МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ КОЛЕСНО-МОТОРНОГО БЛОКА ТЕПЛОВОЗА UZTE16M

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрен метод определения крутильных колебаний, возникающих в колесно-моторном блоке тепловозов UZTE16M, которые модернизированы в УК «Узтемирйулмаштаъмир» при АО «Узбекистон темир йуллари». Разработана динамическая модель колесно-моторного блока, созданная с целью вывода математической модели крутильных колебаний, с учётом закона сохранения энергии, в среде MATHCAD 15.

ABSTRACT

This article discusses a method for determining torsional vibrations that occur in the wheel-motor block of diesel locomotives UZTE16M, which are modernized in the management company «UZTEMIRYO'LMASHTAMIR» at JSC «Uzbekistan Temir Yollari». A dynamic model of a wheel-motor unit has been developed, created to derive a mathematical model of torsional vibrations, taking into account the law of conservation of energy, in the MATHCAD 15 environment.

Ключевые слова: колесо, мотор, локомотив, редуктор, колебания, амплитуда, масса, жесткость, кинематика.

Keywords: wheel, motor, locomotive, gearbox, vibrations, amplitude, mass, stiffness, kinematics.

Введение. В АО «Узбекистон темир йуллари» осуществляются задачи не только по регулярным и бесперебойным перевозкам грузов широкого назначения, но и по повышению экономии использования как локомотивов, так и тепловозов. Центральным узлом любого подвижного состава, и в частности тепловоза типа UzTE16M, является колёсно-моторный блок, который после первого же ремонта резко снижает силу тяги локомотива, и уменьшает коэффициент сцепления колеса с рельсами. Процесс ремонта требует кардинального усовершенствования, который невозможен без создания математической модели и динамической моделей.

Взаимодействие колесно-моторного блока локомотива с рельсами является наиболее ответственным фактором воздействия на механическую часть подвижного состава. В состав колесно-моторного блока входит колесная пара, буксовый узел, редуктор, упругая муфта и тяговый электрический двигатель.

Определенный вклад в решение научных проблем моделирования механических колебаний колесно-моторных блоков локомотивов и их технического диагностирования внесли А.Д. Глущенко, М.Д. Глущенко, В.И. Киселев, В.Н. Жидков, Ш.С. Файзибаев, Г.А. Хромова, Н.Е. Конюхов, М.Ф. Зарипов, Н.М. Усмонхужаев и др. Усилиями этих ученых разработаны и развиты теоретические основы моделирования механических колебаний колесно-моторных блоков локомотивов и их технического диагностирования, в том числе методы моделирования колебаний валов тяговых электрических двигателей, предложены и внедрены в производство оригинальные конструкции и схемные решения этих систем и их технических средств. Вместе с этим не уделено достаточного внимания совершенствованию методов моделирования механических колебаний колесно-моторных блоков локомотивов с учетом комплексного воздействия внешних вибраций и разработке усовершенствованной методики их диагностирования с целью продления срока полезной эксплуатации [1-4].

Целью исследования является моделирование механических колебаний колесно-моторных блоков магистральных тепловозов, усовершенствование методики расчёта.

Метод. Для расчета крутильных колебаний вала якоря ТЭД необходимо рассмотреть всю систему колесно-моторного блока (КМБ) в целом.

Рисунок 1. Расчетная схема крутильных колебаний колесно-моторного блока (КМБ) тепловоза UzTE16M

Блок тепловоза UzТЕ16М выполнен с опорно-осевой подвеской тягового электродвигателя ЭД118Б(А) и односторонней зубчатой передачей. Мощность дизеля тепловоза реализуется через зубчатое колесо, в виде сил тяги, при взаимодействии колесных пар с рельсами. Тяговый электродвигатель ЭД118Б(А) одной стороной жестко опирается на ось колесной пары через моторно-осевые подшипники, а другой стороны соединяется через пружинную подвеску с рамой тележки. При такой подвеске практически половина массы ТЭД жестко связана с неподрессоренными массами колесной пары и составляет на одном КМБ около 4250 кг, что вызывает возникновение значительных механических колебаний на валах в системе «железнодорожный путь - колесная пара – тяговый двигатель», как крутильных, так изгибных и продольных [5-13].

