УДК 629.4
Б.Г. КЕГЛИН, А.П. БОЛДЫРЕВ, БГТУ (Россия)
А.В. ИВАНОВ, Д.А. СТУПИН, ВНИИЖТ (Россия)
ПОВЫШЕНИЕ
ЭФФЕКТИВНОСТИ
КОМБИНИРОВАННЫХ
ФРИКЦИОННЫХ
ПОГЛОЩАЮЩИХАППАРАТОВ
НА
БАЗЕ
ПМК
-110
А
РозглянутопитаннярозробкиівпровадженнякомбінованихфрикційнихпоглинаючихапаратівкласівТ1
іТ2, уякихякпідпірнийблоквикористовуютьсяпружніелементизполімерногоматеріалу Durel, атакож еластомернавставка.
Рассмотренывопросы разработки ивнедрения комбинированныхфрикционных поглощающихаппара
-товклассовТ1 иТ2, укоторыхвкачествеподпорногоблокаиспользуютсяупругиеэлементыизполимерно
-гоматериала Durel, атакжеэластомернаявставка.
Questions of the development and application of the combined frictional shock-absorbers of Т1 and Т2 classes which use elastic elements made of Durel polymeric material as the working elements are considered.
Последние годы отмечены повышенным вниманием организаций железнодорожного транспорта и вагоностроительных заводов к проблеме совершенствования межвагонных амортизирующих устройств, проблеме повы
-шения их энергоемкости, долговечностии ста
-бильности работы. Более того, пришло давно ожидаемое осознание Министерством путей сообщенияиего научныхорганизаций, прежде всего ВНИИЖТ, того, чтопоглощающие аппа
-ратыдолжны быть специализированными, раз
-личающимися по своим характеристикам в за
-висимостиоттого, накакомобъектеонибудут эксплуатироваться. В результате совместной работыряданаучныхпредприятий, втомчисле иООО «НППДипром», созданномприучастии работников кафедры «Динамика и прочность машин» БГТУ, был разработан отраслевой стандарт ОСТ32.175-2001 «Аппараты погло
-щающиеавтосцепногоустройствагрузовыхва
-гонов и локомотивов. Общие технические тре
-бования», который предусматривает подразде
-ление поглощающих аппаратов по основным технологическим показателям на 4 класса: Т0,
Т1, Т2, Т3 (табл. 1).
Аппараты класса Т0 могут использоваться тольковкачествезапасных частейилиприрег
-ламентных ремонтных работахна вагонах. Ус
-тановка их на вагоны новой постройки запре
-щена. Наиболее широкое применение должны иметьаппаратыклассаТ1, которыемогутуста
-навливатьсянавсе видынеспециализированно
-го подвижного состава, а также на вагоны,
предназначенныедляэксплуатации вмаршрут
-ныхпоездахпостоянногоформирования.
Таблица 1
Нормируемыепоказателипоглощающихаппаратов
Нормативныезначенияпоказа -телядляаппаратовкласса Показатель
Т0 Т1 Т2 Т3
Конструктивный
ход, мм 70…110 90…120 90…120 120 Номинальная энер
-гоемкость, кДж (при силе, не превышаю
-щей 2 МН) 40 70 100 140
Максимальная энер
-гоемкость, кДж (при силе, не превышаю
-щей 3 МН) 50 90 130 190
Статическая сила за
-крытия, МН, не ме
-нее – 1,5 1,5 1,5
Номинальная энер
-гоемкость в состоя
-ниипоставки, кДж 30 50 100 140
Специализированные вагоны, перевозящие опасные и дорогостоящие грузы, которые мо
-гутбытьповрежденыпривоздействиинавагон больших продольных сил, должны оборудо
-ваться аппаратами классов Т2 и Т3. Класс обычно оговаривается техническими условия
-ми на специализированный вагон. Так, для нефтебензиновых цистерн и вагонов для пере
-возки ряда химических продуктовнеобходимо,
как минимум, использование аппаратов класса Т2; для цистерн, перевозящих сжиженный газ,
-ниеаппаратовклассаТ3.
ОСТ 32.175-2001 наряду с показателями,
приведенными в табл. 1, регламентирует ряд других определяющих стабильность свойств поглощающего аппарата и его ресурс. Ста
-бильность характеристик связывается, прежде всего, склиматическими факторами. Регламен
-тированный диапазон рабочих температур обеспечивает возможность эксплуатации аппа
-ратов во всех климатических зонах России и ближнегозарубежья. Аппараты должны сохра
-нять функциональную работоспособность при температуре -60°С, а изменение номинальной энергоемкости, определенной при температуре
18±5°С в диапазоне температур от -40 до
+50°С, недолжнопревышать 30%.
Ресурсвновьразрабатываемыхаппаратовдо выхода из строя (полная потеря работоспособ
-ности) или до снижения номинальной энерго
-емкостина 30 % отнормативногозначениядля аппаратовданногокласса долженобеспечивать восприятие введенной энергии не менее
250 МДж.
