Бьрачч. 1. Конспект лекций, ч.1-Трофимович В.В.- ОМПС 2018. В. В. Трофимович основымеханики подвижногосостава
 Скачать 3.4 Mb.
|
|
2.2. Динамическиехарактеристикиподвижногосостава С точки зрения механики ПС представляет собой систему из физических тел и связей между ними. Части ПС, отделенные от ходовых частей упругими элементами (кузов, рамы тележек с буксовым подвешиванием, надрессорные балки, называют подрессоренными, а находящиеся ниже упругих элементов (КП, буксы и др) – неподрессоренными, жестко взаимодействующие с рельсами. Неподрессоренные части ПС упругие, но ввиду их относительно большой жесткости в расчетах они считаются абсолютно твердыми. Твердые тела (кузов, рама тележки, КП) характеризуются массой, ко- ординатамицентратяжести , осевымиицентробежнымимомента- миинерции Моментинерции – это физическая величина, мера инертности во вращательном движении вокруг оси, подобно тому, как масса тела является мерой его инертности в поступательном движении. Характеризуется распределением масс в теле момент инерции равен сумме произведений элементарных масс на квадрат их расстояний до базового множества точки, прямой или плоскости. Единица измерения в Международной системе единиц (СИ кг·м². Отдельные тела, составляющие экипаж, объединены в единую механическую систему с помощью различных элементов соединений (связей жестких, упругих и диссипативных. РП включает упругие и диссипативные элементы. Рассмотрим элементы связей. Связи осуществляют передачу вертикальных, горизонтальных поперечных и горизонтальных продольных статических и динамических сил между кузовом и тележками, тележками и КП. Жесткие элементы не допускают относительных перемещений между телами водном или нескольких направлениях. Понятие жесткого элемента является условным, так как любые элементы обладают той или иной податливостью. Поэтому жестким элементом считается элемент, податливость которого практически не изменяет существенных свойств системы (соединения между осью КП и колесами, между балками рамы тележки. 2.Упругиеэлементы (рис. 2.1) (пружины) передают силовые воздействия между отдельными элементами, уменьшают их относительное перемещение, не изменяя при этом число степеней свободы. Упругие связи подразделяются на линейные, кусочно-линейные и нелинейные. Основная характеристика упругой связи (пружины) – жесткостьЖ . В упругих элементахвозникает сила упругости у, которая зависит от относительных перемещений ∆ (деформаций) и определяется выражением ∆ − = Ж F у (2.1) Диссипативными (демпфирующими) называют элементы, деформация которых сопровождается рассеянием (диссипацией) энергии, обусловленным действием сил поверхностного или внутреннего трения (гидравлические и фрикционные гасители. Диссипация – это рассеяние энергии. Гидродемпферы служат для снижения амплитуд колебания ПС при скоростях движения, близких к резонансной, и ограничения их при резонансе. Принципиально работу гидродемпфера, можно проследить по схеме рис. 2.2. Демпфер состоит из наполненного вязкой жидкостью цилиндра, в котором движется поршень, снабженный отверстиями. Поршень штоком соединен с массой, которая подвешена на пружине. Cжатие Растяжение Рис. 2.2. Принцип действия гидравлического гасителя колебаний Рис. 2.1. Упругий элемент – пружина 16 В случае возбуждения вертикальных колебаний тела поршень будет перемещаться вдоль образующих цилиндра, при этом жидкость будет перекачиваться через отверстия. Сопротивление движению поршня (вязкое трение) пропорционально скорости его перемещения. В диссипативных (гидравлических) элементах сила диссипации д F зависит от относительной скорости деформации ∆ элемента соединения. Для элементов с вязким трением (гидравлические гасители) сила д определяется г д) где β – коэффициент вязкого трения (сопротивления или диссипации) гидравлического гасителя колебаний. Физическийсмыслкоэффициен- та β – это сила, которую необходимо приложить к поршню гидравлического гасителя для его перемещения со скоростью 1 мс, поэтому размерность кНс/м. Коэффициент диссипации зависит от