|
|
И.И. Галиев, заведующий кафедрой «Теоретическая механика», доктор технических
наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ
В.А. Нехаев, доктор технических наук, профессор
В.А. Николаев, доктор технических наук, профессор
Низкие динамические свойства экипажной части подвижного состава являются одной
из причин недостаточного уровня безопасности движения поездов и высоких
эксплуатационных расходов, обусловленных увеличением затрат на ремонт подвижного
состава и пути, а также повышенным энергопотреблением на тягу поездов.
Недостатки традиционного рессорного подвешивания железнодорожных экипажей,
основанного на применении линейных упругих элементов в комбинации с фрикционными
или гидравлическими гасителями колебаний, стали особенно очевидны в последнее
время, когда вследствие значительного износа подвижного состава и рельсов
железные дороги начали нести значительные издержки, обусловленные
многочисленными ограничениями скорости, сходами вагонов с рельсов и другими
более тяжелыми последствиями.
Особенно это относится к унифицированным системам обрессоривания буксовой
ступени подвешивания, которыми оснащены магистральные электровозы ВЛ10, ВЛ80 и
ВЛ85. Ужесточение характеристик пути, в первую очередь модуля упругости
рельсового основания при применении рельсов тяжелых типов, железобетонных шпал
на щебеночном основании, рост сцепного веса локомотивов и другие факторы ведут к
увеличению уровня сил динамического взаимодействия локомотива и пути. Кроме
того, из-за большого коэффициента относительного трения листовая рессора при
малых амплитудах возмущающего воздействия заблокирована силами сухого трения,
вследствии чего динамические нагрузки, действующие на тяговый привод, раму
тележки и рельсы, резко возрастают, что влечет за собой накопление различных
дефектов в экипажах и верхнем строении пути.
Высокие современные требования к качеству виброзащиты не всегда удается
удовлетворить при помощи типовых пассивных систем виброизоляции, основанных на
применении упругих элементов и гасителей колебаний, так как эти системы порой не
могут обеспечить желаемый вид переходного процесса, стабилизацию объекта в
широком диапазоне частот и др. На грузовых локомотивах, где для реализации
значительных сил тяги требуется большой сцепной вес, повышенная гибкость типовых
винтовых пружин сжатия весьма затруднительна вследствие габаритных ограничений.
В последнее время повысился интерес к разработке и исследованию систем
виброзащиты, действие которых основано на принципе регулирования по возмущению,
- принципе компенсации внешних возмущений. Такие системы открывают новые
возможности для повышения динамических качеств локомотивов и вагонов, а,
следовательно, и эффективности работы транспорта в целом.
В случае создания системы подвешивания, имеющей нулевую динамическую жесткость,
может быть обеспечена независимость выходной координаты объекта от возмущающих
воздействий, возникающих при движении экипажа по неровностям рельсового пути,
т.е. абсолютная инвариантность к внешнему возмущению. При наличии некоторой
малой положительной результирующей жесткости, необходимой для обеспечения
устойчивости системы, такую систему называют квазиинвариантной. Возникающую при
этом боковую валкость кузова можно ограничить посредством стабилизаторов боковой
качки, как на современных скоростных зарубежных локомотивах. Для эффективного
функционирования квазиинвариантной системы виброзащиты объекта требуется ее
соответствие двум условиям: двухканальности и физической реализуемости.
Существует целый класс систем виброзащиты объектов, основанных на принципе
компенсации внешних возмущений, состоящих из двух каналов передачи возмущений, в
одном из которых оно инвертируется, и не требующих дополнительных внешних
источников энергии (выполняется первое условие создания инвариантной системы).
При этом второй канал передачи возмущающего воздействия на практике может быть
реализован в виде упругого элемента, имеющего S-образную силовую характеристику,
обусловленную двумя устойчивыми и одним неустойчивым положением равновесия, в
котором потенциальная энергия максимальна. Вторым признаком инвариантности
является удовлетворение требованиям функциональных, габаритных и прочностных
ограничений, накладываемых на значения конструктивных параметров системы
(выполняется второе условие инвариантности).
Важными достоинствами систем, основанных на принципе компенсаций внешних
возмущений, являются: возможность регулирования динамической жесткости упругого
подвеса в широких пределах и повышения демпфирования в системе вплоть до
критического за счет изменения соотношения инерционных и упругих параметров
системы, обеспечение малой динамической жесткости и большой несущей способности
при габаритах меньших, чем у обычной подвески (обычные мягкие тяжелонагруженные
опоры имеют большие габариты, что часто приводит к необходимости создания двух
ступеней обрессоривания экипажей).
Эти факторы имеют определяющее значение при решении проблемы обеспечения
эффективной системы виброзащиты. При достижении абсолютной инвариантности
защищаемого объекта от внешних возмущений динамическая реакция основного
упругого элемента системы рессорного подвешивания уравновешивается направленной
ей навстречу силой, формируемой дополнительным упругим элементом второго канала
передачи возмущений.
Конструктивные параметры компенсирующего устройства, предназначенные для
создания такой системы виброзащиты железнодорожного экипажа, как указывалось
ранее, должны удовлетворять требованиям габаритных, прочностных и функциональных
ограничений, несоответствие которых при поиске значений этих параметров
устраняется введением функций штрафа. На основе принципа компенсации внешних
возмущений возможно создание как новых систем рессорного подвешивания, так и
модернизация типовых.
