Классификация динамических явлений в тяговом приводе локомотива

мирового опыта [Текст] / Алтангэрэл Энх-Амгалан // nal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 27, no. 3, Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообще- pp. 9 - 17. (In Russian). ния. - Омск. - 2016. - № 3 (27). - С. 9 - 17.

УДК 626.424.1

Д. Я. Антипин1, Д. А. Бондаренко1, О. В. Измеров2, М. А. Маслов1

1Брянский государственный технический университет (БГТУ), 2администрация губернатора Брянской области и правительства Брянской области, г. Брянск, Российская Федерация

КЛАССИФИКАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ТЯГОВОМ ПРИВОДЕ ЛОКОМОТИВА

Аннотация. Проведен анализ причин низкой эффективности накопленных знаний о динамике тягового привода локомотива. Установлено, что использование научной информации затруднено из-за ее противоречивости и недостаточной систематизированности. Предложена классификация динамических явлений в тяговом приводе локомотива, облегчающая поиск новых технических решений. Классификация использована при создании новой конструкции резинокордной муфты, защищенной патентом.

Ключевые слова: тяговый привод, динамические явления, резинокордная муфта, тепловоз.

Dmitry Y. Antipin1, Denis A. Bondarenko1, Oleg V. Izmerov2, Maksim A. Maslov1

1Bryansk State Technical University (BSTU),

2Governor of the Bryansk regional administration and the Government of the Bryansk region, Bryansk, Russia

CLASSIFICATION OF DYNAMIC PHENOMENA IN THE TRACTION DRIVE

LOCOMOTIVE

Abstract. The analysis of the causes of low efficiency of existing knowledge about the dynamics of the locomotive traction drive. It was found that the use of scientific information is difficult because of its inconsistency and lack of sys-tematization. The classification of dynamic phenomena in the locomotive traction drive to facilitate the search for new technical solutions. Classification is used to create a new design rubber-cord coupling protected by a patent.

Keywords: traction drive, dynamic phenomena, rubber-clutch locomotive.

Как показывает практика, наличие большого объема информации о динамике тяговых приводов, накопленной за несколько десятилетий исследований и доступной разработчикам, само по себе не гарантирует появления внезапных отказов привода в эксплуатации или других проблем, вызванных динамическими явлениями. Так, в тяговых приводах, созданных в последние 10 лет, обнаруживались такие проблемы, как повреждение шарниров подвесок тяговых электродвигателей (ТЭД), обрывы подвесок, ослабление болтов крепления ТЭД к раме тележки, срез болтов фланцевого соединения ТЭД и тяговой передачи, разрывы компенсирующих муфт. В связи с этим целесообразно проанализировать причины низкой эффективности накопленных знаний о динамике тягового привода.

Проведенный авторами анализ работ по развитию теории динамики тягового привода позволил выявить три основных направления исследовательской деятельности: теоретический анализ, экспериментальные исследования и моделирование. Вследствие того, что большая часть работ посвящена решению конкретных проблем, поиск требуемых данных затруднен вследствие того, что они распределены по значительному числу источников (публикации, отчеты о результатах испытаний). Интерпретация данных также затруднена как из-за того, что приводимые в отчетах и публикациях результаты исследований приводят к противоречивым выводам, так и вследствие различий в динамических явлениях в прототипе и проектируемом приводе, что в свою очередь является следствием многокомпонентности процесса и изменения вида процесса при изменении режимов движения. Так, на рисунке 1 пред-

ставлены осциллограммы динамического момента М в валопроводах тягового привода с осевым редуктором и возмущающего фактора в виде вертикальных перемещений буксы относительно рамы тележки (ВПБ).

Рисунок 1 - Изменение вида динамических процессов в тяговом приводе при изменении скорости движения

Как видно на рисунке 1, при скорости движения 40 км/ч оба процесса похожи на периодические импульсы, возникающие при прохождении стыковых неровностей пути. При скорости 70 км/ч, когда частота прохождения стыков становится кратной частоте собственных колебаний кузова на рессорах, возмущение приобретает вид узкополосного случайного процесса, а осциллограмма реакции системы сохраняет вид процесса со значительной импульсной составляющей. Наконец, при 95 км/ч на узкополосный случайный процесс становится похожа осциллограмма реакции системы, а осциллограмма возмущения начинает походить на широкополосный случайный процесс. Принятие за основу при анализе разных моделей процесса приводит к разнице принимаемых допущений, и зачастую - к противоречиям рекомендаций различных исследователей в зависимости от режима движения (выбег, под нагрузкой) вследствие влияния зазоров в передаче и нелинейной характеристики упругих элементов. При исследовании тягового привода тепловоза 2ТЭ121 было установлено, что эквивалентная крутильная жесткость валопроводов, определенная путем получения АЧХ на основе спектрального анализа возмущения и реакции системы, при приложении тягового момента меняется в 2 - 3,3 раза по сравнению с режимом выбега, что превышает влияние изменения жесткости валопроводов конструктивным путем (таблица).

