МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОГО МЕХАНИЗМА ПОТЕЛЕЖЕЧНОЙ ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМЫ ВАГОНОВ ГРУЗОВЫХ

АННОТАЦИЯ

В данной статье были рассмотрены структурный и кинематический анализ потележечной тормозной системы. Приведены содержания требований к механическим частям тормозов. Расмотрено моделирование усилий на рычажные звенья потележечной тормозной системы и обосновано с научной стороны выбор принципиальной схемы механической части тормозной системы вагона.

ABSTRACT

In this article, the structural and kinematic bogie brake system were considered. The federal states of the mechanical states are brought to private brakes. A comparison of the results on the lever links of the bogie brake system is considered and scientifically justified.

Ключевые слова: рычаг, тележка, тормозная система, колодка.

Keywords: lever, bogie, brake system, pad.

Введение. Высокие требования к безопасности и комфорту в различных условиях для тормозных систем железнодорожных транспортных средств потребовали глубоких научных исследований. Основными факторами, влияющими на производительность и функционирование потележечной тормозной системы, являются тормозное усилие, масса и скорость транспортных средств, тормозной путь состояние железной дороги и факторы окружающей среды [1-6]. В этой работе были рассмотрены структурный и кинематический анализ потележечной тормозной системы.

Анализ вышеупомянутых исследований показывает, что большинство из них направлены на усовершенствование элементов пневматики и механической части тормозов. К механической части тормозов предъявляют следующие требования:

• рычажная передача должна обеспечивать равномерное распределение усилий по всем тормозным колодкам;
• величина усилия практически не должна зависеть от углов наклона рычагов, выхода штока тормозного цилиндра (при сохранении в нем расчетного давления сжатого воздуха) и износа тормозных колодок в пределах установленных эксплуатационных нормативов;
• рычажная передача должна быть оснащена автоматическим регулятором, поддерживающим зазор между колодками и колесами (накладками и дисками) в заданных пределах, независимо от их степени износа;
• автоматическое регулирование рычажной передачи должно обеспечиваться без ручной перестановки валиков до предельного износа всех тормозных колодок, ручная перестановка валиков допускается для компенсации износа колес;
• автоматический регулятор должен допускать уменьшение выхода штока тормозного цилиндра без регулировки его привода на особо крутых затяжных спусках, где установлены уменьшенные нормы выхода штока;
• при отпущенном тормозе тормозные колодки должны равномерно отходить от поверхности катания колес;
• шарнирные соединения тормозной рычажной передачи для упрощения ремонта и увеличения срока службы оснащаются износостойкими втулками;
• рычажная передача должна иметь достаточную прочность, жесткость и при необходимости, демпфирующие устройства (например, резиновые втулки в шарнирах подвесок башмаков грузовых вагонов), исключающие изломы деталей рычажной передачи под действием вибраций;
• на подвижном составе должны быть предохранительные устройства, предотвращающие падение на путь и выход за пределы очертаний габарита деталей рычажной передачи при их разъединении, изломе или других неисправностях.

Исходя из опыта применения тормозов, существует возможность обеспечить необходимую надежность механической части тормозной системы за счет использования только композитных тормозных колодок. С помощью этого инженерного решения можно [1, 5].

- упростить конструкцию рычажной передачи и кинематическую схему тормоза;

- уменьшить вес вагона;

- оптимизировать схему распределения силы при торможении;

- повышать эффективность процессов торможения;

- повышение чувствительности тормозов;

- продлить срок службы рычагов;

- снизить затраты на техническое обслуживание и техническое обслуживание грузовых вагонов.

Поэтому сокращение количества звеньев в передаточном механизме в тормозной системе до минимума является актуальной задачей.

