Бьрачч. 1. Конспект лекций, ч.1-Трофимович В.В.- ОМПС 2018. В. В. Трофимович основымеханики подвижногосостава
 Скачать 3.4 Mb.
|
|
13. ПОКАЗАТЕЛИДИНАМИЧЕСКИХКАЧЕСТВ МЕХАНИЧЕСКОЙЧАСТИПОДВИЖНОГОСОСТАВА 13.1. Понятиеокачествемеханическойчастиподвижногосостава Подвижной состав в целом ив частности его механическая часть должны удовлетворять определенным требованиям эксплуатации, которые представляют в виде совокупности показателей качества. Понятие качество охватывает свойства объекта, которые обусловливают его пригодность удовлетворять определенным требованиям в соответствии с назначением объектов. Количественную характеристику такой пригодности объектов описывают с помощью показателейкачества, выбор которых зависит от назначения объекта. Для объектов многоцелевого назначения таких, например, как локомотив и вагон, может быть значительное количество показателей как безразмерных, таки выражаемых в различных единицах, например в километрах в час, часах и т. п. Показатели качества подразделяются на 11 основныхгрупп: назначения безопасности экономичного использования сырья, материалов, топлива, энергии надежности эргономические эстетические технологические транспортабельности стандартизации и унификации патентно- правовые экологические. Каждая из этих групп в свою очередь делится на подгруппы например, показателиназначения – классификационные, функциональные и технической эффективности, конструктивные, состава и структуры показате- либезопасности – физические, химические, биологические, психофизиологические показатели надежности – безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости показатели эргономические – гигиенические, антропометрические, физиологические, психофизиологические, психологические. Применительно к механической части показатели качества делят на два больших класса 99 первый – общие для механической части и ПС в целом как единого технического средства второй – специфические для механической части, учитывающие ее основные особенности, отличающие механическую часть от других составных частей ПС. К специфическим относят показатели, которые характеризуют поведение ПС как механической системы при движении по рельсовому пути. Поскольку определяющую роль при этом играют колебательные процессы, эти показатели принято называть показателямидинамическихка- честв (ПДК. К ним относят показатели • виброзащиты, определяющие степень защиты оборудования ПС, а также пути от вибраций, возникающих при движении ПС • безопасностидвижения, характеризующие степень обеспечения безаварийности движения по рельсовой колее • плавностихода, относящиеся к подгруппе гигиенических показателей и характеризующие степень воздействия вибраций ПС на организм человека. Проектирование, изготовление, эксплуатация и ремонт ПС выполняются таким образом, чтобы обеспечивался допустимый уровень ПДК в течение всего срока его службы. 13.2. Показатели, оценивающиевиброзащитныесвойства механическойчастиподвижногосостава К показателям виброзащиты относятся • максимальныеускорениякузова, характеризующие динамические силы, действующие на оборудование ПС • максимальныеперемещенияконцовкузова, определяемые габаритными ограничениями и условиями работы автосцепки. В соответствии с Правилами технической эксплуатации железных дорог России для подвижного состава с автосцепкой нежесткого типа эти перемещения ограничивают значениями, равными 110 мм – между локомотивом и первым вагоном грузового поезда, 100 мм – между локомотивом и первым вагоном пассажирского поезда, 70 мм – между вагонами пассажирского поезда при скорости до 120 км/ч, 50 мм – вагонами пассажирского поезда при скорости до 140 