РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОДЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ РЕССОРНОГО ПОДВЕШИВАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРОПОЕЗДА AFROSIYOB

АННОТАЦИЯ

В статье представлены методики продления срока службы рессорного подвешивания высокоскоростного электропоезда Afrosiyob, система координат модели вагона. Так же представлена поперечная устойчивость колесной пары высокоскоростного электропоезда и формулы определения запаса устойчивости.

ABSTRACT

The article presents methods for extending the service life of the spring suspension of the Afrosiyob high-speed electric train, the coordinate system of the car model. The transverse stability of the wheelset of a high-speed electric train and the formula for determining the stability margin are also presented.

Ключевые слова: высокоско­ростной электропоезд, рессорное подвешивание, демпфирование, коэффициент запаса устойчивости, плавность хода, коэффициент запаса устойчивости

Keywords: high-speed electric train, spring suspension, damping, stability factor, running smoothness, stability factor

При создании систем рессорного подвешивания высокоско­ростных электропоездов приходится по-новому ставить и решать задачи обес­печения безопасности, плавности хода, уменьшения колебаний при высоких скоростях движения.

Для решения динамических задач, прежде всего, необходимо тщательное исследова­ние динамических свойств разрабатывае­мой конструкции, в результате которого оп­ределяют с необходимой точностью основ­ные динамические характеристики конст­рукции, в частности, собственные частоты, собственные формы и коэффициенты демп­фирования колебаний. Демпфирование колебаний современных рельсовых экипажей, в том числе высоко­скоростных, в основном осуществляется за счет сил трения. При этом следует разли­чать несколько видов трения: вязкое трение, сухое трение, внутреннее трение.

Четкую границу между действием раз­личных видов трения в рельсовых экипа­жах провести трудно, так как они действуют одновременно. Задача выбора оптимально­го демпфирования является более сложной, чем выбор жесткости [1,2]. Большое демпфиро­вание уменьшает амплитуды колебаний при резонансах, однако, существенно увеличива­ет ускорение кузова, как при прохождении единичных неровностей, так и в зарезонан­сной области. Коэффициент относительно­го демпфирования i-той формы колебаний железнодорожного экипажа вычисляется по формуле [1,3,5]:

                                           (1),

где [С] и [М] - соответственно матрицы демп­фирования и инерции динамической модели экипажа, в которой кузов и обрессоренные мас­сы тележек представляют собой твердые тела, соединенные между собой упругими и диссипа­тивными связями;  - вектор-столбец, характеризующий i-ую форму колебаний;  - собственная частота i-той формы колебаний.

Коэффициенты относительного демпфи­рования определенной формы колебаний определяют величину демпфирования по отношению к собственной частоте данной формы, что имеет физический смысл отношения к критическому демпфированию, при котором прекращаются колебания.

Рисунок 1. Система координат модели вагона высокоскоростного электропоезда Afrosiyob, основные обозначения переме­щений и углов поворота

Направления поступательных и угловых перемещений отдельных тел модели вагона высокоскоростного электропоезда (кузова, тележек, колесных пар и т.п.) определяются по отношению к осям х, у, z (рис. 1), движущихся со скоростью эки­пажа, - инерционная система. Ось х направлена вперед по направлению движе­ния вдоль оси пути, ось у направлена попе­рек оси пути (обычно вправо), ось  z  направ­лена вертикально вниз.

Вращениям вокруг осей х, у, z соответ­ствуют угловые перемещения. Колебания тел называют: по оси х - подергивание, по оси у - относ, по оси z - подпрыгивание. Повороты тел называют: вокруг оси х - бо­ковая качка, вокруг оси у - галопирование, вокруг оси z - виляние.

Характеристиками движения подвижно­го состава являются ускорения, скорости и перемещения отдельных тел экипажа во время движения вдоль пути. Тяговое, тор­мозное усилия, силы сопротивления и воз­действия на путь определяют эксплуатаци­онные свойства подвижного состава [4,6].

При изучении колебаний подвижного со­става их иногда разделяют на три группы: вертикальные - колебания в вертикаль­но-продольной плоскости но координатам z и φ; продольные - по координате х и θ, по­перечные - по координатам у и ψ. Строго говоря, в силу специфики связей и асиммет­рии системы все эти колебания взаимно связаны, но опыт показывает, что многие важные выводы можно сделать, рассмат­ривая их отдельно.