Фрикционное торможение является основным видом для вагонов подвижного состава. При этом создается тормозной момент, приложенный к колесной паре от колодок, направленный навстречу направлению вращения колес. Сила нажатия на тормозные колодки осуществляется за счет давления сжатого воздуха на поршень в тормозном цилиндре, который через систему промежуточных рычагов (рычажную передачу) передает ее тормозным колодкам. Эффективность передачи усилия [4], создаваемого штоком цилиндра, зависит от числа промежуточных звеньев между цилиндром и колесом. Преобладающая на сегодняшний день конструкция имеет в своем составе ряд горизонтальных двуплечих рычагов, которые необходимы для использования (передачи) прямого толкающего действия штока цилиндра. Кроме того, для колодочного тормоза указанная сила зависит от величины усилий поджатия пружин цилиндра и авторегулятора тормозной рычажной передачи, их коэффициентов полезного действия. Рычажная передача характеризуется своим коэффициентом полезного действия, под которым понимается отношение усилия фактического нажатия тормозных колодок к расчетному (без потерь в передаче). Таким образом появляются неравномерные износы на поверхности колодки в следствие наличия зазоров в шарнирных соединениях.

Тормозной цилиндр обычно закрепляется на раме вагона. Его усилие передается на тормозные колодки с определенными потерями на трение в цилиндре и потерями в рычажной передаче. Установленный автоматический регулятор тормозной рычажной передачи также уменьшает указанное усилие. Важно сохранить при торможениях постоянство усилий внутренних пружин, действие которых, направлено против усилий штока тормозного цилиндра. Поэтому целесообразно использовать тормозные цилиндры со встроенным авторегулятором.

Выбор принципиальной схемы механической части тормозной системы вагона

Выбор схемы тормозной рычажной передачи (ТРП) определяется типом подвижного состава и конструкцией ходовых частей. При этом ТРП конструируют с учетом реализации требуемого нажатия тормозных колодок и допускаемого удельного давления колодок на колесо.

Выбор конструкции рычажной передачи зависит от количества тормозных колодок, которое определяется необходимой величиной тормозного усилия и допускаемым удельным давлением на колодку.

Тормозная рычажная передача предназначена для передачи усилия, развиваемого на штоке тормозного цилиндра, на тормозные колодки. По действию на колесо различают рычажные передачи с односторонним и двусторонним нажатием колодок. Тормозная рычажная передача с двусторонним нажатием колодок имеет преимущества по сравнению с односторонним нажатием.

При двухстороннем нажатии колодок колесная пара не подвергается выворачивающему действию в буксах в направлении силы нажатия колодок, удельное давление на каждую колодку меньше, следовательно, меньше износ колодок, коэффициент трения между колодкой и колесом больше, однако рычажная передача при двустороннем нажатии значительно сложнее по конструкции и тяжелее, чем при одностороннем, а температура нагрева колодок при торможении выше. С применением композиционных колодок недостатки одностороннего нажатия становятся менее ощутимыми вследствие меньшего нажатия на каждую колодку и более высокого коэффициента трения.

Моделирование усилий на рычажные звенья потележечной тормозной системы

В целом, предлагаемая тормозная система кинематическая модель первого уровня тормозной рычажной передачи потележечной тормозной системы грузовых вагонов имеют механическую часть со встроенным регулятором рычажной передачи в тормозной системе тележки грузового вагона (рисунок 1).

Потележечная тормозная система позволяет за счет сокращения числа рычагов и тяг тормозной рычажной передачи уменьшить время на прижатие тормозных колодок в процессе торможения.

Рисунок 1. Схема тормозной системы тележки грузового вагона [15]

1 – тормозной цилиндр со встроенным авторегулятором для каждой оси; 2 – детали крепления для тормозного цилиндра; 3, 4 – горизонтальная тормозная рычажная передача; 5 – вертикальная тормозная рычажная передача; 6 – нижняя тяга; 7 – триангель; 8 – колодка.

Данная работа посвящена структурному и кинематическому анализу рычажного передаточного механизма системы торможения подвижного состава. Определены степень подвижности, аналоги линейных скоростей и ускорений точек и угловых скоростей, и ускорений звеньев механизма, а также значения линейных и угловых скоростей и ускорений. На рис 2 приведения кинематическая схема передаточного механизма тормозной системы.

