СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

ПЕТРОВ Олександр Степанович

УДК 629.4.027.42

СИНТЕЗ ПАРАМЕТРІВ ГУМОМЕТАЛЕВИХ

ЕЛЕМЕНТІВ РЕЙКОВИХ ЕКІПАЖІВ ДЛЯ ЗМЕНШЕННЯ Навантаження СИЛОВИХ ЗВ'ЯЗКІВ

05.22.07 – Рухомий склад залізниць та тяга потягів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Луганськ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

ГОЛУБЕНКО Олександр Леонідович,

ректор Східноукраїнського національного

університету імені Володимира Даля.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор КОРОТЕНКО Михайло Леонідович,

Дніпропетровський державний технічний університет

залізничного транспорту, зав. кафедрою електрорухомого складу,

доктор технічних наук, професор ПАВЛЕНКО Альберт Прокоф’євич,

Київський національний університет транспортних технологій і економіки

транспорту, професор кафедри “Рухомий склад залізниць”,

доктор технічних наук, професор БЄЛЯЄВ Анатолій Ілліч,

Державне унітарне підприємство “Всеросійський науково-дослідний тепловозний інститут”, провідний спеціаліст.

Ведуча організація: Українська державна академія залізничного транспорту, кафедра експлуатації й ремонту рухомого складу Міністерства транспорту України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 25 ” червня 2002 р. о 10-00 годин на засіданні спеціалізованої ради Д29.051.03 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою:

91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою:

91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

Автореферат розісланий “ 24 ” травня 2002р.

Учений секретар

спеціалізованої ради __________________ Осенін Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Стійкою, сучасною тенденцією розвитку залізничного транспорту є ріст швидкості руху транспортних засобів. В даний час, максимальна швидкість руху потягів на залізницях Європи і Японії складає 250-300 км/год (у дослідних поїздках до 350 км/год ).

Разом з тим, цей рівень швидкості не є остаточним. Рекорд швидкості руху в 515,3 км/год, установлений французьким електропоїздом TGV ще в 1990 році, переконує в реальності істотного підвищення швидкості руху на залізницях вже в найближчій перспективі.

Високий рівень швидкості руху потягів створює принципово нові умови роботи конструкційних матеріалів у силових зв'язках рейкових екіпажів, що характеризуються гранично допустимими значеннями навантажувально-швидкісних і температурних режимів роботи, а також локалізацією динамічної взаємодії в елементах екіпажної частини й рейкового шляху.

Наслідком дії неупорядкованого потоку механічної енергії в елементах силового ланцюга екіпажної частини локомотива є передчасний вихід з ладу деталей і вузлів через утрату міцнісних характеристик конструкційних матеріалів, підвищене зношення поверхонь тертя, обумовлене інтенсифікацією динамічної взаємодії, а також генерування надмірного шумового і теплового випромінювань, що мають негативні технічні й екологічні наслідки.

Природне, еволюційне рішення проблеми полягає в широкому застосуванні, при організації силових зв'язків, нових матеріалів і конструкторсько-технологічних рішень, що забезпечують мінімізацію руйнівної дії циркулюючої механічної енергії.

Актуальність теми. Перспективними конструкційними матеріалами, що знайшли великий обсяг застосування в локомотивобудуванні, та які поєднують у собі унікальні властивості, зв'язані з легкістю пружного деформування і відновлення, шумо- і віброізоляцією, високою несучою здатністю, схильністю до дисипації енергії і компенсації відносних переміщень сполучених елементів, є еластомери (зокрема гуми).

Проте еластомери відносяться до групи проблемних конструкційних матеріалів, для яких далеко не повною мірою обґрунтовані і вирішені науково-практичні завдання, пов'язані з їх застосуванням. Досягнення максимальне ефективного функціонування еластомерів у технічних системах стримується (так само, як і обмежується) відсутністю надійних розрахункових методик, що забезпечують практично значимий прогноз (на стадії проектування) експлуатаційних характеристик силових зв'язків нових перспективних видів залізничного рухомого складу.

Пояснюється це недостатньою вивченістю винятково складних і неоднозначно визначених процесів, що протікають в об'ємі пружного матеріалу під впливом діючих силових і теплових факторів.

Залишаються практично невивченими питання поширення коливань у робочому об'ємі матеріалу, що знаходяться у функціональному взаємозв'язку з фізико-механічними і теплофізичними властивостями пружного матеріалу й ініціюються силовими динамічними збуреннями. Відсутні також повні наукові дані про вплив напружено-деформованого стану пружного елемента силового зв'язку (сформованого під впливом нестаціонарного силового й теплового впливу) на вихідні параметри системи, що повинні стати основною базою, яка створює наукові передумови для здійснення прогнозування необхідних вихідних параметрів систем.

