УДК 629.4.01
,
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПОГЛОЩАЮЩИХ АППАРАТОВ
С ОБЪЕМНЫМИ РАСПОРНЫМИ БЛОКАМИ
Представлены конструкции новых поглощающих аппаратов с распорными блоками. Построены математические модели, описывающие процессы ударного сжатия. Проведен прочностной расчет распорного блока аппарата.
Ключевые слова: поглощающий аппарат, продольная динамика, распорный блок, полимерный элемент, прочностной расчет.
Устанавливаемый на подвижном составе поглощающий аппарат (амортизатор удара) должен снижать продольные силы при формировании состава на сортировочных горках и при переходных режимах движения поезда. От исправного и эффективного действия амортизатора зависит сохранность самого подвижного состава и перевозимых грузов.
В настоящее время активно используются комбинированные фрикционно-полимерные поглощающие аппараты ПМКП-110, РТ-120, относящиеся к классу Т1 [1]. Для создания давления на поверхности трения в этих поглощающих аппаратах используется клиновой распор, который имеет некоторые недостатки: конструкциям с клиновым распором в определенной степени присуща нестабильность силовых характеристик, проявляющаяся в скачкообразном изменении силы сопротивления. Это связано с высокими удельными давлениями на вспомогательных поверхностях трения, управляющих процессом трения на основных поверхностях.
Сегодня существует потребность в разработке и внедрении поглощающих аппаратов более высокой энергоемкости. Новым направлением проектирования поглощающих аппаратов является применение распорных блоков для создания усилий на поверхностях трения. Такой подход позволяет снизить риск заклинивания фрикционной части амортизатора при восстановлении, а также улучшить силовые характеристики аппарата.
Конструкция фрикционно-полимерного амортизатора удара с полимерным подпорным комплектом представлена на рис. 1. Отличительной особенностью предлагаемого решения является использование распорного блока, который создает усилие на фрикционных пластинах, что повышает надежность аппарата. Аппарат содержит крышку, корпус, в котором установлена фрикционная часть, включающая неподвижные пластины и подвижные пластины, имеющие уклоны на контактирующих поверхностях трения. Уклоны на соприкасающихся поверхностях трения позволяют аппарату восстанавливаться при обратном ходе без заклинивания. Нормальное усилие на фрикционную часть передается от боковых плунжеров распорного блока, состоящего из корпуса, плунжера и боковых плунжеров. Полость распорного блока заполнена объемно сжатым рабочим телом (эластомером)[2], которое передает давление на боковые плунжеры в зависимости от внедрения в корпус распорного блока плунжера. Распорный блок опирается на плиту и комплект упругих полимерных элементов, разделенных между собой пластинами.
При сжатии амортизатора перемещаются подвижные пластины и плунжер распорного блока. При этом в камере распорного блока создается давление, боковые плунжеры прижимают подвижные пластины к неподвижным. Одновременно сжимаются полимерные упругие элементы. Восстановление аппарата происходит следующим образом. После снятия нагрузки полимерные упругие элементы выталкивают распорный блок, при этом сила трения на поверхностях пластин за счет уклонов снижается до 0, что способствует быстрому восстановлению аппарата без заклинивания. Такая конструкция позволит избежать возможности заклинивания аппарата при обратном ходе, улучшить стабильность его работы, а также повысить его энергоемкость за счет дополнительных поверхностей трения.
Применение в качестве возвратного устройства эластомерной вставки, а также использование эластомера в распорном блоке позволяет при сохранении преимуществ аппарата с полимерным подпорным комплектом понизить давление в объемном распоре и увеличить энергоемкость аппарата. Конструкция амортизатора с эластомерным распорным блоком и эластомерным амортизатором в подпоре впервые разработана на кафедре «Динамика и прочность машин». На рис. 2 схематично представлена конструкция комбинированного фрикционного амортизатора с эластомерным распорным блоком ПМК-РБЭ-110.
Аппарат состоит из корпуса 1, подвижных (2) и неподвижных (3) фрикционных пластин, подпорно-возвратного блока – эластомерной вставки 4 и распорного блока 5. При соударении вагонов продольная сила передается через автосцепку на упорную плиту автосцепного устройства, что приводит к перемещению плунжера 6 и сжатию эластомерной вставки. При этом создается давление в распорном блоке и эластомерной вставке. Давление в распорном блоке через боковые плунжеры 7 создает прижимающее усилие на основных поверхностях трения. При сжатии движение подвижных пластин происходит за счет упорной плиты.
