Бьрачч. 1. Конспект лекций, ч.1-Трофимович В.В.- ОМПС 2018. В. В. Трофимович основымеханики подвижногосостава
 Скачать 3.4 Mb.
|
|
Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Дальневосточный государственный университет путей сообщения Кафедра Локомотивы В.В. Трофимович ОСНОВЫМЕХАНИКИ ПОДВИЖНОГОСОСТАВА В 2 частях Часть 1 Рекомендовано методическим советом по качеству образовательной деятельности ДВГУПС в качестве учебного пособия Хабаровск Издательство ДВГУПС 2018 2 УДК 629.4.015(075.8) ББК О я Т 76 Рецензенты Кафедра Электрическая тяга Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I заведующий кафедрой кандидат технических наук, доцент А.М. Евстафьев) Заместитель начальника Дальневосточной дирекции тяги по деповскому хозяйству А.Б. Горовой Т 76 Трофимович, В.В. Основы механики подвижного состава : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1 / В.В. Трофимович. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2018. – 116 сил. Учебное пособие соответствует рабочей программе дисциплины Основы механики подвижного состава. Содержит основные сведения о видах колебаний и возмущениях, вызывающих колебания подвижного состава. Рассмотрена методика составления динамических моделей, выбора схем и параметров механической части подвижного состава. Приведены показатели динамических качеств механической части. Даны рекомендации по составлению уравнений, описывающих колебания подвижного состава, и их решениию при помощи системы математического программирования Maple. Предназначено для студентов го, го курсов всех форм обучения по специальности 23.05.03 Подвижной состав железных дорог. УДК 629.4.015(075.8) ББК О я © ДВГУПС, 2018 3 ВВЕДЕНИЕ При движении поезда, как известно, возникают колебания локомотива и каждого отдельного вагона, а также взаимные перемещения вагонов в поезде. При этом в каждом вагоне (локомотиве) различные его элементы совершают взаимные перемещения и колебания. При этих колебаниях и перемещениях возникают силы инерции, а элементы подвижного состава ПС) и поезд испытывают значительные динамические силы. В дисциплине Основы механики подвижного состава изучаются динамические явления, возникающие в ПС и рельсовом пути при движении ПС, а также при его взаимодействии с окружающей средой. Изучение этих явлений необходимо для правильного выбора схемы и параметров оборудования ПС, в частности виброзащитных устройств (рессорное подвешивание, горизонтальные, продольные и поперечные связи колесных пар с рамой тележки и тележки с кузовом, подвешивание тягового двигателя, тягового редуктора и т. да также для снижения динамических сил, действующих на несущие элементы механической части и железнодорожный путь, на оборудование ПС и находящихся в нем людей. В связи с изменением в эксплуатации параметров определенных элементов механической части ПС из-за старения и износа важное значение имеет обеспечение требуемого уровня виброзащиты ПС. Это необходимо для уменьшения объемов ремонта ПС и обеспечения безопасности его движения. Поэтому для инженера-механика знание динамики ПС является одной из главнейших основ его специальности. Все затраты труда на наиболее полное и правильное решение проектных и эксплуатационных проблем, связанных с динамикой ПС, окупаются повышением безопасности движения, надежности эксплуатации ПС и пути, комфорта пассажиров и сохранности грузов, а также экономией в постройке и эксплуатации ПС и пути. Целью дисциплины Основы механики подвижного состава является изучение – способов математического описания динамических явлений, возникающих в элементах ПС и пути, и методов их расчета – способов оценки показателей динамических качеств (ПДК) механической части ПС, характеризующих степень защиты от вибраций, а также безопасность движения ПС по пути – методов выбора схемы и параметров механической части ПС. Приступая к освоению настоящей дисциплины, студент должен хорошо владеть методами описания статики и динамики механических систем, 4 изучаемых ранее в курсе Теоретическая