У зв'язку з цим, найбільш раціональним рішенням проблеми підвищення техніко-економічної ефективності від застосування еластомерів в елементах конструкції рухомого складу є розробка методики прогнозування робочих характеристик силових зв'язків, що враховує результуючий вплив сукупності процесів, реалізованих при перехідних і стаціонарних режимах внутрішніх і зовнішніх силових дій. Це дозволить здійснити цілеспрямоване керування (на стадії проектування) функціональними властивостями силових зв'язків рейкових екіпажів на основі синтезу параметрів гумометалевих елементів і забезпечити споконвічно задані тяглово-динамічні й швидкісні якості перспективного рухомого складу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до програми по створенню нової техніки холдингової компанії “Луганськтепловоз” “Розробка і модернізація тягового рухливого складу потужністю 2000-4000 к.с. секції для водіння пасажирських і приміських вагонів” (№ держ. рег. 0197U018162); договору з Укрзалізницею № /34; наукових досліджень Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля з НДР “Дослідження процесів реалізації сили тяги при впливі на локомотив зовнішніх динамічних збурювань” (№ держ. рег. 81012271); “Наукові основи, концепція і теорія створення перспективних конструкцій транспорту з поліпшеними енергетичними й екологічними характеристиками” (№ держ. рег. 0196U021048); “Дослідження динаміки і впливу на шлях причіпного вагона електро- і дизель-потяга серій 1002, 1003” (ОІП 1-98, 21.06.98, № держ. рег. 0197U018162); “Іспити втомленості осі колісної пари дизель-потяга ДЕЛ-01” (20.10.98, № держ. рег. 0195U014401); “Розрахунково-експериментальні дослідження напружено-деформованого стану гумових елементів рейкових транспортних засобів, спрямовані на підвищення експлуатаційних якостей пружних зв'язків у екіпажній частині” (30.06.2000, № держ. рег. 0197U018162); “Результати експлуатаційних іспитів вагона причіпного типу 1003” (2.11.2000, № держ. рег. 0197U018162).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка наукових основ прогнозування функціональних характеристик еластомерних силових зв'язків і синтез на цій основі робочих параметрів гумометалевих елементів ходових частин рейкових екіпажів залізничного транспорту.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі:

- дослідження взаємозв'язку між характеристиками полів напруг, рівнем деформацій, перемінними реологічними параметрами і відношенням геометричних розмірів до довжини хвилі, а також залежності інтегральних показників напруг і деформацій від довжини хвилі в умовах навантаження пружного матеріалу;

- математичний опис динамічного процесу поширення коливань в об'ємі пружного матеріалу з урахуванням впливу фізико-механічних властивостей, температурних характеристик і вібропараметрів системи;

- аналіз умов навантаження гумометалевих елементів у конструкціях рухомого складу на основі дослідження функціонального взаємозв'язку між напружено-деформованим станом локальної ділянки силового зв'язку і навантажувально-швидкісними факторами;

- дослідження закономірності впливу параметрів гумометалевих елементів у силових зв'язках екіпажної частини на експлуатаційні характеристики рухомого складу;

- розробка методів розрахунку напружено-деформованого стану гумометалевих елементів при статичному і складному динамічному навантаженнях;

- синтез раціональних робочих параметрів гумометалевих елементів ходових частин рейкових екіпажів;

- розробка рекомендацій з вибору характеристик гумових елементів, конструкцій гумометалевих елементів і експлуатаційних параметрів;

- створення натурного стендового устаткування для підтвердження адекватності запропонованих методик реальним процесам та іспиту розроблених силових зв'язків у конструкціях рейкових екіпажів;

- лабораторна й дослідно-експлуатаційна перевірка розроблених рекомендацій.

Об'єкт дослідження. Процеси в силових зв'язках рейкових екіпажів, що реалізуються під впливом внутрішніх і зовнішніх, силових і теплових дій у перехідних й стаціонарних режимах роботи рухомого складу.

Предмет дослідження. Функціональний взаємозв'язок між фізико-механічними, теплофізичними властивостями еластомерів, напружено-деформованим станом матеріалу, умовами динамічного навантаження й робочими параметрами силового зв'язку.

Методи дослідження. Рішення проблеми здійснене на основі системного підходу, що включає математичне моделювання досліджуваних процесів за допомогою диференціальних рівнянь у частинних похідних з перемінними коефіцієнтами, методів чисельного експерименту, а також методів експериментальних досліджень, розроблених досвідчених зразків у лабораторних й натурних умовах.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уперше запропоновано метод розрахунку напружено-деформованого стану гумометалевих елементів, основою якого є метод системного обліку геометричних розмірів, динамічних параметрів і властивостей пружно-в’язкого матеріалу.

2. Уперше розроблено і запропоновано узагальнений параметр, виражений як відношення добутку в'язкості матеріалу і частоти вібрації до динамічного тиску, що використовувався при вирішенні задач багатопараметричної оптимізації.

3. Одержало подальший розвиток теоретичне прогнозування й експериментальне підтвердження діапазону параметрів гумометалевих елементів силових зв'язків, що має пріоритетний вплив на зчеплення колеса з рейкою й динаміку рейкових екіпажів.

4. Уперше встановлено амплітудно-частотні й хвильові закономірності процесу поширення коливань у пружно-в'язкому, попередньо напруженому середовищі, що полягають у взаємозв'язку характеристик полів напруг, деформацій, перемінних реологічних параметрів і відносини геометричних розмірів до довжини хвилі, а також взаємозв'язки між показниками напруг, деформацій і довжини хвилі.

5. Уперше розроблено методику оцінки функціональних параметрів силових зв'язків (на основі елементів, що мають пружно-дисипативні властивості) рейкових екіпажів, що враховує фізико-механічні й теплофізичні властивості пружно-в’язкого матеріалу, режими перехідних і стаціонарних процесів силового навантаження, а також особливості формування напружено-деформованого стану й закономірності поширення коливань у пружно-в’язкому, попередньо напруженому матеріалі.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблена методика оцінки функціональних параметрів силових зв'язків дозволила на стадії проектуванні рейкових екіпажів забезпечити вибір раціональних параметрів силових зв'язків підгумового колеса й гумотканевої муфти трамвайного вагона ЛТ-10, амортизаторів повідкової тяги дизель-потяга ДПЛ-1 і гумометалевих амортизаторів опори кузова на візок тепловоза ТЕ-126. Методика впроваджена на ХК “ЛУГАНСЬКТЕПЛОВОЗ” при проектуванні нових, перспективних видів тягового рухомого складу, а також у навчальний процес СНУ ім. В. Даля за фахом 100501 “Рухомий склад і спеціальна техніка залізничного транспорту”.

