СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ЛОКОМОТИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DYNAMIC DAMPING OF OSCILLATIONS OF THE TRACTION ENGINE OF LOCOMOTIVE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемая заявка относится к вопросам повышения надежности работы тягового двигателя локомотива. Уровень динамических нагрузок на основные узлы и агрегаты локомотивов и на тяговые двигатели в частности возрастает в связи с необходимостью увеличения пропускной способности дорог, что стимулирует поиск и разработку способов и средств контроля и управления динамическим состоянием тяговых двигателей локомотивов. В этом направлении научные разработки, выполняемые отечественными учеными достаточно разнообразны и содержательны и отражают внимания к вопросам динамики взаимодействия подвижного состава и пути [А.Я. Коган, Л.О. Грачева, М.Ф. Вериго, С.В. Вершинский], в меньшей степени исследованы особенности динамических взаимодействий тяговых двигателей с опорно-осевой подвеской, хотя в том направлении также определенный научно-технический задел.
Динамика тягового двигателя представляет собой достаточно сложную задачу, если учесть, что даже в простейших вариантах расчетная схема такого технического объекта представляет собой систему с двумя степенями свободы. Внешние возмущения также отличаются широким спектром воздействий. При этом тяговый двигатель с опорно-осевой подвеской подвержен динамическим нагружениям и со стороны упруго-рельсового пути и со стороны рамы локомотива в точках контактирования через амортизаторы между двигателем и балкой рамы. В связи с тем, что состояние рельсового пути не всегда являются равномерным, а условия движения, формирующие динамики локомотива, в целом, является многофакторным процессом, предварительная настройка системы подрессоривания (или вибрационной защиты), в определенном смысле, может рассматриваться как усреднено-взвешенная. Большими возможностями в этом направлении обладают системы подвешивания с автоматической поднастройкой параметров, когда динамический режим вибрационных движений тягового двигателя в зависимости от обстоятельств мог бы поднастраиваться или корректироваться с помощью специальных технических средств, работающих в режимах самоподстройки или на основе простейших форм управляемого движения.
Известны способы изменения динамических свойств технических объектов, подверженных вибрационным нагрузкам, в которых необходимые изменения динамического состояния достигаются соответствующими коррекциями приведенных масс и жесткостей механической колебательной системы, выполняемой специальными устройствами, использующими внешние источники энергии.
Интересное решение о возможностях динамического гашения колебаний технических объектов представлено в изобретении RU 2440523 С2, МПК F16F 15/04, F16F 7/10 "Способ регулирования жесткости виброзащитной системы и устройство для его осуществления"(опубл. 20.01.2012 бюл. №2. Авторский коллектив: Хоменко Андрей Павлович, Елисеев Сергей Викторович, Белокобыльский Сергей Владимирович, Упырь Роман Юрьевич, Трофимов Андрей Нарьевич, Паршута Евгений Александрович, Сорин Виктор Валентинович).
Способ регулирования жесткости заключается в установке пружины с положительной жесткостью и дополнительного упругого элемента в виде вращающихся масс. Вращение масс вокруг вертикальной оси создает центробежные силы, обеспечивающие изменение суммарной жесткости устройства. Вращение масс создает "отрицательную" жесткость, которая зависит от угловой скорости вращения. Виброзащитное устройство содержит упругие дополнительные элементы в виде отдельных масс, соединенных шарнирно с помощью рычагов с основанием и объектом защиты.
Изобретение заключается в том, чтобы простейшим способом обеспечить гашение вибраций объекта защиты, что достигается тем, что виброзащитная система включает дополнительные упругие элементы в виде масс и вращающихся вокруг вертикальной оси, что создает центробежные силы, обеспечивающие изменение суммарной жесткости устройства, причем вращение масс создает отрицательную жесткость, и она зависит от угловой скорости вращения. Упругие дополнительные устройства представлены в виде отдельных масс, соединенных шарнирно с помощью рычагов с основанием и объектом защиты с возможностью создания центробежных инерционных сил вращения вокруг вертикальной оси.
Вибрационное устройство для реализации способа предусматривает, что упругие дополнительные устройства представлены в виде отдельных масс, соединенных шарнирно с помощью рычагов с основанием и объектом защиты с возможностью создания центробежных инерционных сил вращения вокруг вертикальной оси.