механика, а также способами решения дифференциальных уравнений, действиями над матрицами, излагаемыми в курсе Высшая математика. Кроме того, здесь используются сведения о конструкциях механической части ЭПС из курсов Электрические железные дороги и Механическая часть ЭПС». Изучив дисциплину, студент должен • знать – причины возникновения динамических явлений в элементах ПС, способы их описания – способы описания динамических явлений и методы составления дифференциальных уравнений колебаний, принципы построения динамических моделей – методы выбора схем и параметров механической части ПС на основе оценки ПДК • уметь – выбирать, строить и рассчитывать динамические модели ПС – определять ПДК механической части ПС – проводить анализ частотных и динамических свойств, оценку устойчивости движения ПС – оптимизировать конструкцию экипажной части ПС по динамическим критериям. Данное пособие служит этим целями дополняет имеющуюся техническую литературу по некоторым вопросам взаимодействия ПС и верхнего строения пути. Для более углубленного изучения в конце раздела представлен библиографический список литературных источников поданной тематике. Для закрепления изученного материала после каждого раздела имеется ряд контрольных вопросов. В целом пособие сохраняет преемственность в освещении ряда положений, разработанных в учебной и научной литературе таких известных ученых, как В.Б. Медель [5], СВ. Вершинский [3], М.Ф. Вериго [2], В.Д. Хусидов [3], АН. Савоськин [1], ИВ. Бирюков [1], Г.П. Бурчак [1], И.И. Галлиев [13], Мазнев АС. [12]. 5 1. ОБЩИЕСВЕДЕНИЯОМЕХАНИЧЕСКОЙЧАСТИ ПОДВИЖНОГОСОСТАВА 1.1. Особенностиколесно-рельсовогоподвижногосостава Тяговому транспортному средству (локомотиву) присуще выполнение двух важных функций функцияопирания – восприятие и передача веса на поверхность опи- рания; функцияприведениявдвижение – создание силы тяги, преодолевающей сопротивление движению. Эти функции реализуются при помощи опорныхэлементови движителей – устройств, непосредственно преобразующих механическую энергию в работу по преодолению сопротивления движению. Существует множество разнообразных опорных элементов и движителей, однако на железнодорожном транспорте используется для обеих целей колесо, что в значительной мере определяет технические решения экипажной части подвижного состава. Известные опорные элементы можно подразделить натри вида полоз, шарнирно-рычажный механизм (нога, колесо. Первый при движении должен преодолевать силу трения скольжения в контакте с поверхностью опирания, во втором приходится преодолевать силу трения скольжения или качении в шарнирах, в третьем – трения качения в контакте с поверхностью опирания. Сточки зрения сопротивления движению полоз целесообразно применять только при очень низких коэффициентах трения пары полоз – поверхность опирания, колесо – при очень малых неровностях на поверхности опирания, те. при условии создания специальной дороги, пути. Техническое воплощение шарнирно-рычажных механизмов (ШРМ) в качестве опорного элемента транспортных средств пока не вышло из стадий экспериментов ввиду их исключительной сложности. Как известно, по выполнению функций опирания система колесо – рельс пока не имеет конкурентов. При использовании колеса сопротивление качению тем меньше, чем меньше контактная площадка наиболее низкие, экономически приемлемые сопротивления получаются при наличии металлических колеси рельсов с ровной поверхностью. Современные конструкции рельсового пути допускают нагрузки от одной колесной пары на рельсы до значений, превосходящих 300 кН, что дает возможность обеспечивать перевозку тяжелых грузов. 6 Широко распространенный колесный ПС на резиновых шинах имеет удельное сопротивление движению по бетонному шоссе примерно на порядок выше, чем при металлических колесе и рельсе. Это определяет преимущества железнодорожного транспорта по удельным затратам энергии на перевозки, что является решающим при выборе транспорта для массовых перевозок. Для выполнения второй основной функции тягового ПС – приведение в движение – оно оснащается тяговым приводом – комплексом устройств для преобразования некоторой энергии в работу по преодолению сопротивления движению исполнительным органом тягового привода является движитель – колесо. Однако, колесо обладает противоречиями. 