2. Розроблена методика розрахунку характеристик демпфірування коливань рейкових екіпажів дозволила визначити раціональні параметри конструкцій запропонованих гумометалевих елементів і впроваджена на ХК “ЛУГАНСЬКТЕПЛОВОЗ” при проектуванні електропоїзда ДЕЛ-1, а також у навчальний процес СНУ ім. В. Даля за фахом 100501 “Рухомий склад і спеціальна техніка залізничного транспорту”.

3. Запропонований узагальнений параметр, виражений як відношення добутку в'язкості матеріалу і частоти вібрації до динамічного тиску, дозволив істотно спростити рішення специфічних задач багатопараметричної оптимізації.

4. Рекомендації з визначення норм безпеки (за критерієм “сходу” колісної пари з рейкової колії) впроваджені на ХК “ЛУГАНСЬКТЕПЛОВОЗ” при проектуванні ходових частин й іспитах дизель- і електро- потягів ДЕЛ-1 й ДПЛ-1.

5. Рекомендації зі сполучення властивостей гуми, динамічних параметрів (пружно-дисипативних властивостей), геометричних розмірів гумових елементів і параметрів вібрації рейкових екіпажів упроваджені на ХК “ЛУГАНСЬКТЕПЛОВОЗ” при проектуванні причіпного вагона дизель-потяга ДПЛ-1 і вагона трамвая ЛТ-10.

6. Рекомендації з вибору раціональних характеристик пружнопоперечних зв'язків кузова з візком упроваджені на ХК “ЛУГАНСЬКТЕПЛОВОЗ” при проектуванні причіпного вагона дизель-потяга ДПЛ-1.

Особистий внесок здобувача

Написано розділи 1-6, 11, 12 у роботі [2].

Написано розділи 2, 5, 6 і параграфи 4.1, 4.2.1, 4.2.2 у роботі [З].

Запропоновано метод і математичну реалізацію визначення напружено-деформованого стану гуми, як матеріалу при статичних і динамічних навантаженнях [2, 19, 41].

Теоретично досліджено процеси поширення хвиль і поглинання енергії в гумових елементах при динамічних навантаженнях[23, 25, 26, 34, 39].

Розроблено методику оцінки функціональних параметрів силових зв'язків рейкових екіпажів [5, 15, 16, 19, 28, 29, 30].

Запропоновано узагальнений параметр, виражений як відношення виробленої в'язкості матеріалу і частоти вібрації до динамічного тиску [8, 19, 23, 27].

Запропоновано методику визначення амплітудно-частотних і хвилястих характеристик гумових елементів при динамічних і статичних навантаженнях [11, 13, 16, 33].

Розроблено математичну модель системи ресорного підвішування [9, 31, 32, 38].

Запропоновано ідею обліку в математичній моделі динаміки екіпажу гумових амортизаторів як суцільного середовища з розподіленими параметрами [17, 32, 42].

Запропоновано узагальнену формулу для визначення коефіцієнта сталої рівноваги колеса проти сходу з рейок при набіганні колісної пари на рейку[5, 6, 7].

Розроблено методику з визначення критерію безпеки транспортного засобу щодо сходу коліс із рейок під час ходових динамічних іспитів [7].

На основі розробленої методики запропоновано та запатентовано "Спосіб дослідження залізничного транспортного засобу на стійкість колеса проти сходу з рейки" [24].

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на республіканських, всесоюзних і міжнародних науково-технічних конференціях: “Konferencya Naukowa KILIW PAN і KN PziTB” (Польща, 1987, 1988 р.р.); “ХVІІІ Simposium on advanced problems and meth ods in fluid mechanics”(Poland, 1987); 3-я Всесоюзна науково-технічна конференція “Вибухобезпека технологічних процесів, пожежо- і вибухозахист устаткування і будинків” (Северодонецьк, 1990 р.); Міжнародна науково-технічна конференція “Проблеми розвитку локомотивобудування” (Крим – 1993, 1995, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 р.р., Москва – 1996 р.); IV Міжнародова конференція з механіки неоднорідних структур (Тернопіль, 1995 р.); ІХ Міжнародна конференція “Проблеми механіки залізничного транспорту” (Дніпропетровськ, 1996 р.); III Міжнародна науково-технічна конференція “Сучасні проблеми машинобудування і технічний прогрес” (Севастополь, 1996 р.); 3-я Українська конференція “Автоматизація керування” (Севастополь, 1996 р.); II Міжнародна науково-технічна конференція “Актуальні проблеми розвитку залізничного транспорту” (МШС Російської Федерації, МИИТ, Москва, 1996 р.); Міжнародна науково-практична конференція “Університет і регіон” (Луганськ, 1996 р.); Міжнародна науково-практична конференція “Проблеми становлення спрямованої ринкової економіки регіону (Луганськ, 1997 р.); II Міжнародна конференція “Стан і перспективи розвитку електрорухомого складу” (Новочеркаськ, 1997 р.); Науково-технічна конференція “Прогресивні технології машинобудування і сучасність” (Севастополь, 1997 р.); Міжнародна науково-практична конференція “Проблеми електронної промисловості в перехідний період” (Луганськ, 1998 р.); Міжнародна науково-методична конференція “Інженерна освіта на межі тисячоліть: минуле, сучасне, майбутнє” (Київ, НТУУ-КПІ, 1998 р.); 6-я Міжнародна науково-технічна конференція “Машинобудування і техносфера на рубежі 21-го століття” (Донецьк, 1999 р.); Міжнародна науково-практична конференція “Університет і регіон” (Луганськ, 1999 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 42 роботи, з них монографій – 2, навчальних посібників – 1, статей – 22, винахід - 1, тез доповідей – 16.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, загальних висновків, списку літератури й додатків. Вона містить 530 сторінок, у тому числі: 287 сторінок машинописного тексту, 35 таблиць на 67 сторінках, 147 малюнків на 101 сторінці, 2 додатка на 37 сторінках, 389 літературних джерел на 38 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показана актуальність проблеми, обґрунтований вибір об'єкта і предмета досліджень, дана загальна характеристика роботи.