Рисунок 2. Расчетная схема передаточного механизма

Работа тормозной системы происходит следующим образом, тормозной цилиндр 1 приводит в движение рычаг 2, которая толкает рычаг 3, рычаг 4 соединен с рычагом 5 которая толкает тормозною колодку 6 до соприкосновения с колесом 7. Так как система торможения не симметрична, то для исследования выбираем правильную рычажную передачу; точки соединения рычагов; координата; начальные состояние; зазор между колесом и колодкой; базовая точка; уголь поворота.

Для определения степени подвижности механизма воспользуемся формулой

                                     (1)

где число подвижных звеньев механизма;

число кинематических пар пятого класса;

число кинематических пар четвертого класса.

Механизм имеет четыре подвижных звеньев, и 5 кинематических пар пятого и 1 пару четвертого класса.

Если кинематическая пара Е пятого класса, то   тогда  следовательно, имеется одна лишняя положенная связь.

Для кинематического анализа механизма воспользуемся методом замкнутых контуров. Из рис.2 контур представим в виде векторного уравнения

                                         (2)

Проектируя это векторное уравнение на оси Ох и Оу получим

                            (3)

Из второго уравнения (3) имеем

                                          (4)

Из рис.2 видно вектор  может находится только первой четверти, т.е.  всегда положителен, из первого уравнения (3) получим величину перемещения имеем

                             (5)

Выразим

                                       (6)

Подставив в (6) значения  из (4) получим

                  (7)

Для определения аналога скорости вена 5 продифференцируем (3) по обобщенной координате

                            (8)

                                (9)

где аналог угловой скорости или передаточная функция;

аналог скорости точки Е.

Из выражения (9) определим аналог узловой скорости звена 1

                                               (10)

Из (8) определим аналог скорости  подставив значения аналога угловой скорости  из (10)

                                          (11)

Для определения аналогов углового ускорения звена 1 и аналога ускорения звена 4 про дифференцируем уравнения (8) и (9) по обобщенной координате

                   (12)

где: аналог углового ускорения звена 1;

аналог ускорения звена 4

Из второго уравнения (12) определим аналог углового ускорения

                                      (13)

Подставив значения аналога углового ускорения в первое уравнение (12) находим аналог ускорения  

                                (14)

Действительные скорости  и ускорения  и  равны

Где  и  заданная угловая скорость и ускорение звена 1.

Величину перемещения звена 4 удобнее измеряет от крайнего правого предельного положения механизма, когда точка  занимает положение  (рис 2). Тогда величина будет равно.

     (15)

Определяем силу прижатия тормозной колодки к колесу.

Сила  определяется по формуле

                                           (16)

где сила развиваемая в тормозное цилиндре,  

где давление воздуха в цилиндре

площадь поперечного сечение цилиндра [м²];

Подставим значения  из (10) получим

                                  (17)

Сила торможения определяем по формуле

                 (18)

Скорость зависит от силы нажатия колодок и коэффициента трения [12]:

для чугунных колодок:

                      (19)

для композиционных колодок:

                    (20)

Представим связь силы нажатия от давлениеми в виде:

                                                   (21)

где: сила нажатия, кН;

для композиционных колодок

для чугунных колодок

допустимое давление, кН/м²;

площадь колодки м²;

Тормозной момент определяем по формуле

где радиус колеса, [м]

Определим тормозную силу, вычислив по формуле (18) в зависимости от закона изменения длины рычагов. Полученные резултаты представлены на рис.3,4

Рисунок 3. Зависимость силы торможения от длины рычагов для чугунных колодок

Рисунок 4. Зависимость силы торможения от длины рычагов для копозиционных колодок

Вывод

Разработанная уточненная математичесая модель передаточного механизима тормозной системы грузовых вагонов позволило провести структурный, киниматический анализ, устоновить зависимость усилия торможения от геометрических параметров звеньев на ранних этапах проектирования, выявлять возможные отклонения показателей в тормозной системы от нормативных параметров и выбирать рациональные параметры элементов тормозной рычажной передачи. Из графиков и, сформированных в результате вышеприведенных расчетов заметно, что тормозная сила оказалась выше у композиционных колодок в результате чего происходят изменения геометрических размеров (длины) рычагов С-Д при скорости торможения 30 км/ч. Сравнительный анализ графиков зависимости силы торможения от вида колодок показал, его при одинаковых значения длин звеньев, 0,6-0,66 тормозная сила с композитными колодками выше.