Стремление МПС жестко связывать вопро
-сы аттестации и сертификации вагонов новой постройки с характеристиками устанавливае
-мых на них поглощающих аппаратов придали значительный импульс обновлению гаммы по
-глощающих аппаратов, применяемых на грузо
-вом составе железных дорог России и стран СНГ.
С конца 80-х годов прошлого столетия по
-требность в поглощающих аппаратах для всех типов вагонов удовлетворялась за счет пла
-стинчатых металлокерамических аппаратов ПМК-110А, ПМК-110К-23. Для вагонов по
-стройки УВЗ с рядом ограничений после зна
-чительной модернизации конструкции была разрешенаустановка аппарата Ш-6-Т0-4. Уста
-новка устарелых аппаратов типов Ш-1-ТМ,
Ш-2-Ти Ш-2-В90 нановые вагоны запрещена.
Аппараты типа ПМК и Ш-6-Т0-4 и сейчас яв
-ляются базовыми для неспециализированного подвижного состава, хотя они не вполне отве
-чаюттребованиям, предъявляемымкаппаратам класса Т1. Их номинальная энергоемкость со
-ставляет 65 кДж, а максимальная энергоем
-кость (при силе до 3 МН) существенно ниже регламентируемой величины 90 кДж. Кроме того, использование в серийных аппаратах тя
-желонагруженных заневоленных пружин из стали 60С2ХФА создает ряд серьезных про
-блем при обеспечении стабильности и надеж
-ностиихработы.
Опытисследованияпоследнихлет [1, 2] по
-казывает, что определяемые ОСТом норматив
-ные показателимогут бытьполучены вкомби
-нированных фрикционных поглощающих ап
-паратах. Основное поглощение энергии в них происходит на поверхностях трения. Однако использование современных высокоэффектив
-ныхполимерныхматериалов, атакжепримене
-ние в качестве рабочих элементов гидравличе
-ских и эластомерных амортизаторов значи
-тельноулучшаетхарактеристикиаппаратов.
Аппарат ПМКП-110, разработанный ООО
«НПП Дипром», предназначен для установки на универсальных вагонах широкого назначе
-ния. По существующимнормативамондолжен соответствовать классу Т1. От аппарата типа ПМКновыйаппаратотличается тем, чтовнем вместо пружинного упругого подпора исполь
-зуютсяполимерныеупругиеблоки [1] (рис. 1).
Рис. 1. ПоглощающийаппаратПМКП-110
Использованиеполимерногоупругогоблока повышает полноту и энергоемкость силовых характеристик амортизатора. За счет увеличе
-ния жесткости подпорного комплекта умень
-шаются управляющие углы клиновой системы,
и соответственно стабилизируется трение на вспомогательных поверхностях; демпфирую
-щиесвойства полимеров значительно снижают фрикционныеавтоколебания, сопровождающие ударноесжатие.
Наибольшую трудность при разработке ап
-паратавызвалвыборполимерногоматериала. К нему предъявляется ряд специфических требо
-ваний, среди которых наиболее важнымиявля
-ются достаточная энергоемкость, высокая эла
-стичностьиморозостойкость.
На первых этапах были предприняты по
-пыткииспользования для этой целиразличных резин, однако невысокая эластичность (макси
-мальные относительные деформации не пре
-вышают 0,25…0,30) и низкая морозостойкость побудили к поиску более современных поли
-мерныхматериалов.
Наиболее перспективной оказалась группа полиэфирныхтермоэластопластов, получаемых путем поликонденсации полифурита, бутан
прежде всего, материалы типа Hytrel (США), Durel (ФРГ) и Беласт (Белоруссия). Перспек
-тивность этих материалов определяется соче
-таниемтребуемых показателейподатливости и диссипативных свойств при высокой техноло
-гичности и возможности утилизации элемен
-тов, исчерпавших свой ресурс. В отличие от элементов из резины и полиуретана примене
-ние термоэластопластов позволяет изготовить упругие блоки, не имеющие жесткой связи с металлическимипластинами.
В данной работе рассмотрены результаты стендовых исследований упругихэлементов из материала Hytrel 4556 имакетныхобразцовап
-паратаПМКП-110, вкоторомэтиэлементыбы
-лииспользованы.
После широких экспериментальных и тео
-ретических исследований была принята форма элемента, изображенная на рис. 2. Она обеспе
-чивает высокую эластичность элемента (отно
-сительная деформация приплюсовых темпера
-турах превышает 0,5 при нагрузке 400 кН) и достаточностабильнуюстатическую идинами
-ческуюсиловуюхарактеристику.
Рис. 2. Полимерныйэлементизматериала Hytrel
Статические характеристики элементов ре
-гистрировались при испытании на стенде ПММ-250 при низкой скорости сжатия (менее
1 мм/с). Одним из главных вопросов при их изучении является влияние на них изменения температуры образца. Некоторые результаты такого исследования приведены на рис. 3, где показаны статические характеристики для ши
-рокого температурного диапазона. С пониже
-нием температуры эластичность материала снижается, относительная деформация при си
-ле 410…420 кНснижаетсяс 0,62 (длятемпера
-туры +50°С) до 0,29 (для температуры -61°С).