Перший розділ містить аналіз сучасного стану досліджень, присвячених поліпшенню динамічних якостей рейкових екіпажів і перспективам підвищення тягових можливостей і швидкостей руху рухливого складу залізничного транспорту.

Розглянуто методи, що забезпечують, за інших рівних умов, зниження навантаження ходових частин, підвищення стійкості руху і плавності ходу рейкових екіпажів, зниження шуму, вібрації й інтенсивності зношування робочих поверхонь.

Великий внесок у рішення цих проблем зроблений науковими колективами ЦНІІ МШС, ВНІТІ, ВелНІІ, МІІТ, ЛІІЖТ, РІІЖТ, ДІІТ, СНУ ім. В. Даля, БІТМ, ХПІ під керівництвом А.І. Бєляєва, О.Л. Голубенка, М.Ф. Веріга, О.П. Єршкова, В.Н. Іванова, І.П. Ісаєва, А.А. Камаєва, В.А. Камаєва, Д.Є. Кармінського, О.Я. Когана, М.Л. Коротенка, С.М. Куценка, В.А. Лазаряна, В.Б. Меделя, Г.С. Михальченка, А.П. Павленка, М.П. Пахомова, Е.Д. Тартаковского, Т.О. Тібілова, І.І. Челнокова та ін.

У роботах теоретично доведено й експериментально підтверджено, що ефективним засобом зниження динамічного впливу на шлях й поліпшення умов роботи деталей і вузлів колісно-моторного блоку є зменшення необресорених мас екіпажної частини. Показано, що ефективним методом подальшого удосконалювання експлуатаційних якостей рухливого складу є формування силових зв'язків ходових частин на основі елементів з пружно-дисипативними властивостями, що сприяють досягненню заданих експлуатаційних характеристик.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень, отриманих у роботах А.І. Бєляєва, І.В. Бірюкова, Л.Є. Віницького, В.Ф. Верига, С.В. Вершинського, О.Л. Голубенка, Є.Т. Григор'єва, В.Д. Дановича, В.І. Дирди, А.С. Євстратова, І.П. Ісаєва, О.Я. Когана, О.М. Коняєва, М.Л Коротенка, Л.Ф. Кочневої, С.М. Куценка, І.І. Круша, Е.Е. Лавендела, В.А Лазаряна, А.А. Львова, В.Б. Меделя, Д.К. Мінова, Ю.І. Осеніна, А.П Павленка, В.Н. Потураєва, А.Н. Савоськіна, В.Ф. Ушкалова, В.Д. Хусідова та ін., а також закордонних учених Жолі, Калкера, Картера, Креттека, Мюллера, да Патера й ін. переконливо показали перспективність розвитку наукового напрямку, зв'язаного з удосконалюванням методів дослідження силових зв'язків ходових частин рейкових екіпажів з метою поліпшення тяглово-динамічних якостей рухливого складу.

Встановлено, що існують резерви підвищення ефективності силових зв'язків, у структурі яких містяться елементи, що мають пружно-дисипативні властивості. Проте використання цих резервів можливо за умови рішення супутніх науково-практичних проблем, зв'язаних з дослідженням процесів, що протікають у силових зв'язках рейкових екіпажів під впливом внутрішніх і зовнішніх силових і теплових впливів у перехідних і стаціонарних режимах роботи рухомого складу, а також їхнього математичного опису, що забезпечує практично-значимий науковий прогноз експлуатаційних якостей рейкових екіпажів.

Успіх реалізації цього наукового напрямку багато в чому залежить від результатів специфічних досліджень, присвячених безпосередньо фізико-технічним закономірностям “поводження” еластомерів (переважно гум) в умовах, характерних для їхнього використання в технічних системах.

Великий внесок у розвиток відзначених досліджень внесли вчені Алфе Т., Гарні Є.Ф., Бартенєв Г.М., Бєліков Л.Б., Віницький Л.Е., Бідерман В.Л. Сухов Н.А., Бленд Д., Горєлік Б.М., Григор'єв Е.Т., Дирда В.І., Карнаухов В.Г., Круш І.І., Лавендел Е.Е., Надутий В.П., Потураєв В.Н., Работнов Ю.Н., Розовський М.І., Феррі Д., Хилар та ін.

Як випливає з розглянутих робіт перспективним є дослідження функціонального взаємозв'язку між фізико-механічними, теплофізичними властивостями еластомерів, напружено-деформованим станом матеріалу, умовами динамічного навантаження і робочими параметрами силових зв'язків у рейкових екіпажах. Отримані на цьому ґрунті результати створюють передумови для розробки робочих методик по визначенню функціональних характеристик і удосконалюванню конструкцій силових зв'язків, а також показників ефективності рейкових екіпажів.

На підставі вище викладеного сформульовані мета і задачі дослідження.

Другий розділ дисертації присвячений математичному моделюванню процесів, що протікають у попередньо напруженому еластомерному елементі під впливом зовнішніх вантажно-силових і теплових факторів. Особливості впливу факторів відповідали умовам, характерним для роботи гумометалевих елементів силових зв'язків при високошвидкісному русі залізничного рухомого складу.

Еластомерний елемент представлений як суцільне середовище у вигляді реологічного тіла Кельвіна-Фойгта і описаний системою диференціальних рівнянь у частинних похідних з визначеними початковими і граничними умовами (доказ стійкості рішення виконано на підставі ланцюгів Маркова).

Розглянуто рівняння теплопровідності (параболічного типу) при явній і неявній схемах рішення рівняння Фоккера-Планка, а також рівняння коливань пружно-в’язкого середовища для одномірної, двомірної й об'ємної задач при явній і неявній схемах рішення (гіперболічного типу).