Установлено, что создание квазиинвариантного рессорного подвешивания буксовой
ступени магистральных электровозов приводит к снижению флуктуаций динамических
добавок силы давления колеса на рельс. Так, при скорости 80 км/ч давление в зоне
контакта уменьшается на 6-7%. Необходимо отметить, что такая величина снижения
сил взаимодействия в контакте колеса и рельса обусловлена значительной
необрессоренной массой тягового электродвигателя ТЭД, приходящейся на колесную
пару. Именно значительная необрессоренная масса, обусловленная опорно-осевым
подвешиванием ТЭД и недостаточный статический прогиб буксовой ступени рессорного
подвешивания приводят к возможным флуктуациям давления в контакте колеса и
рельса, что и является причиной боксования, а также повышенного износа колес и
рельсов, особенно при большом весе поезда.
Рис. 1. Наиболее вероятные
максимальные и минимальные
значения динамического давления колес
на рельсы локомотива с серийным (1) и
инвариантным (2) рессорным подвешиванием |
 |
Рис. 2. Максимальные ускорения
тележек
типового (1) и модернизированного (2)
экипажей с опорно-рамным подвешиванием ТЭД |
 |
Среднеквадратические ускорения тележек и кузова модернизированного экипажа при
скорости 80 км/ч соответственно на 25 и 30 % меньше серийного. При скорости 110
км/ч (конструкционная скорость локомотива) вероятное максимальное значение
давления колеса на рельс для модернизированного экипажа на 12% ниже, чем для
серийного образца, а наименьшее на 37% выше, что весьма существенно с точки
зрения реализации тяговых свойств локомотива. Вероятность такого события
существенно снижается при использовании модернизированного подвешивания, и
обезгрузка колес возможна только при скоростях, превышающих существующие в
настоящее время эксплуатационные скорости движения грузовых поездов (рис. 1).
Еще более высокие результаты достигаются в сочетании квазииинвариантного
рессорного подвешивания буксовой ступени локомотива с опорно-рамным
подвешиванием ТЭД. Из графика, приведенного на рис. 2, видно, что в диапазоне
перспективных скоростей движения грузовых поездов от 100 до 140 км/ч
максимальные ускорения рамы тележки модернизированного экипажа снижаются по
сравнению с типовым на 50-70%.
Исследовано влияние введения компенсирующего устройства в структуру типовой
подвески электровоза ВЛ 10 на его тяговые свойства при следующих начальных
условиях: вес состава - 3360 тс, скорость локомотива - 72 км/ч, напряжение на
зажимах двигателя - 1500 В, ток якоря - 450 А. Результаты расчетов иллюстрируют
динамику процесса движения узлов типового (а) и модернизированного (б) экипажа,
типовая подвеска которого дополнительно оснащена компенсирующим устройством (б),
при наезде на мокрые рельсы (рис. 3). В момент переключения силовой схемы с
позиции контроллера «ОП 2» на «ОП 3» наблюдаем процесс продольных колебаний
первой, лимитирующей по сцеплению колесной пары, относительно рамы тележки
электровоза и ее боксование, приводящий к снижению скорости тележки локомотива.
Рис. 3. Скорости тележки ( ___
)
и колесной пары (- - -)
при наезде на мокрые рельсы
типового (а) и модернизированного (б)
экипажей |
 |
 |
На рисунке видно, что боксование колеса типового экипажа и нарастание
относительной скорости проскальзывания при наезде на мокрый рельс происходит
через 0,26 с, а модернизированного - только через 0,7 с, что очень важно с точки
зрения повышенного веса тяговых свойств локомотива, особенно при вождении
поездов повышенного веса и снижения износа колес и рельсов. У модернизированного
локомотива интенсивность роста относительного проскальзывания значительно
меньше. Приведенные результаты свидетельствуют о значительно лучших динамических
и тяговых качествах модернизированного экипажа по сравнению с экипажем, имеющим
типовое рессорное подвешивание.
В настоящее время кафедра «Теоретическая механика» ОмГУПСа проводит комплекс
исследований, направленных на создание квазиинвариантного рессорного
подвешивания тележки грузового вагона, обладающего требуемыми динамическими
свойствами при жестких габаритных, прочностных и функциональных ограничениях, и
разработку эффективной системы виброзащиты машиниста.
Натурные испытания систем виброзащиты оператора, основанных на принципе
компенсации внешних возмущений, проведенные в Институте машиноведения РАН и в
Институте гигиены труда и профзаболеваний АМН РФ, показали их высокие
динамические качества. Установлено, что наиболее эффективно система работает на
низких частотах в диапазоне от 1,6 до 10 Гц, то есть квазиинвариантное рессорное
подвешивание гарантированно снижает виброускорения в этой полосе частот до
уровня комфорта, регламентированного стандартом. Например, на третьоктавной
частоте 6,3 Гц эффективность виброзащиты составляет 26 дБ, т.е. ускорения на
подушке сиденья по сравнению с аналогичным показателем на входе в систему
уменьшаются в 20 раз.
Работа над совершенствованием методов расчета и проектирования современных
систем виброзащиты железнодорожных экипажей, направленных на повышение
эффективности Российских железных дорог, продолжается.
|