При этом за счет изменения полноты силовой характеристики энергоемкость изменяется не
-значительно: от 6,5 (при +50°С) до 6,14 кДж
(при -61°С).
Рис. 3. Статическаяхарактеристикаэлементаизма
-териала Hytrel дляразличныхтемператур: Ì – 50°С; – 15°С; | – -5°С; – -35°С; ▲ – -51°С; – -61 С
Былитакжепроведеныиспытанияобразцов,
которые длительноевремя (более 30 часов) на
-ходились в условиях повышенных температур
(до 150°С). Этот режим соответствует работе поглощающихаппаратовнаполувагонах, когда они размораживаютсяв так называемых «теп
-ляках». Испытанияпоказали, чтоэтонеприво
-дитккаким-либонеобратимым последствиямв виде изменения формы образца или его сило
-войхарактеристики.
Исследование динамических характеристик пакетов из пяти элементов проводилось в спе
-циальном приспособлении на стенде-горке БГТУ-БСЗс ударнойтележкой массой 44 т. На рис. 4 сопоставлены динамические характери
-стикипакетаприскоростяхудара 0,6 и 0,9 м/сс его статической характеристикой: ударный ха
-рактер нагружения существенно повышает со
-противляемостьматериала.
Рис. 4. Динамическиесиловыехарактеристикипо
-лимерногопакета: | – V0=0,6 м/с; – V0=0,9 м/с;
– статическаяхарактеристика
Обширный объем испытаний позволил вы
-брать геометрические параметры аппарата ПМКП-110, обеспечивающие выполнение нор
-мативов класса Т1 и соответственно наиболее эффективную работу как при маневровых опе
полимерного подпора (более 20 кДж вместо
12 кДж при применении пружинного комплек
-та) позволила существенно снизить величину управляющего геометрического параметра ап
-парата: угла α – до 38°, чтоблагоприятноска
-залосьнастабильностиработы аппарата, повы
-шении полноты его силовой характеристики и уменьшениискачкообразногоизменениясилы.
Типичные силовые характеристики опыт
-ных образцов поглощающих аппаратов
ПМКП-110, полученные на ударном стенде,
приведенына рис. 5. Нарис. 6 приведена зави
-симостьэнергоемкостиаппаратаот максималь
-ной силы сжатия. Нормативная номинальная энергоемкость 70 кДж достигается при силе
1,85 МН, нормативнаямаксимальная энергоем
-кость 90 кДж – присиле 2,5 МН.
Рис. 5. Силовыехарактеристикипоглощающегоап
-паратаПМКП-110 сэлементамиизматериала Hytrel “- - - - -“ – V0=1 м/с; “–––––” – V0=2,2 м/с.
Рис. 6. Зависимостьэнергоёмкостиаппарата
ПМКП-110 отмаксимальнойсилысжатия
В настоящее время завершаются паспорт
-ныединамическиеиспытанияопытныхаппара
-тов при соударении натурных вагонов массой
100 тонн.
Предварительные оценки показывают, что применение аппаратов ПМКП-110 позволит существенно (в 2…3 раза) снизить объем ре
-монтных затрат на вагонах, а вероятность воз
-никновения аварийных ситуаций – в 3…5 раз.
От зарубежных аналогов аппарат ПМКП-110
будет отличаться более высокой энергоемко
-стьюприменьшейстоимости.
Одновременно с экспериментальными ис
-следованиями проводились расчеты оптималь
-ных параметров конструкции аппарата
ПМКП-110. По данным испытаний опытных
образцов проводилась идентификация матема
-тическихмодулей, которыеиспользовалисьпри оптимизации. Универсальная математическая модель фрикционныхпоглощающих аппаратов приведена в [8]. Математическая модель учи
-тывает способность межвагонной связи амор
-тизировать не только сжимающие, но и растя
-гивающие усилия, наличие двух последова
-тельносоединенныхпоглощающихаппаратовв каждой межвагонной связи, наличие зазора в автосцепном устройстве, резкое возрастание силысжатияилирастяжениямежвагоннойсвя
-зи при выбранном суммарном ходе поглощаю
-щего аппарата. Ниже приведены основные за
-висимости, описывающие работу межвагонной связи. Следуетотметить, чтоданнаямодельпо
-строена на основе детерминированной автоко
-лебательной модели фрикционного аппарата и поэтомутожеявляетсяавтоколебательной.
Pa(x, v, z)=min[P1(x, z) + P2(x, z) signv, cax], (1)
где P1(x, z) =
2 1
[PН(x, z) + PP(x, z)],
P2(x, z) =
2 1
[PН(x, z) – PP(x, z)],
sign v – специальная функция, учитывающая сдвиговуюподатливостьконтакта:
(
)
( )
( )
( )
⎪⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎨ ⎧
≥ + −
< + − + − =
; z x, P v a
б
y) (x a c
при
signv,
; z x, P v a
б
y) (x a c
при
, z x, v]/P a
б
y x a [c
v sign
2 2 2
(2)
где ca – жёсткостьконтактнойзоныприсдвиге;
αa – коэффициент вязкого трения, препятст -вующего возникновению незатухающих коле
-баний силы сжатия при скоростях сжатия,
близкихкнулю.