Математична модель поширення коливань у пружно-в’язкому суцільному нестиснутому середовищі при плоско-паралельному русі, представлена у вигляді:

, (2.1)

де – деформація, c – швидкість звуку, - в'язкість, x, y – координат, t – час.

Базуючись на теорії ланцюгів Маркова, відповідно до якої кожний із коефіцієнтів кінцево-різницевого аналога рівняння (2.1) не може перевищувати по модулі одиницю, одержимо:

. Враховуючи, що

маємо , де . .

Значення коефіцієнтів і є оцінкою впливу на чисельне рішення параметрів пружності й в'язкості матеріалу.

Для рівняння гіперболічного типу виду (модель Кельвіна-Фойгта):

(2.2)

при граничних умовах , ,

і початкових умовах , , ,

де - переміщення елементарного обсягу суцільного середовища; - декартова координата; - коефіцієнт кінематичної в'язкості; - час; - швидкість звуку в середовищі; - амплітуда коливань; - кутова швидкість.

Рівняння (2.2) описує поширення коливань у суцільному пружно-в’язкому середовищі, що моделюється у вигляді одномірного стрижня висотою , до нижньої границі якого прикладено вібродію, а верхній кінець - вільна поверхня.

Для отримання стійкого алгоритму рішення запропоновано варіант побудови явної різницевої схеми, заснованої на апроксимації часток похідних у рівнянні розкладанням у ряд Тейлора з більш високим порядком точності.

Третій розділ дисертації присвячений аналізу чисельних результатів, отриманих на основі реалізації математичних моделей з метою забезпечення раціональних параметрів гумометалевих елементів.

Досліджена і оцінена вертикальна та горизонтальна динаміка вільних та примусових коливань обресорених мас в центральній і буксовій ступенях ресорного підвішування в залежності від параметрів гумометалевих амортизаторів (геометричних розмірів, реологічних характеристик гуми та умов навантаження).

Четвертий розділ дисертації присвячений лабораторним і стендовим (натурним) дослідженням, виконаних з метою підтвердження теоретично отриманих результатів і запропонованих рекомендацій, пов'язаних з розробкою гумометалевих елементів силових зв'язків рейкових екіпажів.

Завдання експериментального дослідження:

- установлення закономірності розподілу деформацій і напруг у гумових елементах;

- оцінка функціональних характеристик гумометалевих елементів силових зв'язків підгумованого колеса трамвайного вагону, опорно-повернених пристроїв тепловозу і дизель-потягу, гумовотканинної муфти;

Як досліджувані прийняті наступні параметри:

- характеристики деформацій і механічних напруг (лабораторні дослідження);

- статичний і динамічний модуль пружності на стиск і зрушення; сили попереднього стиску; механічні напруги в характерних крапках металоконструкції деталей колеса; деформація маточини і тарілки; характер деформування форми колеса під впливом прикладеного навантаження; властивості, що демпфірують; параметри релаксації; працездатність конструкції (стендові дослідження).

Лабораторні і стендові дослідження виконані на натурних стендових установках і пристосуваннях, що імітують статичний і динамічний режим взаємодії елементів у реальному масштабі сил, часу, геометричних розмірів і мас.

Експериментальні дослідження підтвердили закономірності розподілу деформацій і напруг, а також їх чисельні значення в гумових зразках, що мають різні властивості, геометричні розміри і форми.

Виконані експериментальні дослідження дозволили підтвердити вірогідність теоретично отриманих результатів і розроблених рекомендацій, а також уточнити пропозиції щодо удосконалення конструкції гумометалевих елементів силових зв'язків і вузлів екіпажної частини рухомого складу.

П'ятий розділ дисертації присвячений питанням вибору основних параметрів підгумованих коліс і характеристик гуми (реалізовані напруги, величина попереднього стиску, твердість, рівень демпфірування, зусилля попереднього стиску, температурне нагрівання).

З огляду на, що при стаціонарних динамічних навантаженнях напруги, що допускаються, на зрушення приблизно в 2 рази менше, ніж для статичного характеру навантаження, варто приймати величину [ ] (з обліком статичної і динамічний складових) рівної, (2,5 - 2,6).10-3 Н/м2. При розробці конструкції варто задаватися величиною [ ] від дії лише статичного навантаження, рівній (1,25 - 1,3).10-3 Н/м2.

Для визначення зусилля попереднього стиску гумових елементів запропонована залежність, яка отримана виходячи з умови, що максимальний зсув диску обода колеса під дією бічного навантаження (направляючого зусилля ) менше деформації гумових амортизаторів.

Натяг визначався з умови гарантованого стиску волокон гумових амортизаторів при максимальному бічному зсуві під дією направляючого зусилля:

,

де - відстань від центра колеса до найбільш віддаленої крапки гумових амортизаторів (у випадку кільцевого амортизатора =Dk/2, де - діаметр колеса по крузі катання).

Як випливає з отриманих формул, на величину зусилля попереднього стиску впливають: геометричні розміри колеса ( ) і амортизаторів ( , ), розташування останніх у колесі ( , ), коефіцієнт запасу , величина розрахункового направляючого зусилля . Коефіцієнт запасу залежить як від фізико-механічних властивостей гуми, так і від конструкції самих амортизаторів. Тому для кожної конструкції амортизаторів необхідно визначати дослідним шляхом.

Впливу на нагрівання гумових елементів колеса радіальної твердості Ж, логарифмічного декремента загасання і швидкості V руху локомотива вироблялося для наступних умов: Ж=(1 ч 4)106 кГ/м; =0,3ч0,8; V=50 – 200 ?м/г.