Исследование тягового привода тепловоза 2ТЭ121

Вариант Режим Расчетная собственная частота £>, Гц Экспериментальная собственная частота, :с, Гц Эквивалентная жесткость сэк, Нм/рад Параметр затухания ^

Штатное Выбег 3,75 3,5 • 104 0,27

УЗК 15 п.к. 5 5,75 8,25 104 0,22

«Мягкое» Выбег 3,00 2,25 •Ю4 0,14

УЗК 15 п.к. 5,5 7,5 •Ю4 0,09

Выбег 4,25 4,5 • 104 0,30

15 п.к. 6 6,00 9104 0,15

Возможности прогнозирования динамических свойств привода методами моделирования ограничены ввиду недостаточной изученности ряда внешних воздействий.

Возникает необходимость дальнейшей систематизации данных о динамических явлениях в тяговом приводе и представления их в интуитивно понятном виде. Авторами предложена классификация динамических факторов, действующих на элементы колесно-моторного блока, представленная в виде сетевой модели (рисунок 2).

18 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ПД<| /1

2016

Классификация содержит три уровня - физические явления, вызывающие динамические нагрузки, виды конкретных проявлений этих физических явлений и группы деталей и узлов, подвергающихся динамическим нагрузкам. Строгая типологизация динамических эффектов затруднена вследствие многообразия как причин их появления, так и внешних проявлений. Одни и те же процессы, например, динамические моменты в валопроводах при проходе неровностей пути можно рассматривать как случайные стационарные узкополосные процессы, как квазидетерминированные, как нестационарные процессы (одиночные удары), как случайные квазипериодические и т. п.

Рисунок 2 - Классификация динамических воздействий на тяговый привод

Корректность модели динамического процесса определяется возможностью в процессе ресурсных испытаний узлов воспроизвести их повреждаемость, соответствующую наблюдаемой в эксплуатации, чтобы прогнозировать технико-экономические показатели локомотива. Повреждаемость вызвана обычно факторами, обусловленными передачей энергии от его источника повреждаемому элементу.

Данная классификация облегчает поиск новых технических решений тягового привода. Например, как отмечено в работе [1], на железных дорогах продолжается использование тяговых приводов с осевым редуктором. Применение в этом типе привода двойной зубчатой муфты для соединения двигателя и редуктора имеет недостаток - как видно из классификации, на валы и муфты привода действуют динамические нагрузки, обусловленные целым рядом процессов, а двойная зубчатая муфта не обладает амортизирующими свойствами. Попытки же использовать в приводе такого типа эластичную дисковую резинокордную муфту

27) 6

связаны с трудностями монтажа муфты под локомотивом, некачественный монтаж приводит к выходу муфты из строя. В связи с этим авторами предложен вариант резинокордной муфты, где затяжка резинокордных элементов производится до установки на локомотив и может быть автоматизирована.

Муфта (рисунок 3) включает в себя резинокордные элементы 1, нажимные кольца наружные 2 и внутренние 3, соединенные соответственно с наружным фланцем 4 и внутренним фланцем 5 с помощью болтов 6, гаек 7 и дистанционных колец 8, при этом наружный фланец 4 имеет дополнительные отверстия для болтов 9 для связи с деталью привода 11, а внутренний фланец - дополнительные отверстия для болтов 10 и торцевые шлицы для связи с деталью привода 12.

Передача крутящего момента осуществляется за счет трения между резинокордными элементами и 4

фланцами муфты, а также торцевыми шлицами внутреннего фланца и болтовым соединением внешнего фланца. Конструкция муфты защищена патентом РФ на изобретение [2].

В опорно-осевых тяговых приводах замена траверсной подвески на подвеску типа «Серьга» обычно затруднена малыми габаритами размещения подвески, и, как следствие, высокими деформациями перекоса в шарнирах при поперечном перемещении ТЭД. Попытки уменьшить перекос шарнира за счет поперечного скольжения их по осям приводили к заклиниванию втулок на осях и разрушению шарниров. Авторами предложена конструкция подвески, которая лишена этого недостатка (рисунок 4). Она содержит ось колесной пары 1, поводок 2, посредством сайлентблоков 3 и 4 и

осей 5 и 6 связанный с кронштейном 7 на корпусе дви- Рисунок 3 - Усовершенствованная