Расчетная схема КМБ показана на рисунке 1, на которой выделены точки 0, 1, 2, 3, 4 связей и:

-  моменты инерции якоря ТЭД –  и участков вала якоря, и шестерни , , зубчатых колес и участков оси колесных пар , ;

- жесткости при кручении между точками закрепления 0 и 1 – , 0 и 2 – , 1 и 3 – , 2 и 4 – , 4 и 3 – ;

-  – угол поворота якоря ТЭД относительно статора, учитывающий функции вращательного (кинематического) движения всех масс ;

- углы упругих колебаний массовых моментов инерции  и  относительно    и ,  относительно   ,  относительно   ,     и    ;

- движущий момент  в точке 0 и момент сопротивления вращению  и  передающийся через участки упругих связей 0, 1, 3 и 0, 2, 4.

Колебания моментов инерции системы характеризуются совокупностью углов крутильных колебаний:

Для вывода уравнений колебаний моментов инерции использовался метод Лагранжа и функции:

Кинетической энергии:

                         (1)

Потенциальной энергии:

                                     (2)

Работы внешних сил (крутящих моментов):

  (3)

Уравнение Лагранжа по каждой координате , , , ,  в виде:

                                                                                     (4)

По координате :

                                                                           (5)

По координате :

          (6)

По координате  :

         (7)

По координате :

                                              (8)

По координате :

                                    (9)

Решения полученной системы уравнений учитывают составляющие от решений:

- системы однородных уравнений, когда  и ;

- системы с переменным вращением, когда 0;

- когда действуют на систему переменные нагрузки .

Первый вариант решения системы (5) ÷ (9) выполнили для условий неравномерного вращения масс модели колесно-моторного блока:

                                                                                (10)

Где: - амплитуда ускорений круговой частоты .

Решение системы выполнили в виде функций:

; ;

;                                           (11)

Где  – амплитуды колебаний масс модели по рисунку 1.

После подстановки производных по времени от (11) в (5) ÷ (9) получили систему алгебраических уравнений для определения амплитуд :

           (12)

                                                                   (13)

                                                                         (14)

                                             (15)

                                             (16)

Ввели обозначения коэффициентов для  в (12) ÷ (16):

                                         (17)

Эта система уравнений может быть решена методом определителей (методом Гаусса) с использованием ЭВМ в среде программирования MATHCAD 15. Для этого вначале получили определитель из коэффициентов при :

                                                   (18)

После этого получили формулы для  :

                                    (19)

                                    (20)

                                     (21)

                                 (22)

Или

                                                                               (23)

                                                                                  (24)

                                                                                          (25)

                                                                                         (26)

для данной модели условиями возбуждения колебаний являются:

, откуда получена формула для определения частоты собственных колебаний:

                                                                                           (27)

, откуда:

                                                                                          (28)

, откуда:

                                                                                        (29)

- К₂ - ω²·J₄ = 0, откуда:

                                                                                       (30)

Результаты. Численные исследования проведены в среде программирования MATHCAD 15 для модели крутильных колебаний в колесно-моторном блоке тепловоза UzTE16M. Результатов расчетов крутильнтых колебаний в колесно-моторном блоке тепловоза UzTE16M приведены на рисунках 2,3.

Для численных исследований были приняты 2 основных режима нагружения по частоте вращения якоря [14, 15]:

- при длительном режиме частота вращения якоря ТЭД ЭД-118А составляет n = 476 об/мин;

Рисунок 2. Изменение амплитуд крутильных колебаний по массам колесно-моторного блока тепловоза UzTE16M

- при максимально нагруженном режиме частота вращения якоря ТЭД ЭД-118А составляет n = 2290 об/мин.