Отримано залежність для визначення твердості гумових амортизаторів за умовою припустимого нагрівання для екіпажів із заданими конструкційними швидкостями і встановлене обмеження по швидкості руху екіпажа при застосуванні підгумованих колісних пар відомої твердості. Результати представлені на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Залежність температури t нагрівання амортизатора від радіальної твердості Ж при різних швидкостях руху V.

Даючи обмеження з нагрівання tmax амортизаторів (у залежності від теплостійкості застосовуваної марки гуми і кліматичних особливостей експлуатації), визначалася припустима твердість чи швидкість руху.

Дослідження показали, що внутрішні теплотворення можуть бути визначальними при призначенні твердості підгумованих коліс і виборі марки гуми. На підставі приведених досліджень установлено, що для трамвайного вагона ЛТ-10 твердість амортизаторів повинна бути не менш (2 - 2,5)107 Н/м, що відповідає радіальної твердості колеса (4 - 5)107Н/м. При застосуванні гуми з підвищеною теплостійкістю чи за умови експлуатації тепловозів у районах з помірним і холодним кліматом твердість підгумованого колеса можна зменшити до (2,6– 3,6) 107 Н/м.

Твердість підгумованих коліс можна регулювати за рахунок вибору марки гуми з потрібним модулем пружності, оскільки розмірами амортизаторів, установленими за умови припустимої напруги зрушення і габаритів колеса, важко варіювати. Враховуючи залежність модуля пружності гуми від її твердості (рис. 5.2), а також результати приведеного вище дослідження й умови експлуатації, сформульовані основні вимоги до амортизаторів, що використовувалися при розробці й виготовленні дослідних гумометалевих елементів.

Шостий розділ дисертації присвячений результатам поїзних іспитів трамваїв і дизель-потягів, виконаних з метою оцінки впливу характеристик розроблених амортизаторів у силових зв'язках рейкових екіпажів на динамічні якості причіпного пасажирського вагона дизель-потяга і трамвая.

Як досліджувані характеристики прийняті наступні:

- динамічні прогини пружин буксової ступені ресорного підвішування; динамічні прогини пружин центральної ступені ресорного підвішування; горизонтально-поперечні переміщення колісних пар щодо рам візків; горизонтально-поперечні переміщення кузова щодо візків; кутові повороти візків щодо кузова; зусилля в гасителях коливань; вертикальні прискорення в елементах екіпажної частини; горизонтально-поперечні прискорення в елементах екіпажної частини.

У процесі проведення експериментального дослідження отримані характеристики деформування амортизаторів опорно-повертаючих пристроїв для двох режимів завантаження салону вагона дизель-потяга: порожнього - 134 кн (маса кузова, що приходиться на візок); максимально завантаженого - 256, 5 кн.

Установлено, що момент опору повороту, відповідно для порожнього вагона дорівнює 16,38 кНм, для максимального завантаженого 29,40кНм, що значно зменшило виляння візка відносно кузова та забезпечило можливість руху зі швидкостями до 140 км/г.

З метою підвищення часу безвідмовної роботи для гумовотканинних елементів муфт тягового приводу трамвайного вагона ЛТ-10 визначені пружно-дисипативні характеристики: залежність моменту, що крутить, () від
кута () відносного закручування напівмуфт, залежність осьового навантаження від осьової деформації, радіального навантаження - від радіальної деформації.

Найбільший рівень амплітуд динамічних прогинів пружин ресорного підвішування першої ступені, викликаний зусиллями, що діють у вертикальній площині, зареєстрований з основною частотою коливань рами візка на буксах до 8, 2 Гц. Найбільший рівень амплітуд динамічних прогинів пружин ресорного підвішування центральної ступені зареєстрований з частотою коливань 1, 3...1, 41 Гц (швидкість 60 – 120 км/год).

У процесі поїзних іспитів установлено, що при русі по прямих ділянках шляху максимальний динамічний прогин пружин буксового ресорного підвішування на причіпному вагоні склав 17,2 мм на швидкості 120 км/год, при цьому коефіцієнт вертикальної динаміки дорівнює 0,32, а на вагоні-лабораторії - 10 мм і 0,298. Максимальний динамічний прогин пружин центрального ресорного підвішування на причіпному вагоні склав 25,2 мм, коефіцієнт динаміки – 0,199, а на вагоні-лабораторії відповідно 19,5 мм і 0,152. Отримані значення коефіцієнтів вертикальної динаміки не перевищують граничних значень [ ] = 0,35 (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Динамічні показники причіпного вагона

Мінімальні значення коефіцієнтів стійкості проти сходу колеса з рейки отримані в кривих радіусів 300 м і 600 м відповідно рівні 2,23 і 2,26, що більше мінімально припустимого значення = 2,23 > [ ] = 2.

На всіх режимах руху в прямих ділянках шляху коефіцієнти вертикальної динаміки бічної ступіні ресорного підвішування трамваїв не перевищують нормативного значення, рівного 0,4. Найбільше значення для ЛТ10-013 отримано на швидкості 50 км/год, і його величина дорівнює 0,278 при динамічному прогині 4,5 мм, а для трамвая ЛТ10-002 відповідає 0,345 і 5,9 мм.

Максимальні значення коефіцієнтів вертикальної динаміки центральної ступені ресорного підвішування на всіх режимах руху і фіксованих ділянок шляху не перевищують припустимого значення, рівного 0,35. У прямих ділянках шляху найбільше значення отримане для швидкості 50 км/год, і його величина для трамвая ЛТ10-013 дорівнює 0,173, при динамічному прогині 9,6 мм для трамвая ЛТ10-002 відповідно 0,21 і 17 мм. Найбільші динамічні деформації зареєстровані в кривих ділянках шляху малого радіуса і стрілочних переводах, досягають 13,6 мм для ЛТ10-013 і 15,8 мм – для ЛТ10-002.

