ИССЛЕДОВАНИЕ ПРУЖИННО-ФРИКЦИОННОГО ПОГЛОЩАЮЩЕГО АППАРАТА ГРУЗОВОГО ВАГОНА

АННОТАЦИЯ

Настоящая статья посвящена аналитическому обзору неисправностей ударно-тяговых приборов в эксплуатации. В настоящее время наибольшие скорости превышают 16 км/ч, при этом на механизированных горках со скоростями более 8 км/ч происходит уже до 60% соударений вагонов. По данным обследования, проведенного Уральским отделением ВНИИЖТ [6], максимальные скорости составили 19 км/ч. Вероятность соударений с повышенными скоростями постоянно возрастает из-за увеличения осевых нагрузок, роста числа механизированных горок и вагонов на роликовых подшипниках [5].

ABSTRACT

This article is devoted to an analytical review of malfunctions of shock traction devices in operation. Currently, at present, the highest speeds exceed 16 km/h, while on mechanized slides with speeds of more than 8 km/ h, up to 60% of car collisions already occur. According to the survey conducted by the Ural branch of VNIIZhT [6], the maximum speeds were 19 km/h. The probability of collisions with increased speeds is constantly increasing due to an increase in axial loads, an increase in the number of mechanized slides and wagons on roller bearings [5].

Ключевые слова: поглощающий аппарат, рама, вагон, аппарат, износ, требования, движение, автосцепное оборудование.

Keywords: absorbing apparatus, frame, wagon, apparatus, wear, requirements, movement, automatic coupling equipment.

Постановка задачи. Известно [10], что поглощающие аппараты на вагонах функционируют для гашения импульса удара, заметно уменьшая продольные растягивающие и сжимающие силы, переходящие на раму вагона через автосцепное устройство. На практике эксплуатации вагонов наибольшее распространение получили пружинно-фрикционные аппараты шестигранного типа Ш-1-ТМ и Ш-2-В, Ш-6-ТО-4 и др. из-за простоты и возможности их проектирования с параметрами, отвечающими требованиям безопасности движения [15].

Физическая модель пружинно-фрикционного поглощающего аппарата приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Пружинно-фрикционный поглощающий аппарат:

1 – нажимной конус; 2 – фрикционный клин; 3 – корпус аппарата; 4 – нажимная шайба; 5 – наружная пружина; 6 – внутренняя пружина; 7 – стяжной болт

Для установления причины неравномерного износа фрикционных клиньев исследована модель фрикционного клина, где принят полный контакт трущихся пар трения по их наклонным поверхностям, что позволило считать реакции внешних связей, приложенных в середине контактируемых поверхностей [3]. Изучена модель поглощающего аппарата [16], учитывающего возможный кромочный контакт трущихся тел отдельными гранями по методике [4], где реакции внешних связей заменены четырьмя составляющими вместо двух, что противоречит классическим принципам теоретической механики [18; 2]. В связи с этим можно отметить, что до сих пор остаются не исследованы причины неравномерного износа фрикционных клиньев с нажимным конусом, горловиной корпуса аппарата и нажимной шайбой как пары трения. Подлежащими нахождению являются реакции внешних связей фрикционных клиньев и координаты точек их приложения относительно принятой системы отсчета [14].

Методы решения. Воспользуемся принципом освобождаемости от связей, аксиомой равенства действия и противодействия, теоремой о трех непараллельных силах и условиями равновесия сил [18].

Принятые допущения. Предполагаем, что наклонные поверхности нажимного конуса и фрикционного клина контактируются в точке . В этой же точке приложена сила , действующая со стороны нажимного конуса и воспринимаемая одним фрикционным клином. Примем, что координаты  и  точки  относительно системы отсчета  известны. Считаем, что проекции реакции внешних связей фрикционных клиньев  и  на оси координат должны быть представлены в функции нагрузок от нажимной шайбы [6].

Решение. Технически пружинно-фрикционный поглощающий аппарат как физический объект с точки зрения теоретической механики и как клиновой механизм с точки зрения теории механизмов и машин выполнен так, что его три концентрично размещенные в шестигранной горловине корпуса 3 фрикционные клина 2 контактируются только тремя твердотельными элементами – нажимным конусом 1, корпусом 3 и нажимной шайбой 4 (рис. 1) [5; 14; 12; 15].

В качестве объекта исследования принимаем только один фрикционный клин поглощающего аппарата. Согласно принципу освобождаемости от связей [18] поверхности контакта фрикционного клина со стороны корпуса и нажимной шайбы как внешних связей заменяем реакциями связей в виде  (корпус аппарата) и  (нажимная шайба) (рис. 2). Проводим оси координат  и  так, как показано на рис. 2 [5; 14; 12].

На рис. 2 приняты следующие обозначения:  – продольная сжимающая сила от корпуса автосцепного устройства через упорную плиту;  – доля силы , действующая со стороны нажимного конуса и воспринимаемая одним фрикционным клином, т.е. ; и  – нормальная и касательная составляющая силы ;  – угол наклона фрикционного клина с горизонталью, обеспечивающий контакт клина с нажимным конусом;  – угол наклона фрикционного клина с горизонталью, обеспечивающий контакт клина с корпусом аппарата;  – угол наклона фрикционного клина с горизонталью, обеспечивающий контакт клина с нажимной шайбой [9; 1; 6; 5].

Рисунок 2. Расчетная модель фрикционного клина

Кроме того, на рис. 2 также обозначены:  и  – нормальная и касательная составляющие внешней связи  (корпус аппарата), а  и  – соответственно  (нажимная шайба); ,  и ,  – координаты точек приложения  и  относительно принятой системы отсчета , подлежащие нахождению [2; 7; 17; 8].