многих факторов, в частности от площади поршня, коэффициента вязкости жидкости, длины, диаметра и числа отверстий. При выбранных конструкционных параметрах величина коэффициента диссипации постоянна. Поэтому для каждой конкретной конструкции гидродемпфера изменение силы сопротивления его перемещению зависит только от изменения скорости его перемещения. С ростом частоты колебаний увеличивается скорость перемещения поршня и сила сопротивления гасителя. При высокочастотных колебаниях скорость ∆ становится высокой, и силы д могут оказаться столь значительными, что вызовут нарушение прочности элементов гасителя. Из-за этого гидравлические гасители чаще всего применяют для гашения низкочастотных колебаний. Для ограничения сил д в гасителях последовательно включают дополнительный упругий элемент (резиновые втулки. Вдиссипативных (фрикционных) элементах (рис. 2.3) сила сопротивления колебаниям создается за счет трения каких-либо элементов гасителя. Примером таких гасителей служат листовая рессора, клиновая система тележки грузового вагона. Такого типа гасители могут создавать постоянную, или переменную величину сил трения, зависящую от величины или направления перемещения. У фрикционных гасителей сила трения всегда направлена в сторону, обратную скорости перемещения. Таким образом, если сила 17 трения равна тр F , то сопротивление гасителя ф д тр F F sign = − ∆ , где ∆ - величина скорости перемещения, a sign – обозначение знака Рис. 2.3. Фрикционный гаситель колебаний (рессора) Если скорость положительна, то sign ∆ =+1, и наоборот, если скорость отрицательна, то sign ∆ =-1. Таким образом, при положительном направлении скорости перемещения ф д тр F F = − , а при отрицательном ф д тр F F = +Фрикционные гасители могут создавать силу сопротивления колебаниям постоянной величины вне зависимости оттого, в каком направлении происходят перемещения (например, вверх или вниз. Примером такого типа гасителей являются дисковые фрикционные гасители, применяемые в моторвагонном подвижном составе. Имеются гасители, которые создают некоторую постоянную величину сопротивления при движении водном направлении и также постоянную, но другую величину при движении в другом направлении. Наиболее распространены гасители спеременными силами сопротивления, у которых сила трения пропорциональна перемещениям. К таким гасителям относятся клиновая система в рессорном подвешивании грузовых двухосных тележек ЦНИИ-ХЗ, гасители в трехосных тележках УВЗ- 9м, листовая рессора (у последней трение возникает между листами и тем больше, чем больше сжата рессора. В механической части ПС большое распространение получило РП на основе упругодиссипативных элементов, силы в которых слагаются из упругой и диссипативных составляющих. Они подразделяются • на упругофрикционные – элементы реализуют, включая параллельно или последовательно – параллельно пружины и фрикционные гасители колебаний (рессоры с сухим трением. Это системы, в которых упругость обеспечивается винтовыми пружинами и упругой составляющей рессоры, а неупругое сопротивление создается за счет трения либо в клиновой системе, либо между листами рессоры 18 • упруговязкие– также содержат параллельно и последовательно включенные упругие (пружины) и диссипативные элементы (гидравлические гасители. Характеристиками упругоизолированного гасителя обладают и пневматические гасители колебаний, рабочим телом в которых является воздух (пневморессоры). КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какие основные задачи науки динамики ПС 2. Почему колебания ПС считают вредным явлением 3. Что характеризует момент инерции твердого тела 4. Какая связь называется жесткой 5. Что такое упругая связь и какая у нее главная характеристика 6. Отчего зависит сила упругости в упругой связи 7. Что такое диссипация 8. Какие имеются типы гасителей колебаний 9. На чем основан принцип работы гидравлического гасителя колебаний 10. Отчего зависит сила диссипации в гидравлическом гасителе 11. Что такое коэффициент вязкого трения, каков его физический смысл 12. От каких факторов зависит значение коэффициента вязкого трения гасителя 13. На чем основан принцип работы фрикционного гасителя колебаний Рекомендуемаялитература: [1, 2]. 