1973

46. Иванов В.В. Рессорное подвешивание тепловозов /Лекция по конструкции и динамике /, М.: Трансжелдориздат, 1958

47. Иванов В.В, Беляев А.И., Скалин А.В. О проектировании оптимальных гасителей колебаний в рессорном подвешивании желез1. ЯЬнодорожных экипажей./Вестник ВНИИЖТа №6, 1973 с. 34-38

48. Иванов В.В., Скалин А.В. Демпфирование вертикальных колебаний в рессорном подвешивании локомотивов, устройство и расчет демпферов, М.:ВЗИИТ, 1973 56с.

49. Исследование и конструирование деталей и узлов подвижного состава /Сб. статей/, Днепропетровск, вып. 155, 1973

50. Исследование и конструирование деталей и узлов подвижного состава /Сб. статей/, Днепропетровск, вып. 145, 1973

51. Камаев А.А. (ред.) Конструкция, расчет и проектирование локомотивов /Учеб. для втузов/, М., 1981

52. Камаев В.А. Оптимизация параметров ходовых частей железнодорожного подвижного состава М., 1980

53. Кашников В.Н. Управление движением железнодорожных экипажей в кривых участках рельсовой колеи /Автореф. дис. на соискание учен, степени док. тех. наук /, Ростов-на-Дону, 1983 36с.

54. Коган А.Я., ред. Поперечные горизонтальные силы действующие на путь в прямых участках /Сб. трудов/, вып. 619, М.: ВНИ1.ИЖТ, 1979

55. Кокорев А.И., Березин В.В., Васин В.И., Сдобин К.С. Исследование ходовых качеств шестиостного локомотива с радиально устанавливающимися колесными парами./Сб. статей ВНИТИ №69 , 1989 с.37-47. Х6

56. Кокорев А.И., Березин В.В., Васин В.И., Сдобин К.С., Наделю-ев В.А. Устройство принудительной установки колесных пар тележек локомотива в радиальное положение. /Сб. статей ВНИТИ №69, 1989 с. 48- 53X7

57. Коновалова В.А. (исп.) Унификация. Показатели. Номенклатура. Выбор и приминение, М.: ВНИИНмаш. Б.и., 1983

58. Коняев А.А. Исследование тяговых свойств и экономичности тепловозов большой секционной мощности с целью их улучшения /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /, М., 1972

59. Королев К.П. (ред.) Сварные конструкции локомотивных тележек /Основные положения проектирования и изготовления/, М., 1971

60. Коссов B.C. Снижение нагруженности ходовых частей локомотивов и пути /Автореф. дис. на соискание учен, степени док. тех. наук /, М., 2001 49с.

61. Кравчук В.В. Пути повышения эксплуатационной надежности и эффективности использования локомотивов с электрической передачей /Автореф. дис. на соискание учен, степени доктора транспорта /, Владивосток, 1996

62. Крейнис 3.JI. Как действует на путь подвижной состав. М.: РГОТУПС, 1997

63. Куликов Ю.А. (ред.) Системы и узлы перспективных тепловозов /Сб.трудов/, Киев: УМКВО, 1990

64. Куприянов Ф.Г. Выбор оптимальных параметров гасителей колебаний подвижного состава /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /, Ростов-на-Дону, 1998 20с.

65. Лобачев Н.А. Пневматическая систем опор и связи кузова тепловоза с тележками /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /, Днепропетровск, 1984

66. Максакова Е.Н. Проектирование, унификация, автоматизация технологических процессов локомотивостроения, Вороненж, 1982

67. Маслиев В.Г. Научные основы выбора конструкторско-технологических параметров устройств для уменьшения износа бандажей колес локомотивов /Автореф. дис. на соискание учен, степени док. тех. наук /, Харьков, 2002 36с.

68. Медель В.Б. Подвижной состав электрических железных дорог, М.: Транспорт, 1965 280с.

69. Медель В.Б. Подвижной состав электрических железных дорог. Конструкция и динамика /Учеб. Длдя вузов ж.д. транспорта, М.: Транспорт, 1974 232с.

70. Медель В.Б. Проектирование механической части электроподвижного состава, М.: Трансжелдориздат, 1963 423с.

71. Минов Д. К. Механическая часть электрического подвижногоФсостава, М., JL: Госэнергоиздат, 1959 383с.

72. Михайлов Е.В. Особенности движения экипажей тепловозов с поддерживающими колесными парами в кривых участках пути /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /, Луганск, 1991

73. Михальченко Г.С. Разработка методологии выбора структуры и параметров экипажной части многоосных локомотивов и ее реализация при проектировании восьмиосных тепловозов /Автореф.дис. на соискание учен, степени док. тех. наук /, М., 1987108

74. Мямлин С.В. Моделирование динамики рельсовых экипажей Днепропетровск: Новая идеология, 2002 40с.