Вспомогательная координата y до сжатия аппарата равна нулю, а затем вычисляется по формулам:
( )
( )
( )
⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧
≥ + − −
< + −
=
.
б б
;
б
z x, P v y) (x c
при
, c
v a z x, P -x
z x, P v y) (x c
при
const,
y
2 a a
a 2
2 a a
(3)
Силы сжатия аппарата на этапах нагрузки
-емспециальнойфункции у0:
PН(x, z)= P1Н(x) + [P2Н(x) - P1Н(x)]у0 [x-a-z, P2Н(x) - P1Н(x)];
PP(x, z)= P1P(x) - [P1P(x) – P2P(x)]у0
[z--x, P1P(x) - P2P(x)]; (4)
где ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ > ≤ = ∆ 0. Дx при Дx/ДP a c 0; Дx при P) Дx, у ], , 1 min[ , 0 ( 0
При этом дополнительная координата z пе
-ред сжатием равна нулю, затем определяется формулами: ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ + > + ≤ ≤ ≤ + = . , ; , ; , a 1H 2H a 1H 2H a 1H 2H a 2P 1P a 2P 1P a 2P 1P (x)]/c P -(x) [P a z x при (x)]/c P -(x) [P -a -x (x)]/c P -(x) [P a z -x (x)]/c P -(x) [P при const (x)]/c P -(x) [P z x при (x)]/c P -(x) [P x
z (5)
Силасжатияаппаратанаразличныхстадиях егоработы:
P1H(x)= Ψ1⋅i⋅c⋅(x+x0);
P1P(x)= Ψ1P⋅i⋅c⋅(x+x0);
P2H(x)= Ψ2⋅i⋅c⋅(x+x0); (6)
P2P(x)= Ψ2P⋅i⋅c⋅(x+x0),
гдеi – коэффициентпередачи при нулевыхко
-эффициентахтрения; с – жёсткость пружинно
-гокомплекта; x0 – величинаначальнойзатяжки. Коэффициенты передачи фрикционных ап
-паратовнаэтапенагрузки:
(
)
[
]
[
(
)
]
(
)
[
]
[
(
)
]
(
)
(
bv)
;exp f bv exp f г tg 2 с б tg 2 с б tg г tg -1 и sin г tg 3 с в tg 3 с в tg г tg 1 и sin ) v ( 0 0 1 − × − × × + + − + × − + + + + = ψ … …
ψ2(v) = ψ1(v) + [ψ1(v) – 1] × (7)
(
)
[
]
(
)
(
bv)
;exp f г tg bv exp f 2 bv exp 0 f г tg 1 0 0 − + − ⋅ − − ×
гдеα, β, γ, θ – геометрическиепараметрыаппа
-рата; ρ1, ρ2, ρ3 – углы трения на главных и вспомогательных поверхностях; f0 – макси -мальное значение коэффициента трения; b –
параметр, учитывающий зависимость коэффи
-циентатренияотскоростискольжения.
Углы трения связанны с коэффициентами тренияследующимисоотношениями:
ρ1 = arctg(f0/sinθ),
ρ2 = ρ3 =arctg (fвсп), (8)
где fвсп – коэффициенттрениянавспомогатель
-ныхповерхностях.
Коэффициентпередачинапервомэтапераз
-грузкиопределяетсяформулой ψ1Р
(
(
) (
) (
)
)
.1 с -г tg 2 с -б tg -1 1 с -г tg 3 с -в tg 1+
= (9)
При x ≤ (xmax – a) начинается второй этап разгрузки. Коэффициент передачи в этом слу
-чаеможетбытьнайденследующимобразом:
ψ2Р
(
)
,1 с -г 1)ctg -Р 1 ш )( 5 f 4 (f 1 Р 1 ш + +
= (10)
гдеf4 = f5 = f0
Введём обозначения: xw, vw – деформация межвагонной связии еёскорость; nw – количе -ство аппаратов в межвагонной связи; δ – зазор в межвагонной связи, приходящийся на один аппарат; сw – жёсткость межвагоннойсвязипо -сле закрытия аппарата. Тогда силовая характе
-ристика межвагонной связи, учитывающаявы
-шеперечисленныеособенности, описывается:
Рw(xw,vw,z)= (11)
; д w n w x при , w x )]sign п x (x у ) п x (x w c z) v, P(x, [ ; д w n w x при 0, 0 ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ≥ − × × − + <
где хп – полный ходаппарата; x = −
w n
w x
δ – сжатие
аппарата; v w w n v
= sign xw – скоростьсжатияаппара
-та.
Представленная математическая модель ис
-пользовалась для описания работы аппарата ПМКП-110. При этом в выражениях (6), (11)
подпорное усилие пружин c⋅(x+x0) заменяется силойпакетаполимерныхэлементов Pп(x+x0).