3. КОЛЕБАНИЯИВОЗМУЩЕНИЯПОДВИЖНОГОСОСТАВА 3.1. Видыколебанийподвижногосостава Свободное твердое тело в пространстве, на которое не наложены связи, имеет шесть степеней свободы. Поэтому наряду с поступательным движением ПС вдоль пути нужно рассматривать перемещение его кузова и тележек вследствие колебаний. При расчете колебаний ПС вводятся системы координат (СК): 1) основная или условно неподвижная СК – xyz (связанная с землей 2) подвижная (инерциальная) СК – 0 x 0 y 0 z с центром Она оси пути, движущаяся поступательно со скоростью ПС 3) СК, связанная с центром масс тела (кузова ПС) 1 x 1 y 1 z , – неподвижная по отношению к инерциальной системе координат 0 x 0 y 0 z 19 Любые твердые тела ПС (кузов, тележки и т.д.) будут совершать сложные движения. 1. Движение, совершаемое телом по отношению к подвижной СК ( 0 x 0 y 0 z ), называется относительнымдвижением (такое движение будет видеть наблюдатель, связанный с этими осями и перемещающийся вместе сними. Движение, совершаемое подвижной СК по отношению к неподвижной системе xyz , является для телапереноснымдвижением. Движение, совершаемое телом по отношению к неподвижной СК xyz , называется абсолютнымили сложным. Рис. 3.1. Системы координатных осей и виды колебаний При колебаниях координаты, определяющие положения отдельных тел экипажа (кузов, тележки и т.д.), относят к системе координат 0 x , 0 y , инерционная система, рис. 3.1). Колебания тел называют (поступательные • вдоль оси 0 z – подпрыгивание • вдоль оси 0 y – боковой относ y; • вдоль оси 0 x – подергивание. Повороты тела определяют по отношению к системе координат 1 x , 1 y , 1 z . Углы поворота характеризуют угловые колебания (вращательные • x ϕ – боковая (поперечная) качка • y ϕ – галопирование (продольнаякачка); 20 • z ϕ – виляние. Все 6 видов колебаний взаимно связаны. Однако, как показывает опыт, их можно рассматривать раздельно. Поэтому при изучении колебаний ПС их принято разделять на 3 группы • вертикальные – по координатами у • продольные по координате x ; • поперечные (боковые) – по координатами. Каждое из 6 видов колебаний принято складывать из свободных ивы- нужденных. Вынужденные колебания бывают установившимися и неустановившимися. Установившиеся колебания являются условным видом при условии движения экипажа с постоянной скоростью по прямым участкам пути, без переломов профиля. Неустановившиеся колебаниявозникают в переходных режимах движения) проход одиночной неровности пути 2) вход в кривую и выход из кривой 3) трогание и разгон, изменение скорости движения 4) переход переломов профиля. Диссипативные характеристики ПС таковы, что свободные колебания быстро затухают. Поэтому при определении ПДК рассматривают в основном установившийся режим вынужденных колебаний. 3.2. Основныеэлементыверхнегостроенияпути Рельсы. Рельсы непосредственно воспринимают нагрузку от ПС, передают ее на лежащие ниже элементы и направляют движение колес. В рельсах различают три основные части головку, шейку и подошву. Верхнюю поверхность головки рельса делают выпуклой, благодаря этому достигается лучшее центрирование нагрузок по вертикальной оси рельса. Головка рельса гладкая, поэтому сопротивление движению ПС сравнительно невелико. В зависимости от массы и поперечного профиля рельсы подразделяют на типы Р, Р и Р. Буква Р означает рельса число – округленное значение массы, кг, одного погонного метра рельса. Шпалыипромежуточныескрепления. Шпалы служат для восприятия давления от рельсов и передачи его на балластный слой. Кроме того, 21 шпалы предназначены для крепления к ним рельсов и обеспечения постоянства ширины колеи. Необходимо, чтобы шпалы были упругими, прочными и дешевыми, а также обладали достаточно высоким электрическим сопротивлением. Материалом для шпал служат дерево, железобетон и металл. Достоинством деревянных шпал являются легкость, упругость, простота