Для исследования динамики подвижного состава составляют его механическую мо­дель из твердых тел в виде масс, соединен­ных с помощью жестких упругих и диссипа­тивных элементов. Жесткие элементы не допускают относительных линейных или угловых перемещений между телами в од­ном или нескольких направлениях. В уп­ругих элементах возникающие в них силы зависят от относительных перемещений, а в диссипативных элементах - от скоро­сти относительных перемещений. Зачастую применяются упруго-диссипативные элементы, силы в которых зависят как от взаимного перемещения, так и от скорости этого перемещения. Инерционные свойст­ва твердых тел характеризуются массами и моментами инерции.

Для анализа динамических процессов вы­сокоскоростного состава необходимо иметь модель внешних возмущений, обусловли­ваемых неровностями пути. Далее, пользуясь методами механики, вы­полняют математическое описание моде­ли в виде дифференциальных уравнений движения. Для этого обычно использовал­ся принцип Даламбера или уравнения Лаг­ранжа II рода. Затем полученные уравне­ния интегрируются и определяются дина­мические показатели подвижного состава при различных скоростях движения. В настоящее время этот процесс автоматизиро­ван и существует ряд программных продук­тов, позволяющих создавать математичес­кие модели и проводить их исследования.

Рисунок 2. Поперечная устойчивость колесной пары высокоскоростного электропоезда Afrosiyob:

  а - поперечное движение; б – траектории: 1 – области асимптотической устойчивости; 2 – предельный цикл; 3 – область неустойчивости 

Взаимодействие колеса и рельса является ключевым в динамике подвижного состава, в нем заключается основное отличие от ди­намики других механических систем. Пра­вильно организованное взаимодействие ко­леса и рельса допускает высокие скорости. С другой стороны, неправильно сконструи­рованное и не обеспеченное в достаточной мере техническим обслуживанием и ремон­том, взаимодействие колеса и рельса может привести к быстрому износу элементов сис­темы и поставить под угрозу безопасность пассажиров [3,5,6].

Движение колесной пары прямолиней­но относительно пути только при опреде­ленных условиях. Граница устойчивости зависит от скорости движения, конуснос­ти, параметров связей колесной пары с ра­мой, массы, а в общем случае и от амплитуд колебаний. На рисунке 2 показаны движе­ния колесной пары в случае асимптотичес­кой устойчивости (1), наличия предельно­го цикла (2) и неустойчивости (3). Причина возникновения неустойчивости связана с силами крипа. Продольный крип возникает при качении деформируемого ко­леса но деформируемому рельсу. Под крипом понимают продольную деформацию или, что то же самое, относительную продоль­ную скорость скольжения в зоне контакта

                                      (2),

где  - продольное перемещение колеса;  - перемещение колеса вследствие чисто­го качения;  — продольная скорость колеса;  - скорость вследствие чистого качения.

Касательную реакцию называют силой крипа и определяют как

                                                          (3);

в линейной теории

                                                    (4),

где  - коэффициент продольного крипа, за­висящий от кривизны контактирующих поверх­ностей в точке контакта, нагрузки и упругих постоянных взаимодействующих тел.

Согласно линейной теории Ж. Калкера [1,3], при стационарном качении продольная  , поперечная    силы крипа, а также момент  сил поворотного крипа выражаются че­рез проекции на координатные оси скоростей скольжения в точках контакта и угло­вой скорости верчения, от отнесенных к ско­рости движения с помощью коэффициентов крипа  ,  ,    ,    , определяемых по фор­мулам контактной теории упругости

  ;     ;   ;   (5),

где   ,  ,  – продольный, поперечный и поворотный крипы соответственно.

Силы крипа являются неконсервативны­ми, и за их счет часть энергии поступатель­ного движения рельсового экипажа может преобразовываться в энергию боковых ко­лебаний. Интенсивные боковые колебания могут привести к недопустимо большим нагрузкам на путь. Однако самым опасным будет возможность вкатывания гребня ко­леса на поверхность катания рельса при больших горизонтальных силах, прижима­ ющих гребень к головке рельса, что может привести к сходу колесной пары с рельсов и крушению поезда. Определение крити­ческой скорости подвижного состава явля­ется чрезвычайно актуальным.

Для демпфирования колебаний вагонов рекомендуется коэффициенты относитель­ного демпфирования иметь в пределах [1,3,5]:

- для вертикальных колебаний - 0,2...0,3;

- для горизонтальных колебаний - 0,3...0,4;

- для боковой качки - 0,1...0,2.