Сила Pп(x+x0) вычислялась с использовани -ем методики расчета характеристик резиноме
-таллических поглощающих аппаратов авто
-сцепки, изложеннойв [2].
Статическая силоваяхарактеристика на эта
-пенагрузки
Pстп (x)= cпx + β1x3 + β2x5, (12) где cп – жёсткость пакета полимерных элемен
-тов при малых деформациях; β1,β2 – коэффи -циенты, определяющиенелинейнуючасть.
Математическая модель (динамическая си
-ловая характеристика) работыпакета полимер
-ныхэлементовимеетследующийвид:
где P1(x)=[cп(x+x0)+β1(x+x0)3+β2(x+x0)5](1-ηст/2);
P2(x)=[cп(x+x0)+β1(x+x0)3 +β2(x+x0)5]ηст/2;
signv – функция, вычисляемаясогласно (2); µ –
коэффициент вязкого сопротивления, зависит от материала; ηст– коэффициентнеобратимого
поглощения энергии при квазистатическом сжатии.
Передрасчетомхарактеристикаппаратабы
-лапроведена идентификация параметров мате
-матической модели. В частности, по данным статическихиспытанийполимерных элементов были подобраныпараметры cп, β1, β2 иηст. На
рис. 7 приведены экспериментальная и расчет
-ная силовая характеристика элемента из мате
-риала Hytrel-45.
Рис.7. Силовыехарактеристикиэлементаизмате
-риала Hytrel-45: пунктир – экспериментальная,
прямаялиниясоответствуетрасчётам.
В дальнейшем параметры cп, β1, β2, µ и ηст
былискорректированыпорезультатамдинами
-ческих испытаний подпорного блока иисполь
-зовались при расчете характеристик аппаратов ПМКП-110, а также оптимизации его парамет
-ров.
На рис. 8 представлена расчетная модель соударения, имитирующая удар вагона в жест
-кий упор. При этом вагон описывается двух
-массовой расчетной схемой, позволяющей раз
-делить упруго-диссипативные свойства вагона иегопоглощающегоаппарата.
Рис. 8. Расчётнаямодельсоударения
Дифференциальные уравнения движения для представленной расчетной схемы имеют вид:
МВ XВ + РВ (ХВ - Ха, VВ - Vа) = 0;
МаXА- РВ(ХВ-Ха,VВ- Vа)+Ра(Ха,Vа) = 0; (14)
гдеМВиМа – массывагонаиамортизирующе
-гоустройства; Хв, Ха, Vв, Vа – перемещенияи скорости соответствующих масс; Ра – сила в межвагонной связи; Рв – сила, возникающая при деформации вагона для двухмассовой рас
-четнойсхемы.
В простейшем случае сила Рв учитывает только упругую деформацию вагона и опреде
-ляетсяРв = Св (Хв – Ха). ЗдесьСв – динамиче
-скаяжесткостьвагона.
СилаРавычисляетсявсоответствиис пред
-ставленными выше зависимостями, описываю
-щимиработуаппаратаПМКП-110.
Уравнения (14) решались при начальных условиях: Хв = Ха = 0, Vв =Vа = V0. Значения параметров расчетной модели:МВ = 90000 кг
(42000 кг для стендовых соударений);
МА= 2000 кг; β = 15о; γ = 3о; θ = 90о ; f0 = 0,43;
b=0,1 с/м; fвсп = 0,2; x0 = 0,3 м; ca = 882 МН/м; св= 92 МН/м; сw = 500 МН/м; сп = 8,299E+5 Н/м;
αa = 500000 кг/с; β1 = –2,47E+7 Н/м3;
β2 = 1,251E+9 Н/м5; µ = 1000 кг/с; ηст= 0,01.
Для расчета динамических характеристик подпорного блока расчетная модель упроща
-лась: тележкаударногостенда описываласьод
-номассовой схемой. На рис. 9 представлены расчетная и экспериментальная динамические характеристики подпорного блока для началь
-ной скорости удара 1,2 м/с. Можно отметить удовлетворительнуюсходимостьрасчетаиэкс
-перимента.
Рис.9.Динамическиехарактеристикиподпорного блока
Нарис. 10 представленырасчетныесиловые характеристики аппарата ПМКП-110, получен
-ныев соответствиис моделью (14) для стендо
-выхсоударенийприразличныхначальныхско
-ростях удара. Хорошая сходимость с экспери
-ментом (рис. 11) позволила использовать мо
-дель для оптимизации параметров клиновой системы аппарата. Использовалась методика минимизации обобщенного критерия эффек
-тивности [2], при этом значения критерия по
вагона.
С учетом экспериментальных данных зна
-ченияуглов клиновойсистемы аппаратасоста
-вилиα = 38о, β = 18о.
На следующем этапе расчетов оценивалась эффективность работы аппарата ПМКП-110
приманевровыхсоударенияхсцеповвагонов. C
использованием специализированной програм
-мы TRAIN были проведены расчеты для не
-скольких ситуаций: удар одиночного вагона в отцепиз 6-тивагонов, атакжеударсцепаиз 3-х вагонов в отцеп из 6-ти вагонов. При этом на некоторых вагонах длясравнения устанавлива
-лись различные поглощающие аппараты. На рис. 12 представлена расчетная модель соуда
-рения. Необходимо отметить, что по рекомен
-дациям [2] использовалисьдвухмассовыеупру
-говязкиемоделивагонов.