изготовления, удобство крепления рельсов, высокое сопротивление протеканию тока в рельсовых цепях. Недостаток таких шпал – небольшой срок службы и значительный расход древесины. Для продления срока службы деревянные шпалы пропитываются масляными антисептиками. Достоинством железобетонных шпал являются долговечность (до 50 лет, обеспечение высокой устойчивости пути и плавности хода поездов, что обусловлено одинаковыми размерами и равной упругостью шпал. Кроме этого, при производстве железобетонных шпал не используется древесина, которая может быть применена в других отраслях народного хозяйства. Недостатком железобетонных шпал является большая масса, наличие электропроводности, высокая жесткость и сложность крепления рельсов к ним. Для повышения упругости под рельсы укладывают амортизирующие прокладки. Во избежание утечки электрического тока применяют рельсовые скрепления специальной конструкции с электроизоляционными деталями. Балластныйслой. Для сохранения первоначального расположения шпал в процессе эксплуатации и для снижения напряжений на основной площадке земляного полотна и предохранения ее от появления остаточных деформаций предназначен балластный слой. Основным назначением балластного слоя является – восприятие давления от шпал и равномерное распределение его по основной площадке земляного полотна – обеспечение устойчивости шпал, находящихся под воздействием вертикальных и горизонтальных сил, упругости подрельсового основания и возможности выправления рельсошпальной решетки в плане и профиле – отвод поверхностных вод от рельсошпальной решетки. Основнаяплощадказемляногополотна. Земляное полотно делается в большинстве случаев из местного грунта, прочность которого резко снижается при увлажнении. Поэтому основную площадку земляного полотна, на которую укладывается верхнее строение пути, тщательно выравнивают, делают поперечные скаты для облегчения стока воды, просачивающейся сквозь балластный слой. Бесстыковойпуть. В настоящее время на железных дорогах широкое распространение получил бесстыковой путь. Рельсовые звенья сваривают в 22 плети длиной 800 м. Между смежными плетями укладывают уравнительный пролет 2–4 пары уравнительных рельсов длиной 12,5 м для сезонного регулирования длины плетей перед летними и зимними периодами. Преимуществом бесстыкового пути является устранение стыков, благодаря чему уменьшается динамическое воздействие на путь, снижается износ колес ПС и сопротивление движению поездов, из-за чего снижается расход топлива и электроэнергии на обеспечение тяги поездов, кроме этого экономится дот металла на каждый километр пути, снижаются расходы на его содержание и ремонт. Срок службы рельсов бесстыкового пути возрастает примерно на 20 % по сравнению со стыковым, деревянных шпал – на 8–13 %, балласта доочистки на 25 %, а затраты труда нате- кущее содержание пути снижаются на 10–30 %. Основная особенность бесстыкового пути состоит в том, что длина хорошо закрепленных рельсовых плетей при повышении или понижении температуры не может изменяться. Из-за температурных напряжений может произойти выброс пути в сторону в жаркую погоду или излом плети в сильный мороз. Поэтому бесстыковой путь укладывают на железобетонных шпалах с раздельным скреплением и щебеночном балласте, при этом балластную призму тщательно уплотняют. 3.3. Динамическиехарактеристикижелезнодорожногопути Железнодорожный путь как часть механической системы ПС – путь описывается совокупностью характеристик, которые можно разделить на две группы 1) характеристики, определяющие реакцию путина динамическое воздействие колеса 2) характеристики, определяемые остаточными деформациями, накопившимися в пути под воздействием ПС. В ВСП, под воздействием колес ПС возникают силыупругости, инерции и трения (диссипации. Упругая составляющая динамической реакции пути нелинейно зависит от просадки рельса. С увеличением просадки путь становится более жестким. Основной характеристикой пути является жесткость. Различают вертикальную, горизонтальную поперечную (боковую) и горизонтальную