гателя 8 и рамой тележки 9. Нижний сайлентблок 3 конструкция резинокордной муфты смонтирован на оси с возможностью осевого перемещения в пределах 1 - 1,2 мм от максимальной амплитуды поперечных перемещений колесной пары относительно рамы тележки. При этом резиновая втулка нижнего сайлентблока 3 имеет сферическую форму, а длина втулки верхнего сайлентблока 4 - не менее 2/3 от величины межцентрового расстояния по шарнирам подвески Ь. Пространство между осью 5 и сайлентблоком 3 заполнено смазывающей жидкостью 10 с ферромагнитными наночастица-ми, а в кольцевой расточке нижнего сферического сайлентблока 3 установлены постоянные магниты 11. При поперечном перемещении кронштейна 7 втулка нижнего сайлентблока 3 скользит по оси 5 без перекоса поводка 2, поскольку длина 1;в резиновой втулки верхнего сайлентблока - не менее 2/3 от длины подвески Ь. Отсутствие перекоса поводка 2 приводит к отсутствию перекоса нижнего сайлентблока 3, в результате чего давление внутренней обоймы сайлентблока 3 на ось 5 распространяется равномерно по длине контакта сайлентблока 4 и оси 5, что предотвращает разрушение слоя смазочной жидкости 10 и заклинивание сай-лентблока 4 на оси 5.

Благодаря сферической форме сайлентблока 3 непараллельность осей 5 и 6 сайлентбло-ков 3 и 4 также не вызывает неравномерного распределения давления внутренней обоймы сайлентблока 3 на ось 5 по длине контакта сайлентблока 4 и оси 5. Постоянные магниты 11 удерживают смазочную жидкость в зазоре между сайлентблоком 3 и осью 5, не допуская сухого трения и задиров. Таким образом, практически исключаются условия заклинивания внутренней втулки сайлентблока на оси вследствие износа поверхностей втулки и оси, изменения коэффициента трения от высыхания смазки, а также изменения жесткости резины вту-

лок сайлентблоков при низкой температуре и вследствие старения резины. Конструкция подвески также защищена патентом РФ на изобретение [3]

в

б

Рисунок 4 - Укороченная подвеска для ТЭД или осевого редуктора

Насущной проблемой после внедрения асинхронных ТЭД стало ослабление болтов крепления ТЭД к раме тележки, которое может возникать из-за температурных деформаций, вибраций и ударов. Как показала практика, достаточно надежно работают узлы крепления, аналогичные применяемым в тяговых приводах с полым валом на оси, но в них обычно затруднена вертикальная регулировка положения ТЭД. В связи с этим авторами предложена следующая конструкция крепления ТЭД (рисунок 5).

Рисунок 5 - Узел подвешивания ТЭД на тележке с резинометаллическими шарнирами: 1 - ТЭД, 2 - рама тележки; 3, 9 - валики; 4 - кронштейн; 5 - тяга; 6, 7 - резинометаллические шарниры;

8 - рычаг; 10 - болт; 11 - прокладка

При расширении остова ТЭД 1 конец кронштейна 4 свободно перемещается в горизонтальном направлении благодаря возможности закручивания резинометаллических шарниров 6 и 7. При возникновении резонансных колебаний ТЭД на раме тележки их величина снижается вследствие рассеивания энергии колебаний за счет трения резинометаллических шарниров 6 и 7 и на поверхностях валиков 3 и 9.

Регулировка соосности валов ТЭД и зубчатой муфты производится путем подбора толщины прокладки 11. Конструкция защищена патентом на полезную модель № 157051.

В результате проведенного анализа установлено, что использование научно-технической информации о динамических свойствах тягового привода затруднительно ввиду недостаточной систематизированности и противоречивости информации в большом числе источников, в условиях сложности и многообразия динамических процессов в тяговом приводе.

Предложена классификация динамических явлений в тяговых приводах, представляющая информацию об этих явлениях в интуитивно понятном виде. Классификация использована при создании новой конструкции резинокордной муфты тягового привода и узлов подвешивания ТЭД, конструкции которых защищены патентами.

Список литературы

1. Kolar J. Design of a Wheelset Drive [Text] / Josef Kolar // Tran sactions on Electrical Engineering, 2015. - Vol. 4. - №. 1. - P. 11 - 19.

2. Пат. 2527254 Российская Федерация, МПК F 16 D 3/78. Компенсационная муфта тягового привода локомотива [Текст] / Луков Н. М., Ромашкова О. Н. и др.; заявитель и патентообладатель Московский гос. ун-т путей сообщения. - № 2012154982/11; заявл. 19.12.2012; опубл. 27.08.2014, Бюл. № 24.

3. Пат. 2549427 Российская Федерация, МПК В 61 С 9/50. Узел подвешивания тягового электродвигателя тягового электродвигателя [Текст] / Пугачев А. А., Волохов С. Г. и др.; заявитель и патентообладатель Брянский гос. техн. ун-т. - № 2012154982/11; заявл. 25.02.2014; опубл. 27.04.2015, Бюл. № 12.