75. Невоструев А.Н. и др. (отв. исп.) Унификация изделий. Альбомы типовых конструкций изделий. /Основные положения: Метод, указания: РД 50-170-79 /, М.: Изд-во стандартов, 1980

76. Неревяткин К.А. Совершенствование методики определения технических характеристик проектируемых локомотивов на основе математического моделирования /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /, М.: МГУПС, 1998

77. Никитин С.В. Моделирование новых технических решений локомотивов, Брянск, 1988

78. Никитин С.В. Поиск новых технических решений узлов локомотивов, Брянск, 1982

79. Николаев И.И. Колебательные движения тепловозов /Лекция по динамики/, М., 1958

80. Новые научные и конструкторские разработки в локомотиво-строении /Сб. статей/, Новочеркасск: АО «ВЭлНИИ», 1995

81. Новые узлы экипажа тепловозов и их исследования, М.: ЦНИИ-информтяжмаш, 1978

82. Оганьян Э.С. Повышение равномерности нагружения опор и колес тележек как средство уменьшения внутренних усилий в узлах экипажа и улучшения тяговых качеств тепловозов /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /, М., 1980

83. Окишев В.К. (ред.) Математическое моделирование и расчет узлов и устройств объектов железнодорожного транспорта /Сб. трудов/, Омск, 1990

84. Осипов С.А. К вопросу определения частот собственных колебаний тепловоза. /Сб. трудов Автоматизация и надежность энергетических установок/, Л., 1977 с.91-96109

85. Осипов С.А. Экспериментальные исследование характеристиккузовных и буксовых связей и горизонтальных демпферов тепловоза / Сб. трудов/, Л.: ЛИИЖТ, вып. 337, 1972

86. Отработка конструкции демпфирующих устройств в соответствии с выбранными параметрами /Отчет о НИР/, Л.: ЛИИЖТ, 1986- 67с.

87. Пассажирский тепловоз ТЭП 60 Жилин Г.Н., Малинов М.С., Родов A.M. и др., М.: Транспорт, 1976 376с.

88. Пассажирский электровоз ЧС2 Раков В.А., М.: Транспорт, 1976- 318с.

89. Пахомов Э.А. Механическое оборудование тепловозов, М., 1988

90. Пневматическое рессорное подвешивание локомотивов и вагонов /Сб. статей/, М., 1969

91. Повышение работоспособности узлов трения подвижного состава ж. д. транспорта /Сб. трудов/, М.: ВЗИИТ, 1989

92. Программа создания и освоения производства новых локомотивов в 2004-2010 г.г., М., 2004

93. Раков В.А. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза, М.: Транспорт, 1990 236с.

94. Рессорное подвешивание железнодорожных экипажей /Сб. трудов/, М., 1974

95. Рудяков 3.3. Совершенствование локомотивов и вагонов /Сб. статей/, Днепропетровск, вып. 85, 1969

96. Рудяков 3.3. Взаимодействие движущих колес с рельсами, Днепропетровск, вып.5(9), 1958

97. Сапрыкин Л.И. Демпфирование упругого подвешивания вязкого трения /Межвузовский сборник трудов /, Л.: ЛИИЖТ, 1979

98. Сапрыкин JI.И., Осипов С.А., Барщенков В.Н., Гибалов Н.И., Цейтлин Е.Л., Литвинов А.Т. Авторское свидетельство №1491757, Устройство для связи гидравлического гасителя колебаний с частями железнодорожного транспортного средства, 1989

99. СидороваЛ.Н. Выбор параметров ходовой части перспективных тепловозов, определяющих прогнозируемые динамические качества при случайных боковых колебаниях /Автореф. дис. на соискание учен, степени канд. тех. наук /, Брянск, 1986

100. Совершенствование конструкции и исследование ходовых частей локомотивов и вагонов /Сб. статей/, М., 1968

101. Совершенствование конструкции ходовых частей тепловозов, М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1982

102. Современные методы повышения эффективности использования локомотивов /Межвуз. сб. научных трудов/, Хабаровск: ДВГАПС, 1996

103. Создание локомотивов большой мощности и повышение их технического уровня /Всесоюзная науч.технич. конференция/, Ворошиловград, I часть, 1981

104. Создание локомотивов большой мощности и повышение их технического уровня /Всесоюзная науч.технич. конференция/, Ворошиловград, II часть ,1981

105. Соколов М.М., Варава В.И., Левит Т.М. Гасители колебаний подвижного состава /Справочник/, М.: Транспорт, 1985 216с.

106. Состояние и перспективы развития локомотивостроения /Международная конференция/, Новочеркасск, 1994

107. Тардов Б.Н., (ред.) Тележки подвижного состава, М., 1966

108. Тверитин В.Н. Вопросы эксплуатации и ремонта локомотивов /Сб. статей/, Днепропетровск, вып. 137, 1971ill

109. Тверитин В.Н. Основные характеристики серийных и опытных # тепловозов широкой и узкой колеи, Днепропетровск, 1963

110. Тверитин В.Н. Повышение эффективности работы тепловозов, Днепропетровск, вып. 65, 1967

111. Тверитин В.Н. Эксплуатация и ремонт подвижного состава, М., Транспорт, вып. 60, 1966

112. Тверитин В.Н. Эксплуатация тепловозов /Сб. статей/, Днепропетровск, вып. 156, 1974

113. Тепловоз 2ТЭ116 Филонов С.П., Гибалов, Никитин Е.А. и др., М.: Транспорт, 1996 334с.

114. Тепляков А.Н. Пути снижения интенсивности износа гребней колесных пар локомативов. / Автореф. дис. на соискании учен, степени канд. тех. наук /- Хабаровск: ДВГУПС, 2004 23с. Х8

115. Технические требования на проектирование и изготовление сварных конструкций локомотивных тележек, М.: ВНИИЖТ, 1970

116. Ушкалов В.Ф. Математическое моделирование движения рельсового экипажа, М.: Транспорт, 1985 236с.

117. Шестаков В.Н. влияние демпфирования поперечных колебаний на боковые силы взаимодействия локомотива и пути./Вестник ВНИИЖТ №4,1978 с. 17-21щ

118. Щепетильнтков В.А. (ред.) Приводы подвижного состава /Сб.статей/, М., вып. 508, 1976

119. Электровоз BJI-60: Новочеркасский электровозостроительный завод, М.: Транспорт, 1973 312с.