км/ч; • коэффициентывертикальной В Д Κ и горизонтальной Г Д Κ динамики, которые можно определить, исходя из прогибов ∆ как 100 СТ В Д В ДП ∆ ∆ = Κ , (13.1) СТ Г Д Г ДП ∆ ∆ = Κ (13.2) Или, исходя из сил F , возникающих в отдельном комплекте рессорного подвешивания СТ В Д В ДF F F = Κ , (13.3) СТ Г Д Г ДF F F = Κ (13.4) Здесь показателям динамики соответствует нижний индекс Д, статики СТ вертикальные прогибы, силы и напряжения имеют верхний индекс В, горизонтальные – Г. Статические прогибы и силы обусловлены весом кузова, тяговых двигателей, рам тележек и т. п. Следует отметить, что коэффициенты горизонтальной динамики носят условный характер, так как при их определении находят отношение горизонтальных динамических прогибов и сил к соответствующим вертикальным статическим. Коэффициент Г ДF Κ вычисляется как отношение горизонтальной рамной силы р к статической силе П , передаваемой от колеса на рельс, те. П Y р Г ДF = Κ (13.5) Этот коэффициент, по сути, близок к запасу устойчивости колеса против схода с рельсов (будет рассмотрен ниже коэффициентзапасаконструктивногопрогибапружиноценива- ет невозможность посадки витка пружины на виток и определяется по формуле ( ) Д P СТ КП d n h ∆ − = Κ , (13.6) где СТ – высота пружины под статической нагрузкой P n – число рабочих витков пружины d – диаметр прутка пружины. В эксплуатации ПС при определенных условиях может происходить смыкание витков пружины, такой случай называется пробоемподвески. 101 Допустимые значения максимальных ускорений [ q] и коэффициентов динамики Д ], рекомендованные отделением комплексных испытаний Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), приведены в табл. 13.1. Таблица 13.1 ДопустимыезначенияПДКвиброзащитыдлялокомотивов ивагоновэлектропоездов Значения показателей Вид подвижного состава [q], доли g Д Локомотивы 0,4/0,35 0,35/0,3–0,4 Вагоны электропоездов и метрополитена 0,35/0,3 0,35/0,3–0,4 Примечание – В числителе значения показателей для вертикальных колебаний, в знаменателе – для горизонтальных. Здесь значения Д ] указаны для буксового подвешивания для кузов- ного подвешивания значения Д ] рекомендуется принимать в 2 раза меньшими. Значение Д ] = 0,4 для горизонтальных колебаний соответствует участкам пути со щебеночным балластом, а Д ] = 0,3 – участкам пути с гравийными песчаным балластом. Допустимые значения максимальных ускорений кузова указаны для диапазона частот от 0 до 4 Гц. Допустимые значения коэффициента запаса конструктивного прогиба пружин [ КП Κ ] составляют для обеих ступеней подвешивания локомотивов, для буксового подвешивания вагонов электропоездов и метрополитена и для их кузовного подвешивания – 1,6–1,7. Средние наибольшие значения ПДК для грузового и пассажирского вагона приведены в табл. 13.2 и 13.3 соответственно [3]. Таблица 13.2 СредниенаибольшиезначенияПДКдлягрузовоговагона Коэффициент динамики Ускорение кузовам с2Оценка хода вагона Вертикальный Горизонтальный Вертикальное Горизонтальное Показатель плавности хода вверти- кальном иго- ризонтальном направлениях Коэффициент запаса устойчивости колеса против схода Отличный 0,2 0,08 0,2 0,1 1,2 >1,5 Хороший 0,35 0,15 0,35 0,15 2,5 >1,5 Удовлетворительный 0,45 0,25 0,45 0,3 4,0 >1,5 Допустимый 0,65 0,35 0,65 0,45 5,0 1,5 Непригоден для движения ≥ 0,7 ≥ 0,4 ≥ 0,7 ≥ 0,5 ≥ 6,0 1,2 102 Таблица 13.3 СредниенаибольшиезначенияПДКдляпассажирскоговагона Коэффициент динамики Ускорение кузовам с2Оценка хода вагона Вертикальный Горизонтальный Вертикальное Горизонтальное Показатель плавности хода вверти- кальном иго- ризонтальном направлениях Коэффициент запаса устойчивости колеса против схода Отличный 0,1 0,05 0,1 0,05 ≤ 1,0 2,0 Хороший 0,15 0,1 0,15 0,1 ≤ 2,0 2,0 Удовлетворительный 0,2 0,15 0,2 0,15 ≤ 3,25 2,0 Допустимый 0,35 0,25 0,35 0,3 ≤ 4,0 2,0 Непригоден для движения 0,7 0,4 0,7 0,5 ≤ 5,0 1,2 Для показателей виброзащитных свойств ПС железных дорог должны выполняться следующие условия [ ] q q ≤ max , [ ] q q ≤ max , [ ] Д Д Κ ≤ Κ max , [ ] КП КП Κ ≤ Κ max При невыполнении этих условий ПС нельзя эксплуатировать или необходимо соответственно ограничить максимальную скорость его движения. 