Прикладная теория амортизации локомотивов и вагонов

Актуальность проблемы. Экономическая стратегия КПСС на современном этапе развития народного хозяйства направлена на повышение эффективности производства и качества продукции. В связи с увеличением скоростей движения на железнодорожном транспорте актуальной становится проблема повышения ходовых каг-честв рельсовых экипажей. Решение этой научно-технической задачи основывается на общей теории колебаний. Наибольшее развитие она получила в трупах советских учёных.

Анализу колебаний и установлению параметров рессорного подвешивания посвятили свои работы Е. П. Блохин, С. В .Вертинский, Л. О. Грачёва, Л. А. Кальницкий, А. А. Камаев, Л. Н. Никольский, М. П. Пахомов, А. Н. Савосышн, М. М. Соколов, В. Ф. Ушкалов, И. И. Челноков. Глубокий анализ устойчивости движения и параметров амортизации, при которых движение экипажа устойчиво, даётся в работах М. Л. Коротенко, В. А. Лазаряна, А. А. Львова, Н. А. Панькина, Т.А.Тибило-ва. Взаимодействие пути и экипажа широко отражено в работах М. Ф. Вериго, Л. О. Грачёвой, А. Я. Когана, Н.Н.1фдрявцева, В. Ф. Яковлева. Вопросам динамики рельсового экипажа посвящены также работы зарубежных исследователей Дегалю, Картера, Коффмана, Матщуи.

Параметры амортизации экипажей устанавливались в последнее время научными коллективами ВНИИКТ, МИИТ, ДИИТ, БЙТМ путём минимизации целевых функций с использованием АВМ и ЭВМ. Теоретические принципы таких численных методов оптимизации обоснованы ~ в работах В. А. Камаева, Б. Г. Кеглина, А. П. Павленко. Наряду с этим мало исследований, посвященных качественным методам оптимизации параметров, анализа и синтеза рессорных систем* Использование ЭВМ позволяет усложнять расчетные модели, но сужает качественные и экспериментальные исследования, которые служат основой аналитического расчета, технического проектирования и доводки устройств и систем рессорного подвешивания. Перспективным направлением решения задач большой размерности, особенно с блочной структурой связей, в последние годы является построение и исследование методов декомпозиции.

Структура прикладной теории амортизации. Цель диссертационной работы — разработка на основе общей теории колебаний с помощью качественных методов декомпозиции, анализа, синтеза и научного эксперимента прикладной теории амортизации локомотивов и вагонов.

Результатом этой теории являются необходимые заводской практике техническое проектирование и параметрическое диагностирование рессорных систем. Связью элементов теории и ее методологической основой вводится двухуровневая декомпозиция: блочная — по слабым связям и интерполированная — для критериальных функций. Экспериментальная часть прикладной теории основывается на созданных катковом стенде и амортизаторах различного назначения, признанных изобретениями. Качество амортизации и характеристик амортизаторов оцениваются развитыми графоаналитическими и коэффициентными методами, а также предложенными комплексными критериями. По результатам эксперимента уточняются методики расчета и оценки демпфирующих устройств.

Научная новизна, в работе развиваются качественные методы прикладной теории на основе двухуровневой декомпозиции расчетных моделей. Обосновываются расчетные модели подсистем и их синтез в основные системы состояния. В щштериальных функциях одномерных подсистем выявляются экстремальные режимы, в которых они сводятся при реальных ограничениях на жёсткости и массы к однопараметрическим функциям. На этой основе развивается частотный анализ консервативной и интерполированный анализ неконсервативной рессорных систем, раскрываются их свойства и закономерности. В этом же направлении разрабатывается интерполированный метод оптимизации параметров жёсткости и демпфирования, учитывающий глобальный и локальные экстремумы. На основе декомпозиции щштериальной функции строятся графоаналитические методы оценки нелинейных связей.

На декомпозиционной основе развивается экстремальный метод параметрической оптимизации, а на глобальном экстремуме — эффективный метод эквивалентной оптимизации. Декомпозиция многомерной рессорной системы на одномерные расчётные модели дает возможность развивать црикладные методы синтеза характеристик связей для различных воздействий пути. Для оценки нелинейного трения разрабатывается комплекс щштериев качества, а для рессорной системы в целом — коэффициентный метод оценки.

В прикладном плане разрабатывается методика технического проектирования: выбора рациональных схем амортизации, выбора и оценки характеристик связей, определения параметров амортизации, стендовых испытаний систем и устройств рессорного подвешивания. В итоге устанавливаются квазиоптимальные схемы и характеристики связей, расчётные формулы и числовые значения параметров жесткости и демпфирования, рабочие характеристики демпфирующих устройств и методика оценки их работоспособности в эксплуатации.