Список литературы:

1. Рожкова Е.А. Оценка эффективности работы тормозного оборудования инновационных грузовых вагонов // Вестник Брянского государственного технического университета № 3(100) 2021. С. – 49 – 53.
2. Галай Э.И. Тормозные системы железнодорожного транспорта. Расчет пневматических тормозов: учеб пособие / Э.И. Галай, Е.Э. Галай, П.К. Рудов; М-во образования Респ. Белорусь, Белорус. гос. ун-т трансп. –Гомель: БелГУТ, 2014. – 271с.
3. Орлова А.М. Конструкция тележки с осевой нагрузкой 27 тс с интегрированной тормозной системой / А.М. Орлова, В.С. Бабанин, А.Л. Ковязин, И.В. Турутин // Железнодорожный транспорт. – 2018. – № 7. – С. 61–67.
4. Синицын В. В. Тормозная система для потележечного торможения грузовых вагонов / В.В. Синицын, В.В. Кобищанов // Вестник Брянского государственного технического университета № 3 (88) 2020 – С. 21 – 28.
5. Анисимов П.С. Расчет и проектирование пневматической и механической частей тормозов вагонов / П.С. Анисимов, В.А. Юдин, А.Н. Шмаков, С.Н. Коржин; под ред. П.С. Анисимова. – М.: Маршрут, 2005. – 248 с.
6. Клушанцев Д. Е. / Методика проектирования тормозных систем грузовых вагонов с раздельным приводом // Современные технологии – транспорту ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС 2011/3. С –53 – 62.
7. Технические требования к тормозному оборудованию грузовых вагонов постройки заводов РФ. Типовой расчет тормоза грузовых и рефрижераторных вагонов. – М.: МПС РФ, 1996. – 77
8. Технические требования к тормозному оборудованию грузовых вагонов постройки заводов РФ. Расчет рычажная передача. АО «Научно – производственная корпорация Уралвагонзавод», 2017. – 14
9. Improvement of brake lever transmission for dump cars D Voloshin, І Afanasenko, I Derevianchuk
10.  An investigation on braking systems used in railway vehicles M. Günay, M. Korkmaz, R. Özmen Published 2020 Computer Science Engineering Science and Technology, an International Journal DOI:10.1016/ j.jestch. 2020.01.009 Corpus ID: 213326864
11.  Djanikulov A.T., MamayevSh.I., Kasimov O.T. Modeling of rotational oscillations in a diesel locomotive wheel-motor block // Journal of Physics: Conference Series. ICMSIT-II 2021, IOP Publishing, 1889 (2021) 022017, doi:10.1088/1742-6596/1889/2/022017, May 30-June 3, 2021. (Scopus ).
12.  Галай Э.И. Композиционные тормозные колодки со вставками из специального чугуна / Э.И. Галай, П.К. Рудов, Е.Э. Галай // Механика. Исследования и инновации. – 2019 № 12. – С. 41 –47.
13.  S. Djabborov, K. Turanov, A. Gordienko S. Saidivaliev,. Designing the height of the first profile of the marshalling hump // E3S Web of Conferences, Vol. 164, 03038 (2020), (SCOPUS).
14.  S. Djabborov, K. Turanov, A. Gordienko, S. Saidivaliev. Movement of the wagon on the marshalling hump under the impact of air environment and tailwind // E3S Web of Conferences, Vol. 164, 03041 (2020), (SCOPUS).
15.  С.Г. Инагамов / Совершенствование рычажной передачи для потележечной тормозной системы грузового вагона // Проблемы безопасности на nранспорте: материалы ХI Междунар. науч.-практ. конф. (Гомель, 25–26 ноября 2021 г.) : в 2 ч. Ч. 1 / М-во трансп. и коммуникаций Респ. Беларусь, Бел. ж. д., Белорус. гос. ун-т трансп; под общ. ред. Ю. И. Кулаженко. – Гомель: БелГУТ, 2021. – 338 с. ISBN 978-985-891-052-5 (ч. 1)