1. Сила тяги реализуется с помощью трения вместе контакта колеса и рельса, поэтому она ограничена фрикционными свойствами соприкасающихся поверхностей. Чтобы увеличить силу трения, необходимо повысить силу прижатия колес к рельсам, те. увеличить массу локомотива. Это противоречит важнейшему требованию – снижению собственной массы локомотива. Повышение массы локомотива ведет к снижению полезной массы поезда, а также заставляет применять более тяжелые ходовые части локомотива, что ведет к росту его разрушающего воздействия на путь. Высокие напряжения в зоне контакта, имеющей ничтожную площадь, ведут к интенсивному износу рабочих поверхностей катания колеса и рельса. Эти напряжения можно снизить, увеличив диаметр колеса, но тогда еще больше возрастают массы элементов, непосредственно взаимодействующих с путем, что усугубляет их разрушающее воздействие. 2. Колесовынужденоотслеживатьвертикальныенеровностипу- ти , тем самым ему навязывается непрямолинейное движение в продольной по отношению к пути вертикальной плоскости, как результат – осложняются условия работы тягового привода (возникают большие паразитные динамические нагрузки. 3. Дополнительные трудности возникают и оттого, что в железнодорожном экипаже колесо выполняет еще одну функцию – поперечноеведение. Таким образом, система, использующая колесо в качестве и опорного элемента, и движителя, противоречива ее противоречия не могут быть полностью разрешены, и возможны лишь компромиссные решения. Сильные стороны системы колесо–рельс – это низкое сопротивление движению при высоких нагрузках на ось, которые обусловлены в основном выполнением колесом опорных функций, слабые стороны – ограничения силы тяги по сцеплению, необходимость повышения массы локомотива обусловлены функцией движителя. 7 Из этого следует, что, несмотря наряд принципиальных недостатков, присущих принятой для железнодорожного ПС системе, использующей колесо в качестве опорного элемента и движителя, ей в обозримом будущем нет альтернативы. Одновременно необходимо признать, что в силу противоречий, заложенных в системе колесо – рельс, создание тягового ПС с удовлетворительными тяговыми и динамическими свойствами, высокой надежностью и низким воздействием на путь, а также обеспечение его устойчивой работы в эксплуатации представляют собой сложную задачу. 1.2. Основныеузлымеханическойчастиподвижногосостава Для преодоления первого противоречия системы колесо–рельс используется принцип разделения масс. Сутьпринципа. При движении колес ПС по рельсам между ними возникают динамические нагрузки. Данные нагрузки возрастают при увеличении скорости движения. Это влияет на безопасность движения колеса по рельсу. Уменьшить динамические силы можно через уменьшение массы локомотива, но это может привести к уменьшению реализуемой силы тяги по сцеплению колеса с рельсом. Для обеспечения нормального сцепления с одновременным уменьшением динамических нагрузок в конструкцию локомотивов были внесены определенные изменения. Они сводились к тому, что вес локомотива сохраняется, а его масса делится на несколько отдельных масс, которые соединены между собой упругими элементами. Такое разделение принято называть принципомразделениямасс (рис. 1.1). Рис. 1.1. Принцип разделения масс За всю историю механическая часть ПС претерпела сложную эволюцию и представлена практически необозримым разнообразием конструкций. Тем не менее, в этом множестве можно выделить некоторое количество основных узлов, обязательных для любого типа ПС (электровоз, тепловоз, вагон, выполняющих сравнительно небольшой набор важнейших функций механической части, и ряд дополнительных устройств, обеспечивающих нормальное функционирование этих узлов. Механическая