Недостатком такого подхода является не только определенная громоздкость конструктивно-технического решения, но и наличие большого числа кинематических пар, которые ориентированы на работу в условиях повышенных динамических нагружений и сложных динамических взаимодействий элементов системы, что снижает ресурс надежности работы системы корректировки и возможности быстрой поднастройки параметров. При этом необходимо отметить, что используемое в системе корректировки свойств устройство для преобразования движения в виде вращающегося механизма по типу группы Ассура 2-го рода не является компактным.
Корректировка динамических свойств в системах вибрационной защиты тяговых двигателей может достигаться установкой специальных устройств для преобразования движения, которые могут размещаться не только в зоне контакта тягового двигателя с рамой тележки, но и в буксовой ступеньке. Интересен в этом отношении подход, обозначенный в патенте на полезную модель RU 29504 U1 МПК B60L 9/00 (Авторский коллектив: Хоменко А.П., Милованов А.И., Гозбенко В.Е., Ермошенко Ю.В. "Устройство для гашения линейных и крутильных колебаний в подвеске тягового двигателя с опорно-осевой подвеской". Опубликовано 20.05.2003. Бюл. №14).
Устройство для гашения линейных и крутильных колебаний в подвеске тягового электродвигателя с опорно-осевой подвеской, содержащее средства эффективной защиты от вибраций в системе опорно-осевой подвески тягового двигателя локомотива, такие как пружинные комплекты, состоящие из четырех пружин, расположенных между двумя балками и стянутые болтами, или упругие резиновые шайбы, представляющие блок амортизаторов, составляющие основную механическую цепь средств виброзащиты, отличающееся тем, что оно содержит параллельно основной цепи дополнительную цепь, в виде несамотормозящей битовой пары, подвижным звеном в которой служит гайка-маховик с возможностью исключения угловых флуктуаций крутильных колебаний и поперечных компонентов вертикального движения тягового двигателя, при этом связь гайки-маховика с рамой электродвигателя выполнена с исключением или с возможностью обеспечения относительного движения, соединение винта с рамой выполнено соответственно с возможностью обеспечения или исключением относительного движения.
Рассматриваемое изобретение обладает потенциалом востребованности, поскольку содержит интересное предложение об использовании компактного механизма или устройства для преобразования движения, способного создавать эффекты существенного изменения приведенных массоинерционных характеристик подвески тягового двигателя с опорно-осевой подвеской. Вместе с тем, настройка такого рода устройств является разовой и в принципе не ориентирована на возможности адаптации к изменениям условий эксплуатации и параметров внешнего периодического возмущения со стороны колесной пары.
Ближайшим аналогом является изобретение «Устройство для гашения колебаний в железнодорожном транспортном средстве, выполняющем грузовые перевозки» (RU 2569970 С2, МПК В60Р 7/18; F16F 7/02, опубл. 06.06.2015, бюл. №16; авторский коллектив: Оленцевич Виктория Александровна, Милованов Николай Алексеевич, Гозбенко Валерий Ерофеевич, Милованов Алексей Игоревич). Устройство содержит подвижную контейнерную площадку, грузовой контейнер и дополнительную цепь виброзащиты. Фрикционные гасители колебаний выполнены в виде закрепленных на боковой поверхности грузового контейнера цилиндров. Штоки размещены во внутренних полостях цилиндров. Цилиндры опираются на контейнерную площадку. Гайки-маховики составляют несамотормозящие винтовые кинематические пары с внутренней стенкой цилиндров и со штоками. Свободные внутренние полости цилиндров заполнены гидравлической смесью. В гайках-маховиках выполнены дроссельные каналы. Достигается снижение инерционных нагрузок.
Предлагаемая в патенте схема конструктивного комплекса, представляющего собой единичное рабочее звено процесса грузовых перевозок, решает задачу создания дополнительной цепи для гашения колебаний в относительном движении объектов, составляющих это звено, - подвижной контейнерной площадки и размещенного на ней грузового контейнера. Дополнительная цепь последовательно связана с основной цепью, представленной упругой связью буксы с подвижной контейнерной площадкой.
Схема связи подвижной контейнерной площадки с грузовым контейнером реализуется посредством стационарных упругих элементов, выполненных в виде пружины или резинометаллического амортизатора, и цилиндров - фрикционных гасителей колебаний. Для размещения стационарных упругих элементов в опорных поверхностях контейнера и площадки выполнены углубления. Связи цилиндров с площадкой и контейнером представляют собой сферические шарнирные опоры, защищенные от попадания пыли и грязи эластичными кожухами.