У процесі іспитів реєструвалися переміщення надресорної балки щодо рами візка (віднос кузова). Частота коливань переміщень балки щодо рами візка (віднос кузова) складає 0,8...1,1 Гц для обох трамвайних вагонів.

Заміряні взаємні переміщенням осьового редуктора відносного тягового двигуна і зусилля у вузлі підвіски редуктора до рами візка дозволили визначити радіальні, аксіальні і тангенціальні деформації пружних елементів гумово-тканинної муфти. Максимальні деформації пружних елементів гумовотканинної муфти, що спостерігаються при русі трамвая, досягали: аксіальні - 0,0210 м; радіальні в подовжньому напрямку - 0,0038; радіальні у вертикальному напрямку - 0,0045. Зусилля розтягання стиску в повідку підвіски редуктора досягали 19680 Н.

Основним джерелом динамічних навантажень, що виникають у колісно-моторному блоці трамвайного вагона ЛТ-10 і вертикальної площини, є: удари, що виникають з боку шляху на колісні пари при проходженні трамваєм коротких нерівностей з частотою загасаючих коливань =17 Гц; циклічні навантаження з власною частотою коливань тягового електродвигуна відносно боковин рами візка ( =34 Гц), що входить у резонанс із силами від неврівноважених обертових мас високооборотної ступені тягового приводу при русі трамвайного вагона зі швидкістю 37 км/год.

Основним фактором виникнення сил від неврівноважених обертових мас високооборотної ступені є технологічний і експлуатаційний дисбаланс гумокордної муфти тягового приводу.

На підставі проведених іспитів підтверджені рекомендації з вибору тангенціальної й осьової твердості амортизаторів підгумованих коліс, що знаходяться відповідно в межах (3,5-8,5)106 Нм/рад і (4-9)107 Н/м.

У цілому поїзні іспити підтвердили правомірність зроблених рекомендацій з визначення параметрів силових зв'язків рейкових екіпажів і резервів в удосконалюванні динамічних якостей трамвая ЛТ-10 і причіпного вагона дизель-потяга ДЕЛ – 1.

Обґрунтованість розроблених рекомендацій і запропонованих конструкцій гумометалевої опори, гумовотканинної муфти, опорно-повертаючого пристрою, підгумованих колес, також підтверджена результатами трирічних експлуатаційних іспитів трамваїв ЛТ-10 (у кількості 11 штук) і причіпних вагонів дизель-потягів ДЕЛ – 1 (у кількості 16 штук). Критерієм оцінки було число відмовлень, віднесене до величини пробігу.

В И С Н О В К И

1. Аналіз проблем створення перспективного рухомого складу залізниць, а також досвід експлуатації існуючого показав, що одним з факторів, що лімітують підвищення швидкості руху і поліпшення динамічних якостей, є характеристики силових зв'язків ходових частин рейкових екіпажів, які багато в чому визначають тяглово-динамічні й швидкісні якості рухомого складу в цілому.

Керування, на стадії проектування, цими зв'язками можливо за умови відповідного наукового, технічного і конструкторсько-технологічного супроводу, що спирається на точні знання закономірностей, реалізованих у цих зв'язках, їхній математичний опис, нові конструкторсько-технологічні підходи і системний науковий прогноз, що забезпечує синтез параметрів силових зв'язків. Це дозволить створити передумови для проектування перспективного рухливого складу з наперед заданими тяглово-динамічними і швидкісними якостями.

2. Розроблено методику оцінки функціональних параметрів силових зв'язків (утримуючі елементи, що мають пружно-дисипативні властивості) рейкових екіпажів, що враховує фізико-механічні і теплофізичні властивості пружного матеріалу, режими перехідних і стаціонарних процесів силового навантаження, а також особливості формування напружено-деформованого стану і закономірності поширення коливань у пружно-в’язкому, попередньо напруженому матеріалі. Методика дозволяє здійснити цілеспрямоване керування (на стадії проектування) функціональними властивостями силових зв'язків рейкових екіпажів і забезпечити споконвічно задані тяглово-динамічні і швидкісні якості перспективного рухливого складу, лімітовані характеристиками силових зв'язків.

3. Теоретично визначені й експериментально підтверджені амплітудно-частотні і хвильові характеристики процесу поширення коливань у гумових елементах при навантажені. Установлено взаємозв'язок між характеристиками полів напруг, деформацій і співвідношенням між геометричними розмірами і довжиною хвилі, а також залежність інтегральних показників напруг і деформацій від довжини хвилі.

4. Розроблено узагальнений параметр, виражений як відношення добутку в'язкості матеріалу і частоти вібрації до динамічного тиску. Використання критерію дозволяє зменшити число параметрів при багатопараметричному синтезі гумових елементів.

5. Запропоновано методику розрахунку напружено-деформованого стану гумометалевих елементів, основою якої є метод кінцевих різностей, системний облік геометричних розмірів, динамічних параметрів і властивостей пружного матеріалу. Методика дозволяє обґрунтовано визначати характеристики гумових амортизаторів, застосовуваних у силових зв'язках рейкового транспорту, з рівномірним розподілом деформацій і напруг.

6. Для проведення експериментальних досліджень розроблені за участю автора спеціальні стендові установки: стенд для дослідження в’язкопружних характеристик амортизаторів; стенд для динамічного навантаження пружних елементів; стенд для дослідження підгумованих коліс на циклічну довговічність та нагрівання амортизаторів при різних режимах роботи.

Це дозволило одержати експериментальні результати в реальному масштабі часу, навантажувально-швідкісних діях і масово-габаритних показниках.

7. Розроблено методики експериментальних досліджень, засновані на використанні запропонованого узагальненого параметра, зокрема:

- методика визначення значень логарифмічного декремента загасання коливань при будь-якому характері дисипативних сил і будь-якій інтенсивності загасання систем з істотним проявом пружної післядії;

- методика визначення в’язко-пружних характеристик амортизаторів у динамічному режимі навантаження.