Предмет исследований. Диссертация посвящена актуальной проблеме улучшения характеристик рессорного подвешивания и оптимального проектирования амортизирующих устройств. Работа представляет собой теоретическое обобщение и решение крупной научно-технической задачи амортизаци локомотивов и вагонов. Практическим результатом комплексных исследований является разработка проектного метода расчета и оценки рессорной системы, а также конструкций демпфирующих устройств. На защиту выносятся основные положения прикладной теории амортизации: обоснование двухуровневой декомпозиции расчетной модели — предложенные или развитые на этой основе качественные методы анализа, синтеза и научного эксперимента — методика технического проектирования рессорной системы и рациональные конструкции демпфирующих устройств.

Структура работы. Диссертация содержит введение, девять глав, заключение, список литературы и приложение. В гл. 1,П1 излагается состояние проблемы амортизации, а в гл. З, 4, П5,П6 -обоснование декомпозиции расчетных моделей. Глава 4, П7 посвящена анализу качества вертикальной амортизации, гл. 7 — устойчивости движения. Синтез характеристик связей и оптимизация их параметров содержатся в гл. 2, 5. В гл. 6,П7 осуществляется оценка систем и устройств амортизации. Б последних двух главах (8, 9, П2) приводятся результаты испытаний систем и устройств амортизации .

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕВДАДИИ.

I. Диссертация посвящена актуальной проблеме улучшения характеристик рессорного подвешивания и оптимального проектирования амортизирующих устройств. В результате комплексных исследований разработана прикладная теория амортизации локомотивов и вагонов на основе качественных методов анализа и синтеза и декомпозиции рессорных систем. Практическим результатом исследований является разработка проектного метода расчета и оценки рессорной системы, а также конструкций демпфирующих устройств.

1.1. Разработаны принципы двухуровневой декомпозиции расчетной модели. Обоснованы блочная декомпозиция квазилинейной рессорной системы с квазисимметричным кузовом и синтез блоков в основные системы состояния. Установлены пути и возможности интерполированной декомпозиции одномерной многомассовой системы с реальными ограничениями на жесткости и массы.

1.2. Разработаны качественные методы исследования амортизации рельсового экипажа: частотного и интерполированного анализа рессорных систем, интерполированной оптимизации параметров жесткости и демпфирования, эквивалентной оптимизации нелинейного трения, синтеза характеристик амортизации для различных воздействий пути, графоаналитической оценки нелинейных характеристик амортизаторов, коэффициентной оценки экспериментальных кривых, комплексной оценки демпфирующих устройств.

1.3. Разработана методика проектирования рессорных систем: выбора рациональных схем амортизации, выбора и оценки характеристик упругих и неупругих связей, расчета параметров жесткости и демпфирования, стендовых испытаний систем и устройств амортизации, оценки работоспособности демпферов в эксплуатации.

1.4. Определены оптимальные параметры и характеристики связей, рабочие характеристики демпфирующих устройств. Созданы катковый стенд и эффективные амортизаторы, признанные изобретениями. Проведен комплекс исследований различных схем и устройств амортизации на динамических стендах и в эксплуатации.

2. Решение научно-технической задачи амортизации локомотивов и вагонов доведено до практических результатов:

2.1. Обоснована квазиоптимальная двухступенчатая система амортизации с обеспечением плавности хода кузовной ступенью, а виброзащитных качеств — тележдчной. Рациональной схемой гашения определена/покоординатная кузовная с вязким симметричным трением при гистерезисных потерях в буксовых связях.

2.2. Установлены расчетные формулы и числовые абсолютные и относительные значения оптимальных параметров жесткости и демпфирования во всех звеньях рессорной системы с линейными и квазилинейными связями. При упругом включении демпферов расчетное гашение снижается на одну треть, а при исключении передачи воздействий пути — повышается на две трети. Жесткость включения вдвое выше жесткости упругой связи.

2.3. Определены рациональные характеристики кзовных связей: линейная или смешанная для вертикальной, жесткая — для горизонтальной связи, линейная или квазилинейная — для амортизации различных воздействий пути. Лучшие типы кузовных опор: маятниковая и разработанная гвдророликовая, а буксовых связей.

— резиновая рессора и разработанные упруговязкие осевые амортизаторы. Для буксовых связей целесообразна линейная характеристика восстанавливающих сил.

2.4. Выявлены рациональные характеристики демпфирования: квазилинейное вязкое трение, жестковключенное при двухступенчатой амортизации, а также разработанное фрикционное трение, упруговключенное и отключаемое на малых амплитудах.

2.5. Установлены рабочие характеристики гвдрогасителей различного назначения и методика оценки их работоспособности в эксплуатации. В комплекс: ревизии входит: линеаризованный параметр сопротивления, коэффициент полноты рабочей диаграммы и деля упругого хода, расчетное усилие и плотность клапана.

2.6. Созданы совместно с КВЗ и ВТЗ конструкции демпферов, отвечающие требованиям эксплуатации и специфике их работы по ступеням амортизации, и определены сферы применимости клапанных систем.

3. В процессе исследований выработаны научно-методологические концепции прикладной теории амортизации. Ее основой служит двухуровневая декомпозиция расчетной модели: блочная по слабым связям и интерполированная — по экстремальным режимам критериальных функций. На этой основе развиваются качественные методы анализа, оптимизации, синтеза, оценки, прогнозирования и экспериментального исследования рессорных систем. i.