References

1. Kolar J. Design of a Wheelset Drive. Transactions on Electrical Engineering, Vol. 4 (2015), no. 1, pp. 11 - 19.

2. Lukow N. M., Romashkova O. N., Kosmodamianskii A. S., Popov Y. V., Strekalov N. N., Serene S. A., Mihalchenko G. S., Vorobiev V. I., Novikov V. G., Measured O. V., Pugachev A.A. PatentRU2527254F16D 3/78, 27.08.2014.

3. Pugachev A. A., Volohov S. G., Izmerov O. V., Vorobiev V. I., Mihalchenko G. S., Novikov V. G. Patent RU 2549427 В 61 С 9/50, 27.04.2015.

4.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Антипин Дмитрий Яковлевич

Брянский государственный технический университет (БГТУ).

50 лет Октября бульвар, д. 7, г. Брянск, 241035, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Подвижной состав железных дорог», БГТУ.

Тел.: +7 (4832) 56-04-66.

E-mail: adya24@rambler.ru

Бондаренко Денис Андреевич

Брянский государственный технический университет (БГТУ).

Antipin Dmitry Yakovlevich

Bryansk State Technical University (BSTU). 7, 50 years of October boulevard, Bryansk, 241035, Russian Federation.

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, head of the department «Railway rolling stock», BSTU.

Phone: (4832) 56-04-66.

Bondarenko Denis Andreevich

Bryansk State Technical University (BSTU). 7, 50 years of October boulevard, Bryansk, 241035, Russian Federation.

50 лет Октября бульвар, д. 7, г. Брянск, 241035, Российская Федерация.

Ассистент кафедры «Подвижной состав железных дорог», БГТУ.

Измеров Олег Васильевич

Администрация губернатора Брянской области и правительства Брянской области.

Ленина пр., д. 33, г. Брянск, 241002, Российская Федерация.

Главный консультант отдела информационных систем хозяйственного управления администрации губернатора Брянской области и правительства Брянской области.

Маслов Максим Александрович

Брянский государственный технический университет (БГТУ).

50 лет Октября бульвар, д. 7, г. Брянск, 241035, Российская Федерация.

Аспирант кафедры «Подвижной состав железных дорог», БГТУ.

The assistant of the department «Railway rolling stock» of the Bryansk State Technical University.

Izmerov Oleg Vasilevich

Governor of the Bryansk regional administration and the Government of the Bryansk region.

33, Lenin st., Bryansk, 241002, Russian Federation.

Chief consultant of the department of information systems of economic management of the Governor of the Bryansk regional administration and the Government of the Bryansk region.

Maslov Maksim Aleksandrovich

Bryansk State Technical University (BSTU).

7, 50 years of October boulevard, Bryansk, 241035, Russian Federation.

Graduate student of the Department «Railway rolling stock», BSTU.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Классификация динамических явлений в тяговом приводе локомотива [Текст] / Д. Я. Антипин, Д. А. Бондаренко и др. // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. - № 3 (27). -С. 17 - 23.

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Antipin D. Y., Bondarenko D. A., Izmerov O. V., Maslov M. A. Classification of dynamic phenomena in the traction drive locomotive. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 27, no. 3, pp. 17 - 23. (In Russian).

УДК 629.4.02:621.01:51-7

В. Е. Гозбенко1, А. И. Карлина2

1Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС),

2Иркутский национальный исследовательский технический университет (ИрНИТУ), г. Иркутск, Российская Федерация

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВАГОНА С ДВУМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ, НАХОДЯЩЕГОСЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛЫ

Аннотация. Рассмотрены вынужденные колебания четырехосного транспортного средства, имеющего двойное рессорное подвешивание. Движение системы с шестью степенями свободы с достаточной точностью можно представить системой с двумя степенями свободы. Поэтому кузов транспортного средства обладает двумя степенями свободы: боковым относом и вилянием (подпрыгиванием и галопированием тележек будем пренебрегать). Общее число степеней свободы модели равно двум. Рассмотрен способ, который приводит к замкнутому решению для установившихся вынужденных колебаний. Определено, что при стремле-кТ к Т пп

нии -4- и -4— к (п = 1, 2,...) амплитуды колебаний будут неограниченными. Поэтому параметры к¡, к2 и

Т необходимо назначать исходя из требуемого значения амплитуд. В результате исследований составлены дифференциальные уравнения движения системы и получено аналитическое решение для случая приложения внешней кусочно-постоянной вынуждающей силы.

Ключевые слова: динамика, динамическая модель, колебания, кузов, модель неровности, колесо, возмущения, уравнения движения, жесткость, демпфирование, дифференциальные уравнения, обобщенное решение, аналитическое решение.