Рис.10. Расчётныесиловыехарактеристикипогло
-щающегоаппаратаПМКП-110 (скоростисоударе
-ния: ··· 1,18 м/с, - - - 1,56 м/с, ---- 2,18 м/с)
Рис. 11. Экспериментальнаяирасчетнаясиловаяха
-рактеристикааппаратаПМКП-110 (начальнаяско
-ростьудара 1,56 м/с)
Рис.12. Расчётнаясхемасоударениясцепов.
Поданнымрасчетов силовыехарактеристи
-ки аппарата ПМКП-110 близки к полученным
для ситуации удара вагона в упор. Для оценки эффективности работы аппаратов проводилось сравнение диаграмм распределения макси
-мальных сжимающих сил по длине сцепа. На рис. 13 приведены диаграммы для ситуации удара грузового вагона массой 90000 кг с на
-чальной скоростью 1 м/с всцеп из 6-ти грузо
-выхвагонов, анарис. 14 – такиежедиаграммы для ударасцепа из 3-х вагоновв отцеп из 6-ти вагонов. Приэтомрассматриваютсяслучай, ко
-гда первый вагон сцепа оборудован различны
-ми поглощающими аппаратами: Ш-2-В,
ПМК-110А, ПМКП-110 (остальныевагоны при этомоборудовалисьаппаратамиШ-2-В). Расчет подтвердилснижениепродольныхнагрузокдля аппаратов ПМКП-110 по сравнению с аппара
-тамиШ-2-ВиПМК-110А. Приэтомпреимуще
-ство аппаратовПМКП-110 проявляетсяна пер
-вом со стороны удара вагоне при достаточно высокихскоростях.
Рис. 13. Распределениемаксимальныхсжимающих силподлинесоставаприударевагонавсцепиз 6-и
вагонов;1-йвагоноборудованаппаратом: – Ш-2-В; – ПМК; ▲ – ПМКП
Рис.14. Распределениемаксимальныхсжимающих силподлинесоставаприударе 3-хвагоноввсцеп из 6-ивагонов;1-йвагоноборудованаппаратом:
– Ш-2-В; – ПМК; ▲ – ПМКП
На заключительном этапе исследований проводиласьоценкаэффективности работы ап
-парата при переходных режимахдвижения по
-езда. Рассматривался, вчастности, пускпоезда,
-тренноготорможения. Расчетнаямодельпоезда представленанарис. 15.
Эффективностьработы поглощающихаппа
-ратов ПМКП-110 при переходных режимах движенияпоездаоцениваласьвсравненииссе
-рийными поглощающими аппаратами
ПМК-110А и Ш-2-В. Для трех расчетных си
-туаций – пуск поезда, экстренное и полное служебноеторможение – анализировались рас
-пределениямаксимальных сил по длине соста
-ва, атакже временные зависимостисил в меж
-вагонныхсвязях исиловыехарактеристики ап
-паратов. При этом исследовались короткие
(18…36 вагонов), средние (65 вагонов) и длин
-ные (110 вагонов) составы.
Рис. 15. Расчётнаямодельпоезда
На рис. 16 приведены распределения мак
-симальныхрастягивающихсил подлинесоста
-ва при трогании с места осаженного поезда из
65 вагонов, оснащенных аппаратами Ш-2-В и аппаратами ПМКП-110 (вагоны 9, 22, 33, 45, 57). Отмечается снижение на 10…15 % сил на вагонах с аппаратами ПМКП-110. При этом в некоторых расчетных ситуациях на соседних вагонах наблюдается небольшое повышение продольных нагрузок. На общий уровень мак
-симальных сил включение аппаратов
ПМКП-110 не оказывает значительного влия
-ния.
Рис. 16. Распределениемаксимальныхрастягиваю
-щихсилподлинесоставапритроганиипоездаиз 65
вагонов (⋅⋅⋅ -всевагоныоборудованыаппаратами
Ш-2-В; --- - вагоны 9, 22, 33, 45, 57 оборудованыап
-паратамиПМКП-110)
На рис. 17 приведены распределения мак
-симальных сжимающих сил по длине состава приэкстренномторможении поездаиз 36 ваго
-нов, оборудованных соответственно аппарата
-ми Ш-2-В, ПМК-110А и ПМКП-110. Как и в предыдущих случаях, отмечается снижение
уровня продольных сил для аппаратов
ПМКП-110.
Рис. 17. Распределениемаксимальныхсжимающих силподлинесоставаприэкстренномторможении поездаиз 36 вагонов (вагоныоборудованыаппара
-тами⋅⋅⋅ – Ш-2-В; - - - – ПМК-110А; --- ПМКП-110)
Результаты проведенных исследований по
-зволяют сделать вывод о том, что аппарат ПМКП-110 существеннопревосходитпосвоим характеристикам серийные аппараты, эффек
-тивноработаеткакприманевровых соударени
-ях, так и при поездных режимах, по своим ха
-рактеристикамсоответствует классуТ1. Конст
-рукция рекомендуется к широкому внедрению наподвижномсоставежелезныхдорог.