Система амортизации рельсового экипажа в силу квазисимметрии разделяется на идентичные одномерные и двумерную подсистемы. Возможно выделение по слабым обратным связям подсистемы возмущения. Устойчивость движения экипажа определяется TYoi или ^-^(olк.) подсистемы возмущения и Q л, ^ подсистемы поперечной амортизации.

2. Для существующего распределения масс КУ^д^К^-н в первом приближении возможна декомпозиция одноосной <У1/ -массовой схемы на М, одномассовых^ При этом гладкая функция состояния рессорной системы замещается совокупностью дискретных одно-параметрических функций в узлах интерполирования.

3. Ввиду декомпозиции системы целесообразна оптимизация ее параметров по обобщённой схеме с последующим усреднением на парные угловые и линейные колебания. Квазисимметрия кузова ^ оа) позволяет задаваться средней массой и сразу получать усреднённые параметры амортизации. При этом стабилизируется коэффициент осности и может быть принят также усреднённым по обобщённой теореме о среднем.

4. Интерполированная оптимизация исходит из совмещения критериальной функции состояния системы с целевой в узлах интерполирования. Это промежуточное решение между экстремальной опI тимизацией по одному режимуи интегральной по всему эксплуатационному диапазону. Структурная простота получаемых расчетных формул повышает эффективность метода в инженерной практике.

5. Методы частотного и интерполированного анализа основываются на декомпозиции рессорных систем в узлах интерполирования. Переход к однопараметрическим функциям позволяет выявить аналитически основные свойства и закономерности системы амортизации. Координаты узловых режимов находятся по точкам пересечения предельных кривых. |.

6. Метод графоаналитической оценки предпологает деление криi териальной функции на два эквивалентных уравнения с последующим воспроизведением функции по точкам пересечения прямых и кривых уравнений. При таком подходе возможно решение сложной функции как в одном режиме, так и в эксплуатационном диапазоне.

7. Метод эквивалентной оптимизации исходит из эквивалентности обобщенных сил и работ нелинейных сил с оптимальной характеристикой линейного трения в резонансном режиме основной частоты. Вещественная часть основного корня определяет устойчивость системы амортизации.

8. Критерии комплексной оценки различного трения учитывают качество демпфирования как в рессорной системе, так и при ревизии демпферов на эксцентриковых стендах.

9. Качество системы амортизации и ее долговечность определяют параметры и характеристики связей. Долговечность рессорных систем эксплуатируемых локомотивов можно повысить настройкой основных параметров до 40 $.

1У. Решённая техническая задача амортизации научно обоснована и апробирована:

1. Расчётные схемы амортизации подтверждаются оценкой частотной и амплитудной погрешности и экспериментом на катковом стенде.

2. Достоверность расчетных формул и значений параметров амортизации апробированы результатами стендовых (в модели 1:4) и натурных испытаний тепловоза и вагона. Структурная простота и наглядность повышает эффективность их использования в инженерной практике.

3. Конструктивные схемы^ устройства и их характеристики подтверждены сравнительными теоретическими и аналоговыми исследованиями, а также стендовымии ходовыми испытаниями разработанных типов амортизаторов.

4. На основе установленных технических условий совместно с Калининским вагоностроительным и Ворошиловградским тепловозостроительным заводами разработаны эффективные амортизаторы, семь из которых защищены авторскими свидетельствами. Гидрогасители типа КВЗ-ЛИШТ широко эксплуатируются на вагонах, гидрогаI сители типа ВТЗ-ЛИЖТ устанавливались на тепловозы 2ТЭП6, а демпферы комплексного трения предполагаются к установке на тепловозах ТУ7 и ТУбА. Методика испытания гасителей включена в инструкцию ЦБ МПС № 312 по программе аттестации испытательного стенда.

5. Выполненные исследования позволили рекомендовать производству: методику расчета и оценки параметров амортизации, методику комплексной оценки гидрогасителей в эксплуатации, рациональные схемы и характеристики связей, новые конструкции демпферов, эффективные стенды для динамических и обкаточных испытаний ходовых частей.

6. Результаты выполненной работы прошли широкую апробацию: на всесоюзных и вузовских конференциях, в научно-исследовательских институтах (ВНИИЖТ, ВНИТИ, ВНИИВ, ЦНИИМЭ) и на заводах (КВЗ, ВТЗ, НЭВЗ) в качестве отчётов по выполненной НИР. Материалы диссертации отражены в 30-ти научных статьях, двух брошюрах, в монографии, учебном пособии и восьми авторских свидетельствах.

У. Научные и практические результаты диссертации представляют метод комплексного решения народнохозяйственной проблемы повышения ходовых качеств рельсовых экипажей и основу для проектирования и модернизации амортизаторов. Предложенное направление амортизации локомотивов и вагонов может получить развитие применительно к транспортным машинам.