13.3. Показателибезопасностидвижения Показатели безопасности движения определяют условия нормального направления колес рельсовой колеей, отсутствие поперечных остаточных деформаций (сдвижки) пути, запасы прочности рельсов и деталей ходовых частей. К этим показателям относятся • устойчивость колеса против схода с рельсов • устойчивость пути против сдвига в плане • устойчивость пути по ширине колеи • поперечная устойчивость экипажа от опрокидывания в кривой • прочность рельсов и ходовых частей и т. д. Рассмотрим основные показатели. Устойчивостьколесапротивсходасрельсов. Передние колеса тележек ПС при движении по прямым или кривым участкам пути набегают своими гребнями (риса) на боковые грани головок рельсов. Угол набегания в крутых кривых может достигать 0,01 ради более. Место контакта гребня с головкой рельса находится впереди вертикали, проходящей через центр оси, величина предварениякасания β ⋅ α = ε tg tg r k (где k r – радиус колеса, соответствующий точке контакта колеса и рельса β – угол наклона образующей гребня бандажа на риса л Л N T л N н Y Л П П П H П Л П П H П П N T N П a б к н Y H H v А к V к w А вид T v T V г N н Y H к П Рис. 13.1. К определению запаса устойчивости колеса против схода с рельсов а – набегание передних колес своими гребнями на боковые грани головок рельсов б – сила давления гребня В точке контакта колеса и рельса возникает нормальная сила реакции рельса на давление гребня (сила давления гребня) г (рис. 13.1, б. Ее вертикальная составляющая V стремится вынудить вращающееся колесо перемещаться вверх по боковой поверхности рельса, а горизонтальная составляющая н (направляющаясила) направляет экипаж в рельсовой колее, причем н, н Y ctg V β = Под действием силы л П левое колесо стремится соскользнуть вниз, однако этому препятствует сила трения N T µ = (здесь µ – коэффициент трения. Составляющие силы трения определяются по формулам 1 sin sin sin н н (13.7) 1 cos cos cos sin н н H T N Y ctg Y β µ β µ β µ β β = = = = (13.8) 104 Кроме направляющей силы Н, приложенной к гребню колеса, на колесную пару действует еще реакция рамы р – рамнаясила. Горизонтальную реакцию колеса на рельс называют боковойсилой б (сила, приложенная к боковой грани головки рельса. Согласно риса при набегании левого колеса на рельс н Н Y Y н Б − = ; Б (13.9) Подставим выражение (13.8) в формулу, связывающую боковую и направляющую силы ( ) β µ − = β µ − = − = ctg Y Y ctg Y Н Y Y н н н н б 1 , (13.10) отсюда н б tg Y Y tg β = β − µ (13.11) Подставим полученное выражение для Н Y в формулы для сил v T и V ; б v Y tg tg T µ − β β µ = 1 б б Y Y tg tg β = β = β − µ β − µ (13.12) Очевидно, что колесо не будет подниматься вверх по рельсу, если сумма сил V T v + меньше П . В связи с этим вводят коэффициент запаса устойчивости колеса против схода с рельсов [ ] ук бук к Y П tg tg V Т П к ≥ ⋅ + β µ µ − β = + = 1 (13.13) Допустимое значение коэффициента принимается [ ] ук к = 1,4–1,5. Вкатывание гребня колеса на рельс может произойти только при положительном угле набегания α колесной пары. Этот процесс заключается в следующем. При качении колеса по рельсу мгновенный центр скоростей располагается в точке контакта колеса