Практикаразработки поглощающихаппара
-тов классов Т2 и Т3 в последнее десятилетие ориентирована на использование конструкций,
в которых применяются объемносжимаемые эластомерные материалы. В настоящее время прошли полный цикл испытаний и МВК эла
-стомерный аппарат 73ZW, разработанный польской фирмой «Kamax», и близкий ему по конструкцииаппаратАПЭ-95-УВЗ производст
-ва УВЗ. Они имеют энергоемкость, соответст
-вующую классу Т2 (табл. 2), но не отвечают ОСТ 32.175-2001 по величине статической си
-лызакрытия. Кроме того, аппаратыимеютдос
-таточновысокуюстоимость $1000.
Фрикционно-эластомерный поглощающий аппаратПМКЭ-110 классаТ2, созданный ООО
«НПП Дипром» при участии работников ка
-федры «Динамика и прочность машин» БГТУ,
обеспечивая необходимые технические харак
-теристики по ОСТ МПС [9], имеет существен
-номеньшуюстоимость. Этодостигаетсязасчет конструкции, созданной на базе серийно вы
-пускаемого поглощающего аппарата
ПМК-110К-23, в котором вместо пружинного комплекта используется подпорно-возвратное устройство (ПВУ), представляющее собой эла
-стомерный амортизатор. Эластомерный амор
-тизатородновременновыполняетдвефункции:
после удара. Достаточная жесткость подпора позволяет значительно уменьшить управляю
-щийуголαклиновойсистемы, чтовсочетании с демпфирующими свойствами эластомерной вставки стабилизирует процессы трения при ударном сжатии. В результате фактически ликвидируются скачки и срывы на силовых характеристиках. Все этопозволяет при сохра
-нении всех преимуществ гидроамортизатора значительноповыситьнадежностьконструкции присравнительнойпростотеизготовления.
Конструкцияаппаратаприведенанарис. 18.
Эластомерная вставка состоит из корпуса 2,
внутри которого перемещается плунжер 5.
Внутренний объем плунжера разделен на две камеры: камерусжатия 3 и камерурасширения
4.
Рис. 18. ПоглощающийаппаратПМКЭ-110
При соударении железнодорожных экипа
-жей продольная сила передается через авто
-сцепкунанажимнойклин 1, чтоприводиткпе
-ремещению корпуса эластомерной вставки 2 и изменению объемов камер 3 и 4. Из-за возни
-кающегопри этомперепададавленийпроисхо
-дитперетеканиеэластомераизкамерысжатияв камеру расширения через кольцевой зазор ме
-жду плунжером и поршнем и дроссельные от
-верстия. Восстановление аппарата после удара происходит под действием давления на плун
-жеробъемносжатогоэластомера.
Приразработкетакогоаппаратанеобходимо было решить ряд технических и технологиче
-скихпроблем:
− разместить эластомерную вставку в огра
-ниченномгабарите;
−обеспечитьнадежностьработывшироком диапазонетемператур;
− подобрать рациональные параметры фрикционнойчастииэластомернойвставки.
Для расчетной оценки параметров конст
-рукции на основе математических моделей фрикционного поглощающего аппарата разра
-ботаны модели эластомерно-фрикционных
амортизаторов. Для аппарата ПМКЭ-110 (рис. 18) имеем
(15) , v sgn ) v , z , x ( P ) v , z , x ( P ) v , z , x (
P = 1 + 2
где (17) ) (16 ); v , x ( P )] v , z , x ( ) v , z , x ( [ 2 i ) v , z , x ( Р ); v , x ( P )] v , z , x ( ) v , z , x ( [ 2 i ) v , z , x ( P Г P H 1 2 Г P H 1 1 ψ − ψ = ψ + ψ =
Сила сопротивления эластомерной вставки
) v , x (
РГ определяется на основании модели эластомерного поглощающего аппарата ЭПА 120 [10] всоответствиисзависимостями:
[
]
[
]
⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ = − = ⋅ − ⋅ + ⋅ + = ⋅ + ⋅ − ⋅ + = ⋅ − ⋅ = CP Q P Q CP Q C Q P S P x P Q P S P x 0 P V P q a 0 E dt P dq S x Q S x V q a E dt dq P S P q S q P C P C C P 0 C C 0 C C C Ггде qC и qР – давления вкамерах сжатияирас
-ширения; SСи SР – соответствующиеплощади
эффективных сечений. Параметры E0 , а, QСР,
QС ,QР , определяющие работу эластомерной
вставки, приведеныв [10].
На рис. 19 приведены экспериментальная и расчетная силовые характеристики аппарата ПМКЭ-110, полученные для ситуации стендо
-вых соударений (модель приведена на рис. 8)
приначальнойскорости 1,75 м/с.