часть первых локомотивов состояла из кузова, колесных пар с подшипниковыми узлами, тягового привода. Однако необходимость снижения воздействия вибраций на кузов привела к подрессориванию – введению упругих элементов между кузовом и колесными парами. ОсновныеузлымеханическойчастиПС 1. КузовМ к (рис. Самым крупным по массе и объему узлом любого типа ПС является кузов, служащий для размещения оборудования, бригады или пассажиров и защиты их от внешних воздействий, а также для размещения груза. а б в г Рис. 1.2. Кузова подвижного состава а – пассажирский вагон б – грузовой вагон в – локомотив г – скоростной электропоезд 2. Тележка (подрессореннаячасть) М т (рис. Служит для передачи всех вертикальных, продольных и поперечных сил между кузовом и колёсными парами, а также передачи сил тяги и торможения. У локомотива к раме крепится тяговый приводи тормозные устройства. 9 а б в г Рис. 1.3. Тележки подвижного состава а – тележка пассажирского вагона б – тележка грузового вагона в – тележка электровоза ЭП1; г – тележка электровоза ЭП2К 3. Колёснаяпара (КП) (неподрессореннаячасть) М н (рис. 1.4). Служит для передачи нагрузок от ПС на путь и обратно, участвует в процессе создания силы тяги и торможения, являются направляющим элементом ПС в рельсовой колее за счет взаимодействия гребня и боковой поверхности рельса.Неподрессореннаямасса – это масса, жестко воздействующая на путь и включающая в себя массу колесных пар, букс, тяговых двигателей и редукторов (в зависимости от класса привода локомотива. а б Рис. 1.4. Колесные пары подвижного состава а – колесная пара вагона б – колесная пара электровоза 10 4. Буксовыйузел (БУ) рис. 1.5) – служит для связи колесной пары с рамой тележки в продольном, поперечном и вертикальном направлениях. Роликовые подшипники обеспечивают беспрепятственное вращение кол сной пары относительно не вращающихся частей. а б Рис. 1.5. Буксовый узел а – буксовый узел электровоза б – буксовые подшипники 5. Тяговыйпривод (ТП) (у локомотива) (рис. 1.6) – обеспечивает создание силы тяги, и включает в себя тяговый двигатель с устройствами управления и тяговую передачу, приводящую во вращение движитель – колёсную пару. Рис. 1.6. Тяговый привод локомотива 6. Рессорноеподвешивание (РП) (рис. 1.7 и 1.8) . Соединение масс кузова, тележек и колесных пар осуществляется элементами системы рессорного подвешивания. 11 й ярус 1-й ярус Рис. 1.7. Рессорное подвешивание тепловоза 2ТЭ25А (Витязь) Рис. 1.8. Рессорное подвешивание вагонов а – пассажирский вагон б – грузовой вагон Система состоит из двух уровней I уровень (й ярус) – буксоваяступень, расположена рядом с буксами, соединяет неподрессоренную массу Мн с массой подрессоренной частью тележки М т и является промежуточным эластичным звеном между рамой тележки и колесными парами. Назначение ее – смягчать удары, передаваемые кузову ПС и вызванные неровностями пути, передавать вес кузова и тележек на отдельные колесные пары и выравнивать нагрузки на колесные пары, а также уменьшать воздействие ПС на путь II уровень (й ярус) – кузовная (центральная) ступень – соединяет массы М т и М к . Назначение ее, аналогичное первой ступени рессорного подвешивания. Вторая ступень РП возникла, как дальнейшее совершенствование механической части ПС и связано с дальнейшим повышением виброзащиты кузова, улучшением плавности хода и снижением воздействия на путь и улучшением прохождения кривых малого радиуса многоосными локомотивами, имеющими одну общую раму. Это было достигнуто 12 расчленением ходовой части по длине наряд элементов – тележек, которые могут поворачиваться в горизонтальной плоскости относительно кузова и тем самым позволяют колесным парам более свободно устанавливаться в кривой. 