Рисунок 3. Изменение амплитуд крутильных колебаний по массам колесно-моторного блока тепловоза UzTE16M

Выводы. В результате исследования был разработон  новый метод расчета крутильных колебаний в колесно-моторном блоке тепловоза UzTE16M. Установлено, что при увеличении частоты вращения якоря ТЭД  тепловоза UzTE16M будет увеличиваться амплитуда крутильных колебаний КМБ и уменьшается период колебаний КМБ.

Список литературы:

1. Глущенко А.Д., Юшко В.И. Динамика тяговых электродвигателей электровозов. Ташкент: Изд-во «Фан», 1980. -168 с.
2. Динамика локомотивов /М.А. Ибрагимов, В.И. Киселев , В. А. Рамлов, А.В. Скалин: Уч. пос.-М.: РГОТУПС, 2005.- 128 с.
3. Хвостов В.С. Электрические машины. М: Высшая школа.   1988. -344 с.
4. Ротанов Н.А., Захарченко Д.Д. Тяговые электрические машины. М.: Транспорт. 1991. – 324 с.
5. Механическая часть подвижного состава. / Под ред. И.С. Бирюкова, А.Н. Савоськина и др. М.: Транспорт, 1992. – 440 с.
6. Prof. Edward Layer, dr. Krzystof Tomczyk. Measurements, Modellung and Simulation of Dynamic Systems. 2010, Springer-Verlag Berlin Heldelberg. -165 p.
7. Simon Iwnicki. Handbook of Railway Vehicle Dynamics. 2006. Taylor & Francis Group - 527 p.
8. Глущенко А.Д., Файзибаев Ш.С. Моделирование импульсного динамического и теплового нагружения материала колесных пар локомотивов. Ташкент: Фан, 2002 .- 194 с.
9. Файзибаев Ш.С., Хромова Г.А. Оптимизация работы колеса и рельса путем снижения контактных напряжений при динамическом взаимодействии колесных пар подвижного состава. Монография. ISBN 978-9943-975-96-5.–Ташкент: «Fan va technologiya», 2015.-180 с.
10. Djanikulov, A. T., Mamayev, S. I., & Kasimov, O. T. (2021, April). Modeling of rotational oscillations in a diesel locomotive wheel-motor block. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1889, No. 2, p. 022017). IOP Publishing.
11. Kasimov, O. T., Djanikulov, A. T., & Mamayev, S. I. (2021, November). Modeling the bending of the tire surface by pads during braking. In AIP Conference Proceedings (Vol. 2402, No. 1, p. 070030). AIP Publishing LLC.
12. Мухамедова З.Г., Ибадуллаев А.С., Мамаев Ш.И. Расчет остаточного ресурса и продление срока службы специального самоходного подвижного состава. Universum технические науки. 2022. №2(95), 88-97 с.
13. Fayzibaev Sh.S., Avdeeva A.N., Mamaev S.I. Evaluation of the wear of the tire wheel pair at rolling friction // ACADEMICIA: An International Multidisciplinary Research Journal, ISSN: 2249-7137, Volume- 10, Issue 6, June 2020 Impact Factor: SJIF 2020 = 7.13. С. 1600-1604. https://saarj.com/wp-content/uploads/ACADEMICIA-JUNE-2020-FULL-JOURNAL.pdf.
14. Заболотный Н.Г. Тепловозы ТЭ10М. Механическое оборудование: Учебное иллюстрированное пособие. - М.: Маршрут,2006.-58с.
15. Техническое обслуживание и ремонт тягового электродвигателя ЭД-118А. Технологическая инструкция ПКБ ЦТ.25.0082. Проектно-конструкторское бюро локомотивного хозяйства (ПКБ ОАО «Российские железные дороги»), 2009.-137 с.