Рис. 19. Силовыехарактеристикиаппарата
ПМКЭ-110: --- – расчётная; - - – экспериментальная
-та: углы клиновой системы и основные разме
-рыдеталейипроходных сеченийэластомерной вставки, обеспечивающие выполнение норма
-тивовклассаТ2.
На рис. 20 представлены характеристики опытных образцов аппарата ПМКЭ-110,
полученные при стендовых соударениях.
Номинальная энергоемкость составила 110
кДж, максимальная – 127 кДжприсиле 2,5 МН.
При этом коэффициенты полноты силовых характеристик достигают значений 0,4…0,6, а коэффициент необратимого поглощения энергии – 0,9.
Рис. 20. Силовыехарактеристикиаппарата
ПМКЭ-110: --- – V0=2,01 м/с; - - - – V0=2,77 м/с Для обеспечения надежной работы вставки использованы уплотняющие манжеты шеврон
-ноготипа, выполненныеиз современныхполи
-мерных материалов (полиамид, полипропилен,
графилон). Кроме того, эластомерная вставка сжимается в направляющих, что значительно снижает износы и улучшает условия работы уплотнений.
Очевидные преимущества комбинирован
-ныхфрикционных поглощающих аппаратовпо сравнению с серийными фрикционными доказывают необходимость скорейшего пере
-хода отечественного вагоностроения на при
-менениетакихамортизаторовудара.
В заключении приведем показатели совре
-менных серийных и перспективных погло
-щающихаппаратов (табл. 2).
Итак, в последние годы отечественной транспортной науке и промышленности уда
-лосьустранитьотставаниеотзарубежныхфирм в области создания современных амортизи
-рующихустройств, вновь созданнаягамма раз
-личных конструкций вполне соответствуетми
-ровому уровню. В то же время следует отме
-тить, что значительномедленнее решаются во
-просы постановки на массовое производство эластомерных аппаратов класса т3. К тому же промышленностьитранспортневполнеготовы к их использованию из-за относительно высо
-кой стоимости и необходимости организации сервисного обслуживания [7]. Организация се
-рийного выпуска фрикционных поглощающих аппаратов класса т1 и фрикционно-эластомер
-ных аппаратов класса т2 не требует столь объ
-емной подготовки производства и значитель
-ных первоначальных затрат, их продвижению на транспорт будет способствовать и сущест
-венноменьшаястоимость.
Таблица 2
Основныепоказателипоглощающихаппаратов
Типаппара -та
Конст -рук -тивный ход, мм
Номи -нальная
энерго -емкость,
кДж
Статиче -скаясила закры -тия, МН
Класс
ПМК -110К-23
110 65 -* Т1 (усл.)
Ш-6-ТО-4 120 65 -* Т1 (усл.)
73ZW 90 110 0,85 Т2 (усл.)
АПЭ
-95-УВЗ 95 108 1,15 Т2 (усл.) АПЭ
-120И 120 160 1,7 Т3
ЭПА-120 120 145 1,8 Т3 73ZW12М 120 135 1,85 Т3 (усл.)
ПМКП-110 110 75 –* Т1
ПМКЭ-110 110 110 –* Т2
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. Патент РФ № 2128301. Фрикционный аморти
-затор, 1999.
2. КеглинБ.Г., Шлюшенков А.П., Болдырев А.П.
и др. Повышение эффективности продольной амортизации вагонов, предназначенных для перевозки особо ценных и опасных грузов //
Труды III Междунар. научно-техн. конф. «Про
-блемы повышения качества промышленной
продукции». – Брянск, 1998. – С. 38-39.
3. КеглинБ.Г., ПрилепоТ.Н., БолдыревА.П., Бе
-лоусовА.Г., АлдюховВ.А. Разработкаиэкспе
-риментальное исследование фрикционно
-полимерного поглощающего аппарата ПМКП -110 // Динамика, прочность и надежность транспортныхмашин. – Брянск, БГТУ, 2003. 4. ПатентРФ № 2115578. Поглощающийаппарат
автосцепки, 1998.
5. Авторское свидетельство № 1720914. Погло
-щающее устройство автосцепки рельсового транспортногосредства, 1991.
6. Патент РФ № 2198809. Фрикционный погло
-щаюшийаппаратавтосцепки, 2002.
7. Положение о порядке сервисного обслужива
-нияэластомерныхпоглощающихаппаратовав
-тосцепногоустройствагрузовыхвагоновнасе
-тижелезныхдорогстранСНГиБалтии. – При
-ложение 1 к Указанию МПС России от
8. Никольский Л.Н., Кеглин Б.Г. Амортизаторы удара подвижного состава. – М.: Машино
-строение, 1986. – 144 с.
9. ОСТ 32.175-2001. Аппараты поглощающие ав
-тосцепногоустройствагрузовых вагонови ло
-комотивов. Общиетехническиетребования.
10. Болдырев А.П., Бакун Д.В., Николайчик А.Н.
Расчетная оценка эффективности работы по
-глощающихаппаратовЭПА-120 припоездных режимах движения // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. – Брянск,