8.Експериментальні дослідження підтвердили вірогідність теоретичного прогнозу й обґрунтованість розроблених рекомендацій з вибору основних параметрів пружних силових зв'язків (відхилення експериментальних даних від розрахункових у межах 10-12%).

9. Теоретичний прогноз, експериментальні дослідження, а також дослідно-конструкторські роботи дозволили розробити рекомендації параметрів гуми й удосконалюванню конструкції і властивостей гумометалевих елементів для підгумованих коліс трамваїв, амортизаторів пружних зв'язків надресорної балки з рамою візка для дизель-потягу, опір кузова на візок для тепловозу ТЕ-126 і гумовотканинні муфти трамваїв, що враховують: умови попереднього тиску гумометалевих елементів; залежності між напругами і деформаціями при різних геометричних розмірах (які залежать від величини вільної поверхні витріщання і твердості комплекту амортизаторів); залежності моменту, що крутить, від кута відносного закручування напівмуфт, осьового і радіального навантажень від відповідних деформацій.

10. Визначено оптимальний інтервал зміни параметрів пружних елементів підгумованого колеса трамвая: з радіальною жорсткістю- (4,5-6,5) 107 Н/м, тангенціальною жорсткістю- (3,5-8,5) 10 Нм/рад, осьовою жорсткістю- (4-9) 10 Н/м, показник демпфірування, зображено через логарифмічний декремент коливань - 0,3-0,4.

Експериментальні дослідження подгумованих коліс із опрацьованими гумометалевими амортизаторами дозволили установити:

- вплив марки гуми на коефіцієнт динамічної жорсткості Кд амортизаторів і декремент коливань (для досліджуваних амортизаторів Кд = 1,21-1,69, = 0,31-0,75), що свідчить про необхідність експериментального визначення цих розмірів при зміні фізико-технічних характеристик застосовуваних марок гум;

- вплив частоти коливань на динамічну жорсткість Кд амортизаторів і декремент коливань (досліджувався діапазон частот 1,1-50 Гц), що дало можливість визначити для кожної марки гуми середні значення і довірчі інтервали названих розмірів;

- вплив зусиль попереднього стиску на характер зміни Кд і і їхні чисельні значення при збільшенні зусиль попереднього стиску Рсж для кожної марки гуми, що необхідно для визначення дійсних розмірів Кд і за наявності даних для випадку, коли Рсж = 0;

- експоненціальну залежність зміни форми гумових амортизаторів і зусилля Рсж у процесі релаксації, а також одержати тимчасові залежності для знаходження розміру перекручування форми амортизаторів і коефіцієнта запасу К з, необхідного для аналітичного розрахунку Рсж;

- характер зміни і чисельні значення температур у характерних точках підгумованих коліс за різних режимів їхнього кочення, що підтвердили прийнятний тепловий стан гумових елементів;

11. Застосування в конструкціях екіпажної частини трамвайного вагона гумових амортизаторів дозволить одержати економічний і соціальний ефект за рахунок збільшення пробігу бандажів за критерієм зносу робочої поверхні (до 100 тис. без відновлення профілю бандажа), поліпшення повільності ходу, зниження вібровпливів на вузли й агрегати, зниження шумовипромінювання і підвищення швидкості руху.

12. Розроблені методи, методики, рекомендації і дослідно-конструкторські розробки прийняті до впровадження ХК “Луганськтепловоз” і застосовуються при створенні, проектуванні й іспитах перспективного рухомого складу залізниць (докладно в розділі автореферату “Практичне значення отриманих результатів”).

Розроблені методики впроваджені також у навчальний процес СНУ ім. В.Даля за фахом 100501 “Рухомий склад і спеціальна техніка залізничного транспорту”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ РОБІТ
ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Петров А.С. Численные методы решения задач динамики подвижного состава рельсовых транспортных средств. - Луганск: Изд-во ВУГУ, 1998. – 364с.

2. Голубенко А.Л., Петров А.С. Резиновые и резинометаллические амортизаторы в конструкциях рельсового транспорта. - Луганск: Изд-во ВУГУ, 1998. – 576с.

3. Голубенко А.Л., Петров А.С., Кашура А.Л. Теория технических систем. - Луганск: Изд-во ВУГУ, 1998. – 160с.

4. Петров А.С. Использование резины для рессорного подвешивания// Вісник СУДУ, 1998, №5 (15). – С. 164 - 168.

5. Голубенко А.Л., Петров А.С., Боженко Я.В. Методика расчета напряженно-деформированного состояния упругого колеса железнодорожного транспортного средства с применением теории планирования эксперимента// Вiсник СНУ, 2001, № 7(41). – С. 155-160.

6. Гундарь В.П., Петров А.С. Ходовые динамические испытания для определения запаса устойчивости колеса против схода с рельсов //Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті, №6, Харків, 2001. С. 38-41.

7. Петров А.С Оценка безопасности движения экипажа железнодорожного транспортного средства против схода с рельсов (при выкатывании гребня на головку рельса) // Вiсник СНУ, 2000, №11(33). – С. 193-197.

8. Голубенко А.Л., Петров А.С., Гундарь В.П. Новое упругое колесо трамвая с равномерным напряженно-деформированным нагружением его амортизаторов// Всеукраинский науч.-техн. журнал “Вибрации в технике и технологиях”, № 15 , Винница, 2000. – С.14-19.

9. Голубенко А.Л., Петров А.С., Гундарь В.П. Исследование системы рессорного подвешивания рельсового транспорта// Всеукраинский науч.-техн. журнал “Вибрации в технике и технологиях”, № 14 , Винница, 2000. – С.29-35.

10. Петров А.С. Теоретические исследования колебаний прицепных вагонов// Вісник СУДУ,