Теоретическая часть. Поскольку координаты  и  точки приложения доли силы , действующей со стороны нажимного конуса и воспринимаемой одним фрикционным клином, относительно принятой системы отсчета  считали известными [2; 7], то согласно теореме о трех непараллельных силах нормальные составляющие , ,  силы  и реакции связей  и  пересекаются в одной точке. Исходя из этого, можно сделать предположения о том, что координаты точек приложения реакции связей  и  в виде ,  и ,  зависят от координаты  и  точки приложения доли силы . Так, например, при увеличении (уменьшении)  увеличивается (уменьшается) , а  уменьшается (увеличивается). Такое вполне возможно при кромочном контакте трущихся тел отдельными гранями.

Напишем условия равновесия фрикционного клина в виде:

:

  (1)

:

 ; (2)

: ,                                                 (3)

где  и  – реакции внешних связей, находят по зависимостям:

, .                                                       (4)

В трех составленных уравнениях (1)–(3) неизвестных пять –  и ,  и ,  и .

Согласно закону Кулона [18]:

,                                                                              (5)

где  - коэффициент трения скольжения ( с учетом того, что  - коэффициент трения сцепления между контактирующими поверхностями груза и пола вагона, принимаемый по справочным данным).

Перепишем (1) и (2) с учетом (5):

 (6)

. (7)

После элементарных выкладок выражения (6) и (7) представим в виде следующих систем линейных алгебраических уравнений:

;

, (8)

где , ,  и  – безразмерные коэффициенты:

: ;

: ;                (9)

 и  – коэффициент, имеющий размерность силы:

;

.                                (10)

Применяя правило Крамера [2], из системы (8) находим неизвестные:

; .                             (11)

Список литературы:

1. Аналитическая статика качения колес на скоростных участках сортировочной горки / Х.Т. Туранов, А.А. Гордиенко, Ш.Б. Джабборов // Бюллетень транспортной информации. – 2019. – № 6 (288). – С. 8–16.
2. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М. : Наука, 1964. - 608 с.
3. Винокуров М.В., Шадур Л.А. Вагоны. – М. : Трансжелдориздат, 1953. – 704 с.
4. Глушко М.И., Антропова А.Н. Работа пружинно-фрикционного комплекта тележки грузового вагона // Вестник ВНИИЖТ. – 2004. – № 5. – С. 41–44.
5. К критическому анализу теоретических положений движения вагона с сортировочной горки / Х.Т. Туранов, А.А. Гордиенко, Ш.Б. Джабборов // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник. – 2018. – № 11. – С. 26–31.
6. Качение колес на скоростных участках сортировочной горки / Ш.Б. Джабборов // Вестник Луганского национального университета имени Владимира Даля. – 2019. – № 6 (24). – С. 79–83.
7. Кирьянов Д. Самоучитель MathCAD 13. - СПб. : БХБ-Петербург, 2006. - 528 с.
8. Критический анализ теоретических положений движения вагона с сортировочной горки (ч. IV) / Х.Т. Туранов, А.А. Гордиенко, Ш.Б. Джабборов // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник. – 2019. – № 1. – С. 16–20.
9. Критический анализ теоретических положений движения вагона с сортировочной горки (ч. V) / Х.Т. Туранов, А.А. Гордиенко, Ш.Б. Джабборов // Бюллетень транспортной информации. – 2019. – № 3 (285). – С. 22–27.
10. Лукин В.В., Анисимов П.С., Федосеев Ю.П. Вагоны. Общий курс : учебник для вузов ж.-д. трансп. / под ред. В.В. Лукина. - М. : Маршрут, 2004. - 424 с.
11. О вычислении профильной высоты головного участка сортировочной горки / Х.Т. Туранов, А.А. Гордиенко, Ш.У. Саидивалиев, Ш.Б. Джабборов // Бюллетень транспортной информации. – 2019. – № 12 (294). – С. 15–20.
12. О неточности формулы воздушного сопротивления при движении вагона по профилю сортировочной горки / Х.Т. Туранов, А.А. Гордиенко, Ш.У. Саидивалиев, Ш.Б. Джаббаров // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник. – 2020. – № 9. – С. 34–39.
13. О скольжении колесных пар вагона на тормозных позициях сортировочных горок / Х.Т. Туранов, А.А. Гордиенко, Ш.Б. Джаббаров, Ш.У. Саидивалиев // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник. – 2019. – № 5. – С. 16–21.
14. Об отсутствии теоретической базы формулы для определения высоты первого профильного участка сортировочного горба / Ш.У. Саидивалиев, Ш.Б. Джаббаров, Н.Б.У. Адилов, Н.К. Хожиев [и др.] // Инновации. Наука. Образование. – 2021. – № 34. – С. 1467–1481.
15. Особенности движения вагона по спускной части сортировочной горки при попутном ветре / А.А. Гордиенко, Х.Х. Джалилов, Ш.Б. Джаббаров, С.Г. Инагамов // Вестник Белорусского государственного университета транспорта: наука и транспорт. – 2020. – № 2 (41). – С. 64–67.
16. Пряников С.А. Повышение надежности автосцепного устройства грузовых вагонов на основе совершенствования контроля технического состояния пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов при ремонте: Автореф. дис. … канд. техн. наук. – Екатеринбург : УрГУПС, 2008. – 22 с.
17. Туранов Х.Т. Размещение и крепление грузов в вагонах. - Екатеринбург : УрГУПС, 2007. - 365 с.
18. Туранов Х.Т., Бондаренко А.Н. Теоретическая механика в задачах погрузки-выгрузки и перевозки грузов в вагонах. - Екатеринбург : УрГУПС, 2006. - 453 с.