продольную жесткость. Под жесткостью понимается отношение приложенной к головке рельса соответствующей силы (вертикальная, горизонтальная) к возникающему в точке приложения силы прогибу в вертикальной или поперечной горизонтальной плоскости. Различают вертикальную жесткость статическуюидинамическую. Боковая жесткость рельсов возрастает с увеличением жесткости прокладок между рельсом и подкладкой, подкладкой и шпалой, боковой жесткости упора подошвы рельса в скреплениях, от вертикальной нагрузки рельсов на шпалы. Горизонтальнаяпродольная жесткость пути оценивается модулем упругости пути при продольных деформациях рельса по его основанию, под которым понимается равномерно распределенная сила, которую необходимо приложить к единице длины основания рельса при его упругом продольном перемещении на единицу длины размерность МПа. Вертикальная жесткость пути с рельсами летом равна 40–50 МН/м при деревянных шпалах и 100–120 МН/м при железобетонных шпалах горизонтальная жесткость равна 20 МН/м при деревянных шпалах и раздельном скреплении рельсов и 25 МН/м при железобетонных шпалах и раздельном скреплении рельсов. Зимой вертикальная жесткость пути в 2,0–2,5 раза выше, чем летом, при деревянных шпалах ив раза при железобетонных шпалах. Горизонтальная жесткость пути зимой враз выше, чем летом, при деревянных и железобетонных шпалах. Горизонтальная продольная жесткость пути равна 14,2–15 МПа при щебеночном балласте и эпюре шпал 1840 шт./км и 4,8–5,5 МПа при песчаном балласте и эпюре шпал 1840 шт./км. Приведеннаямассапути – это условная величина, которая представляет собой коэффициент пропорциональности в расчетных уравнениях, связывающих скорость удара колеса по рельсу с максимальной силой соударения. В большинстве случаев для приближенных расчетов принимается, что просадка рельса прямо пропорциональна динамическому давлению колеса. Путь является неравноупругим и по длине, особенно в зоне стыков. Диссипативные силы в пути также изменяются по длине рельса. Эти изменения носят случайный характер. Они зависят от конструкции пути, системы и качества ремонта пути, времени года. Переменность свойств пути по его длине практически эквивалентна некоторой случайнойгеометрическойнеровности э э, которая приближенно учитывает все причины, вызывающие появления колебаний ПС. Эквивалентная геометрическая неровность учитывает повторяемость стыка через длину рельса, волнообразный износ рельсов (периодические неровности разной длины, эксцентриситет колеса и овальность. 24 Динамические свойства пути описывают с помощью моделей, которые учитывают его упругие, диссипативные и инерционные свойства. Используются две модели пути. 1. Дискретнаямодель– путь представляется в виде сосредоточенной массы п, приведенной к точке контакта колеса и рельса, пружины жесткостью п ж , гидравлического гасителя с коэффициентом затухания п (рис. 3.2). При выполнении расчетов по этой модели можно принимать значения параметров пути в следующих диапазонах п т 85 п ж МН/м; 8 , 0 п МНс/м. 2. Континуальная модель путь как система с распределенными по его длине параметрами (балка на упруго вязком винк- леровском основании, те. основании, в котором прогиб появляется только в точке приложения силы, рис. 3.3). Все составляющие реакции путина динамическое воздействие колес в значительной степени зависят от конструкции верхнего строения пути. Под воздействием колес проходящих поездов в ВСП непрерывно накапливаются остаточные деформации. Интенсивность их накопления различна в разных точках пути. Поэтому постепенно головки рельсов отклоняются от нормального положения, возникают различного рода неровности на пути, двигаясь по которым, колеса начинают колебаться. В результате и давление рессор на кузов ПС становится переменным, что в свою очередь вызывает колебания кузова. Следовательно, неровностирельсов как следствие непостоянной по длине жесткости ВСП и неравномерного по длине накопления в нем остаточных деформаций – одна из основныхпричинколебанийПС и связанного с ним в единую механическую систему ВСП. |