7. Узлыпередачипродольных (тяговыхитормозныхусилий) ипо- перечныхсил . В связи с применением двух уровней РП потребовалось решить ряд сопутствующих технических задач опирание кузова на подвижную относительно вертикальной оси тележку, передача продольных и поперечных сил в условиях относительных перемещений кузова и тележки, тележки и буксы. В результате конструкция ПС пополнилась опорными узлами кузова, поворотными устройствами, через которые передаются силы тяги и торможения от тележек к кузову. Современный ПС, кроме кузова, КП c подшипниковыми узлами, тягового привода, тормозных устройств, имеет, как правило, поворотные тележки с одной или двумя ступенями РП, которое является эластичным звеном, узлы опирания кузова на тележки и передачи продольных сил между тележкой и кузовом, поворотные устройства, устройства для равномерного распределения вертикальных нагрузок между отдельными КП. Все изложенное в равной мере относится к основным узлам механической части электровозов, тепловозов, электропоездов и вагонов, хотя для каждого из видов ПС сложились свои традиции, во многом определяющие выбор конструктивных решений. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое движитель 2. Какие функции выполняет колесо 3. Какие противоречия имеет система колесо – рельс 4. В чем сильная сторона системы колесо – рельс 5. В чем слабая сторона системы колесо – рельс 6. В чем суть принципа разделения масс 7. Какие основные узлы механической части имеет ПС 8. Что такое неподрессоренная масса 9. Каково назначение буксовой системы РП? 10. Каково назначение кузовной системы РП? Рекомендуемаялитература: [1, 12]. 13 2. ПОДВИЖНОЙСОСТАВИЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙПУТЬ КАКЕДИНАЯМЕХАНИЧЕСКАЯСИСТЕМА 2.1. Основныезадачидинамикиподвижногосостава ДинамикаПС – физический процесс возникновения сил, моментов, перемещений составных частей ПС вследствие взаимодействия его ходовых частей и верхнего строения пути (ВСП), а также вагонов в движущемся поезде. Динамика изучает колебания ПС и перемещения отдельных его элементов в различных условиях эксплуатации (движение в составе поезда с постоянной или переменной скоростью, соударение при маневрах и т.п.) и возникающие при этом силы. К динамике ПС примыкают и такие вопросы, как борьба с шумом в пассажирских вагонах, вопросы вибрации элементов ПС и некоторые другие. Процесс взаимодействия ПС и ВСП в значительной степени зависит от его конструкции и состояния ходовой части и ВСП. Железнодорожный путь и ПС представляют собой единую механическую систему, в которой они взаимодействуют, находясь в зависимости друг от друга. Назначение пути и ходовых частей – направлять движение ПС, обеспечивать для него непрерывную устойчивую опору с минимальным сопротивлением движению. В реальных условиях рельсы и колеса имеют неровности на поверхностях катания, а также некоторые другие особенности кривизну пути конусность поверхностей катания колеси др. В результате этого в элементах ПС и пути возникают различные колебания, а между ними – динамические силы. Энергия локомотива затрачивается не только на поступательное полезное перемещение вагонов, но и на преодоление сил трения, возбуждение колебаний, вызывающих процесс износа и разрушения вагонов и пути. Поэтому такие колебания называются вредными или паразитными, так как они не требуются для выполнения основной функции вагона (перевозка грузов и пассажиров. Снижение сил динамического взаимодействия может быть достигнуто совершенствованием ходовых частей и пути, а также улучшением технического содержания их в эксплуатации. Основная задача исследования динамических процессов в системе ПС – путь заключается в том, чтобы определить оптимальные значения параметров этой системы (габаритные размеры, масса, жесткость и т. п, при которых снижаются колебания и динамические силы, отрицательно влияющие на конструкции ПС и пути. Этому должны предшествовать решения задач 14 – по исследованию колебательных процессов ПС и его отдельных частей – установлению критериев для оценки плавности его хода – устойчивости против схода ПС с рельсов – расчету опрокидывания и выжимания из состава поезда – анализу способов подавления извилистого движения ПС – анализу вибраций элементов ПС, возникающих вследствие взаимодействия ходовых частей и пути. |