С цилиндром фрикционного гасителя колебаний используется сферическая шарнирная опора, шток, гайка-маховик, составляющая несамотормозящие винтовые кинематические пары со штоком своей внутренней резьбовой поверхностью и с цилиндром внешней резьбовой поверхностью. Опирание штока на площадку осуществляется в нижнем сферическом шарнире, опирание цилиндра на стенку контейнера - в верхнем сферическом шарнире. Предотвращение попадания пыли и грязи во внутреннюю полость цилиндра обеспечивается уплотнениями.
Демпфирование колебаний в относительном движении контейнерной площадки и размещенного на ней контейнера осуществляется за счет диссипации энергии во фрикционных винтовых кинематических парах «гайка-маховик - шток» и «гайка-маховик - цилиндр».
Предложено конструктивно - техническое решение в объединении в структуре одного механизма для преобразования движения возможностей приведенных массоинерционных характеристик и эффектов рассеивания энергии при взаимодействиях вращающейся гайки с внутренней поверхностью гасителя колебаний. При всей оригинальности подхода необходимо отметить практически мало устранимый недостаток, заключающийся в необходимости компенсации влияния износа трущихся поверхностей амортизатора, учитывая специфику работы тягового двигателя, заключающуюся в непрерывных динамических внешних нагружениях. Рассматриваемое в патенте предложение не обладает возможностями автоматической поднастройки параметров.
В предлагаемом способе динамического гашения колебаний тягового двигателя реализуются интегральный подход, в котором устраняются недостатки рассмотренных предложений и использовано рациональное объединение идей о применении специальных механизмов для преобразования движения и возможностей изменения параметров системы с помощью системы управления.
Цель предлагаемого способа динамического гашения колебаний тягового двигателя с опорно-осевой подвеской заключается в получении эффекта динамического гашения по двум координатам вертикальных колебаний тягового двигателя, что достигается использованием специальных устройств для изменения приведенной массы двигателя, реализуемой с помощью специальной системы управления динамическим состоянием.
Тяговый двигатель с опорно-осевой подвеской представляет собой колебательную систему в виде твердого тела на упругих опорах и совершает вертикальные колебания по двум степеням свободы.
l
2
Двигатель обладает массой М и моментом инерции J. Опоры двигателя в расчетах приводятся к двум упругим элементам с жесткостями k и k. Устройства для преобразования движения представляют собой винтовые несамотормозящиеся механизмы, имеющие гайки-маховики, на одном из которых установлено устройство, реализующее тормозной момент путем прижатия фрикционной колодки к ободу гайки-маховика. Действие тормозного момента на ободе гайки-маховика трансформируется в соответствующее изменение приведенной массы двигателя, что влияет на перераспределение усилий между элементами системы и обеспечивает возможности получения различных режимов динамического гашения за счет настройки со стороны внешних действующих возмущений в виде известного закона движения опорной поверхности. Система управления имеет измерительные устройства для регистрации колебаний двигателя, блок для обработки информации и источник энергии и исполнительный механизм прижатия фрикционной колодки.
1
2
1
2
Реализация способа динамического гашения колебаний осуществляется следующим образом. При движении локомотива тяговый двигатель получает кинематическое возмущение со стороны опорной поверхности. Законы движения поверхности в виде z(t) и z(t) полагаются известными. Принципиальная схема двигателя приведена на фиг. 1. Тяговый двигатель 3 обладает массой М и моментом инерции J. Положение тягового двигателя описывается координатами y и y. Параметры вибрации определяются датчиками вибраций 4, подающими сигналы через коммуникации 5 в блок обработки информации 6.
1
2
1
2
Тяговый двигатель 3 опирается на упругие элементы 1 и 7 с жесткостями k и k. Кроме того, опора за счет введения дополнительных устройств для преобразования движения (УПД) 2 и 8 с параметрами L и L соответственно.
2
Устройство для преобразования движения (УПД) с параметром L является настроечным.
Порядок работы настроечного УПД показан на фиг. 2, где схематично изображены элементы несамотормозящегося винтового механизма, состоящего из ходового винта 9, гайки-маховика 10 и прижимного механизма с фрикционной колодкой 11 и сервоприводом 12.
1
2
1
2
Система управления имеет встраиваемый источник энергии для приведения в движение сервопривода. В зависимости от условий движения система может реализовывать режимы динамического гашения по координатам y и y, отдельно на соответствующих координатах y и y, а также обеспечивать одновременное динамическое гашение по двум координатам, что может быть реализовано на определенной скорости движения путем настройки системы.