и рельса. Гребень колеса, набегая на рельс точкой к (см. рис. 13.1), скользит по нему, воспринимая нормальную реакцию г со стороны рельса и силу трения T , противоположную скорости скольжения. Вертикальные составляющие этих сил V и Т разгружают поверхности катания колеса и рельса и уменьшают сцепление между ними. При некоторой боковой силе б поверхности катания колеса и рельса разгружаются, и сцепление переходит в точку к , которая становится мгновенным центром скоростей. В результате колесо начинает катиться поверхностью гребня по кромке рельса, не соскальзывая вниз, и если угол набегания остается положительным, а изменение сил, действующих на колесо, не вызовет нарушения сцепления в новой точке контакта, то такое качение приведет к вкатыванию гребня колеса на поверхность рельса и последующему сходу колесной пары. Как видно из формулы (13.13), поднятие колеса зависит от величины силы б, вертикальной нагрузки и параметров бандажа β и коэффициента трения µ . Рассмотрим характер зависимости допустимой величины силы б при различных параметрах поверхности катания колеса, приняв вертикальную нагрузку на колесо П = 115 кН и допустимое значение коэффициента к ук = 1,45 (рис. 13.2). Как видно из графика, допустимая боковая сила существенно зависит от указанных параметров она увеличивается увеличивается запас устойчивости) с уменьшением коэффициента трения µ и с увеличением угла β . Так, для стандартного нового колеса с углом наклона гребня – β = 70° и µ = 0,2 (сталь по стали, если принять к ук = 1,45, то 41 , 1 45 , 1 65 , 1 П П Y б = = Для принятой нагрузки П = = 115 кН допустимое значение боковой силы составит б = 1,14 ⋅ 1,15 = 130 Кн. Таким образом, наибольшая допустимая боковая сила по условию обеспечения устойчивости колеса против схода с рельса б = 130 кН при П = 230кН. Соответствующее этому значение рамной силы определяется р = б – П = 130 – 0,2 ⋅ 115 = 107 кН. Действующая боковая сила б определяется из расчета динамической модели ПС, и как показывают исследования, она существенно зависит от радиуса кривого участка пути и продольной сжимающей силы в поезде при торможении. Поэтому понижение продольной нагруженности ПС является наиболее радикальными перспективным направлением повышения устойчивости против схода с рельсов. Рис. 13.2. Зависимость допустимой силы бот угла β и коэффициента трения µ 106 Устойчивостьпутипротивсдвигавплане (поперечнаяустойчи- востьпути). Возникающие при движении ПС рамные силы P Y являются внешними по отношению к пути силами, стремящимися сдвинуть путь рельсы и шпалы, что может также приводить к сходу ПС с рельсов. Сопротивление пути П сдвигу в плане (риса) определяется двумя факторами сопротивлением балласта б, передаваемым на торец шпалы, и трением подошвы шпалы о балласт 2 1 µ П Рис. 13.3. К определению запаса устойчивости пути против сдвига в плане а – схема для определения сопротивления сдвигу пути б – зависимость сопротивления пути сдвигу от нагрузки на ось Поскольку сила трения зависит от нагрузки на ось, сопротивление П R также зависит от нее (рис. 13.3, б 2 1 µ + = П R R б П (13.14) Коэффициент запаса устойчивости пути против сдвига в плане представляет собой отношение удерживающих сил (силы трения подошвы шпал о балласт 1 Пи силы сопротивления балласта б) и сдвигающих рамные силы Р. Эксперименты показывают, что сдвиг пути может наступить, если рамная сила Р превышает 40 % осевой нагрузки П. В отечественной практике принято оценивать устойчивость пути против сдвига в плане следующим соотношением [ ]. 2 Р сд сд Y к к П = ≤ (13.15) Допустимое значение коэффициента принимается к сд ] = 0,4–0,7. 