Для получения таких коэффициентов демпфирования в системах рессорного подвешивания современ­ного высокоскоростного подвижного соста­ва применяют гидравлические гасители ко­лебаний и устройства с резиновыми или полиуретановыми амортизирующими элемен­тами, а также широко применяются пневматические рессорные элементы.

В целом можно сделать следующие обобщающие выводы:

1. Новые высокоскоростные электропоезда, которые создаются с условием работы на более высоких скоростях, будут работать успешно, если показатели ходовых качеств и воздействия на путь будут лучше, или по крайней мере, не хуже достигнутых. Оценка ходовых качеств высокоскоростного подвижного состава производится по основным показателям, прежде всего:

—  коэффициенту запаса устойчивости К_ус колесной пары от схода с рельсов по условию вкатывания гребня колеса на го­ловку рельса;

— показателям плавности хода в верти­кальном и поперечном направлениях w_B и w_r , а также ожидаемым уровням виброус­корений в заданных диапазонах частот и зависящим от них времени утомляемости;

— коэффициенту вертикальной динами­ки К_ДВ и рамной силе Н_р;

— вертикальным и горизонтальным ус­корениям a_B и a_r ;

— коэффициенту запаса поперечной ус­тойчивости K_УСТ от опрокидывания в кри­вой под действием боковых сил;

— степени сдемпфированности форм ко­лебаний;

— устойчивости от схода с рельсов по условию вкатывания гребня колеса на го­ловку рельса.

В ряде случаев при выяснении причин кру­шений и аварий поездов на головке рель­са в зоне катастрофы неоднократно обна­руживались ясно видимые следы (царапи­ны и даже борозды), которые начинались с внутренней стороны рельса и по диагона­ли переходили на внешнюю сторону, пока­зывая траекторию движения гребня коле­са после вкатывания на рельс. Непосред­ственной причиной схода является сочета­ние двух факторов: снижение давления на колесо в вертикальном направлении (так называемая «обезгрузка») и действие силы в поперечном направлении. Колесо может вползти своим гребнем на рельс только в том случае, когда равнодействующая сил, действующих на него, преодолевает силу трения между гребнем колеса и рельсом.

2. Для определения запаса устойчивости используют формулу

                                         (6),

где β - угол наклона образующей гребня колеса с горизонталью (в зависимости от профиля поверхности катания колеса (β = 60...70°) , μ -коэффициент трения поверхностей колес (принимается  μ = 0,25 ); Р_В -вертикальная нагрузка от набегающего колеса на рельс; Р_Б  - боковое усилие взаимодействия гребня набегающего колеса и головки рельса;  – допустимое значение коэффициента запаса устойчивости. В Республике Узбекистан, в целях безопасности движения, для пасса­жирских вагонов высокоскоростных электропоездов коэффициент запаса устойчивости принят .

Список литературы:

1. Галиев И.И., Нехаев В.А., Николаев В.А. Методы и средства виброзащиты железнодорожных экипажей: Монография.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.-д. транспорте», 2010.-340 с.
2. Львов А.А., Бржезовский А.М. Исследование параметров подвешивания вагона электропоезда для скоростей до 300 км/час.// Эксплуатационные и технические параметры специализированных высокоскоростных магистралей. М.: Транспорт. //Труды ВНИИЖТ, С. 52-59.
3. Хромова Г. А., Махамадалиева М. А. Разработка математической модели для динамического расчета гидрофрикционного демпфера при гармоническом воздействии при повышенном скоростном режиме движения электроподвижного состава //Universum: технические науки. – 2021. – №. 6-2 (87). – С. 16-19.
4.  Лесничий В.С. Влияние особенностей конструкции, параметров ходовой части и межвагонных связей на устойчивость движения и ходовые качества вагонов высокоскоростных поездов. Автореферат диссертации к.т.н., специальность 05.22.07 «Подвижной железных дорог, тяга поездов и электрофикация», ЛИИЖТ, г. Санкт-Петербург, 1999 г.-26 с.
5.  Khromova G., Makhamadalieva M., Khromov S. Generalized dynamic model of hydrodynamic vibration dampener subject to viscous damping //E3S Web of Conferences. – EDP Sciences, 2021. – Т. 264. – С. 05029. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202126405029  
6.  Хромова Г.А., Махамадалиева М.А. Расчетная схема опоры гидродинамического трения гибкого вала гидрофрикционного гасителя колебаний, применяемого на железнодорожном транспорте // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 7 (76). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/9967.