107 Если принять П = 230 кН, то допустимая рамная сила Р = 92–161 кН или в среднем 126,5 кН. Соответствующая этому боковая сила Р = = 115–184 кН или в среднем 149,5 кН. Наименьшие значения этих сил ограничивают боковое нажатие подвижного состава на рельс при нестаби- лизированном балластном слое после выправки пути [Y бм ] = 115 кН и [Y рм ] = 92 кН. Средние значения этих сил б = 149,5 кН и р = 126,5 кН ограничивают боковое нажатие при нормальном состоянии балластного слоя. Условие устойчивости пути против сдвига в плане записывается как ] [ рм P Y Y ≤ или ] [ бм б (13.16) Величина допустимой боковой силы по условиям обеспечения устойчивости пути от сдвига в плане ] [ бм Y = 115 кН меньше, чем допустимая боковая сила по условию обеспечения устойчивости колеса против схода с рельса, равная 130 кН. Следовательно, сначала произойдет сдвиг пути в плане, поэтому рассматриваемый критерий, как правило, налагает более жесткое ограничение на поперечные силы. Устойчивостьпутипоширинеколеи. Этот показатель характеризует качество крепления рельса к шпале. Невыполнение этого условия вызывает отрыв рельса от шпалы и, как следствие, уширение (расшивку) рельсовой колеи. Условие устойчивости записывается в виде ш ш, (13.17) где ш – допустимое боковое давление рельса на шпалы, равное 40–45 кН. Поперечнаяустойчивостьэкипажаотопрокидываниявкривой. Для описания явлений, возникающих при движении ПС в кривой радиусом со скоростью V , удобно пользоваться понятием центробежной силы, действующей на все элементы ПС. Эта сила для кузова ПС рис. 13.4) определяется как к, (13.18) где m – масса кузова. Для компенсации этой силы наружный рельс в кривой уклады- к h h α S 2 к C mg α sin mg α cos C к опр M α cos mg b α sin C к в ω а вос M Рис. 13.4. Силы, действующие на кузов ПС при движении в кривой 108 вают выше внутреннего на величину h , которую называют возвышением рис. 13.4). Максимальная величина возвышения наружного рельса для железных дорог России составляет 150 мм и ее целесообразно выбирать так, чтобы горизонтальные проекции центробежной силы к и веса α sin mg , направленные параллельно плоскости пути, были одинаковы. Для кузова электровоза это условие имеет вид α = α sin к (13.19) где α – угол возвышения. В этом случае центробежная сила полностью компенсирована возвышением наружного рельса, такое условие возможно лишь при определенной (равновесной) скорости движения в кривой. При превышении скорости движения и действия ветровой нагрузки в опрокидывание экипажа может произойти наружу кривой относительно наружного рельса (точка a на рис. 13.4). Коэффициент запаса от опрокидывания в кривой определяется отношением восстанавливающего вос М и опрокидывающего опр М моментов относительно точки a : sin cos sin [ ]. cos воск коп оп опр к к в М mg h mg S C S к к М C h b α α α α ω + + = = ≥ + (13.20) Допустимое значение коэффициента принимается оп к. Показателиплавностихода Как уже указывалось ранее, кузов локомотива при движении совершает сложные пространственные вертикальные и горизонтальные поперечные и продольные перемещения, зависящие во многом от случайных неровностей пути, параметров конструкции рессорного подвешивания и скорости движения поезда. Такие колебания оказывают вредные влияния на локомотивную бригаду и пассажиров (утомление) и нарушают комфорт их поездки (так называемый показатель плавности хода. Под плавностьюходаобычно понимают способность системы рессорного подвешивания экипажа поддерживать колебания в диапазоне, соответствующем условиям человеческого комфорта ив диапазоне, необходимом для обеспечения условий, при которых грузу не будет причинен вред. Плавность хода экипажа зависит от перемещения, ускорения, скорости изменения ускорения и других факторов, таких как шум, запыленность, влажность и температура. Плавность хода экипажа оценивается в переходных, квазиустановившихся и установившихся режимах движения. В переходных режимах движения, таких как трогание, торможение, входи выход из кривой, плавность хода оценивают по величине третьей производной обобщенной координаты. Неприятные ощущения у человека возникают при изменении силы во времени, те Таким образом, изменение ускорения во времени характеризует воздействие на человека. Допустимое значение третьей производной = 3 3 dt q d 0,7–1 м/с 3 Здесь большее значение относится к режимам трогания и торможения, меньшее – к режимам входа и выхода из кривой. В квазиустановившемся режиме движения локомотива в кривой постоянного радиуса R со скоростью V могут возникать неприятные ощущения у людей, вызванные центростремительным ускорением R V a цс 2 = Для описания этих явлений воспользуемся рис. 13.4. Как указывалось выше, для описания явлений, возникающих при движении в кривой, удобно пользоваться понятием центробежной силы к формула (13.19)]. Возвышение наружного рельса предназначено для компенсации силы к только на одной скорости движения, в этом случае должно выполняться условие (13.20). Так как скорость экипажа может быть различна, то некоторая часть центробежной силы остается неуравновешенной или горизонтальные проекции центробежной силы α cos к и веса α sin mg , направленные параллельно плоскости путине равны (см. рис. 13.4). Неуравновешенная центробежная сила определяется как α − α = sin к кн, (13.21) или с учетом малости угла возвышения α и формулы (13.19) к кн 2 , (13.22) где S 2 – расстояние между опорными точками колес. Множитель, стоящий в скобках в этом выражении, представляет собой непогашенноеускорение (часть ускорения, которое не скомпенсировало возвышение наружного рельса) 110 н 2 − = (13.23) Допустимым считается непогашенное ускорение [ нм с. В других странах нормируемое значение этого ускорения установлено, например в Японии, Италии равным 0,8 мс, во Франции – 1 мс, в ФРГ – 0,85 м/с 2 Подставляя значения [ н в формулу (13.23), можно найти допустимую скорость движения в кривой [ н 6 , 3 (13.24) Непогашенное ускорение н может быть направлено наружу кривой имеет знак плюс, если первый член в формуле (13.23) больше второго, и наоборот, направлено внутрь кривой (имеет знак минус. Пример. Определим максимальную и минимальную скорости движения в кривой для условия [ нм си нм с. Подставляя в формулу (13.24) S 2 = 1,6 ми мм, получим 7 , 1 ; 6 , 4 min max R V R V = = (13.25) При движении в кривой радиусом R = 300 м скорость max V = 80 км/ч, а min V = 30 км/ч. Таким образом, для соблюдения показателя плавности хода в квазиустановившемся режиме в кривой экипаж должен двигаться со скоростью не выше максимальной и не ниже минимальной. В установившемсярежиме движения плавность хода оценивают, используя метод немецкого инженера Е. Шперлинга. В основе метода лежат результаты опытов при воздействии на людей синусоидальных вертикальных и горизонтальных колебаний различной частоты и с различными амплитудами ускорений. Эти опыты проводились с помощью специальной виброплатформы. Под воздействием вибраций в организме человека возникают физиологические изменения, которые с увеличением времени действия вибраций накапливаются и характеризуют утомляемость человека. На основании исследований Е. Шперлинг пришел к важному выводу, что неприятные ощущения при воздействии колебаний на людей непосредственно связаны и зависят от показателя, представляющего собой произведение двух величин первая из этих величин – наибольшаяэнер |