Предлагаемые конструкции защищены патентами [3; 4]. Исследования проводятся в рамках гранта программы «УМНИК» при участии коллектива кафедры «Динамика и прочность машин» БГТУ [5; 6].
При создании математической модели соударения поглощающий аппарат представляется массой распорного блока, массами плунжеров и комплектом полимерных элементов (рис.3). Выбор модели вагона и параметров расчетной схемы строится на рекомендациях, описанных в [2].
Для представленной расчетной схемы система дифференциальных уравнений, описывающих процесс ударного сжатия, имеет вид
где Pв – упругая сила, возникающая в вагоне; PК – сила, возникающая при смыкании распорного блока и крышки амортизатора; Pдавл1 – сила давления при верхнем плунжере; Pдавл2 – сила давления при боковых плунжерах; Pтр - сила трения между подвижными, неподвижными пластинами и корпусом; Pтр1 - сила трения между подвижными пластинами и боковыми плунжерами; Py - сила от комплекта полимерных элементов; Pупр - упругая сила корпуса в поперечном направлении; Pдемп - демпфирующая сила корпуса в поперечном направлении; хв– перемещение вагона; mв – масса вагона; хa – перемещение автосцепного устройства; va – скорость автосцепного устройства; ma – масса автосцепного устройства; хрб – перемещение приведенной массы блока и эластомерной вставки; vрб – скорость распорного блока; mрб – масса распорного блока; хпл – перемещение бокового плунжера; vпл – скорость бокового плунжера; mпл – масса бокового плунжера; Sплв и Sплб – площади сечений верхнего и бокового плунжеров; Е(q) – зависимость модуля упругости от давления; VK – начальный объем распорного блока.
Работа поглощающего аппарата с эластомерным подпорным устройством (рис. 4) описывается схожими по структуре уравнениями с учетом того, что выражение для упругой силы полимерных элементов Ру заменяется системой уравнений, описывающих перетекание эластомера в камерах вставки [2].
Система дифференциальных уравнений, описывающих процесс ударного сжатия аппарата ПМК-РБЭ-110, имеет вид
где q1, qс, qр – давления в распорном блоке, камерах сжатия и расширения эластомерной вставки; Рэл – сила, действующая со стороны эластомерной вставки; Qс, Qр – расходы эластомера для камер сжатия и расширения.
Численное интегрирование системы дифференциальных уравнений проводилось для различных исходных данных и начальных условий, оценивалось влияние различных параметров на силовые характеристики аппаратов. При помощи математического моделирования рассматривались наиболее опасные эксплуатационные режимы – маневровые соударения. Моделировались ситуации соударения для различных скоростей удара и масс соударяющихся вагонов. Результаты расчета удара вагона массой 90 т в жесткий упор для различных начальных скоростей показаны на рис. 5. При скорости удара 2 м/с ход аппарата составил 110 мм, а энергоемкость – 130 кДж.
Результаты расчета удара вагона массой 90 т, оборудованного поглощающим аппаратом с эластомерным подпорным устройством, в жесткий упор представлены на рис. 6. Расчеты проводились для различных скоростей удара. При максимальном ходе аппарата сила составила 2,5 МH, а энергоемкость - 136 кДж. Аппарат соответствует классу Т2.
Для оценки прочности распорного блока была построена 3D-модель с учетом симметрии корпуса (рис.7), а также симметрии связей и приложенной внешней нагрузки. Для расчетов использовалась четверть распорного блока.
Для оценки напряженно-деформированного состояния моделировалось воздействие внутреннего давления на корпус распорного блока. Действие боковых и верхнего плунжеров, уплотнительных колец компенсировалось силовыми факторами. По внутренней части поверхности корпуса приложено равномерное давление 100 МПа. Полученные конечно-элементные модели представлены на рис. 8.
|
|
Рис. 8. Конечноэлементные модели распорного блока
В первом приближении проводился предварительный расчет с равномерной по всему объему крупной конечноэлементной разбивкой с целью определения наиболее опасных мест конструкции. Максимальные напряжения составили 570 МПа. Напряжения в зоне контакта не превышали допускаемых, перемещения в опасных точках не превышали 10-5 м. Результаты расчета представлены на рис. 9.
|
|
Рис. 9. Эквивалентные напряжения в корпусе распорного блока
В результате уточняющего расчета с более мелкой дискретизацией модели напряжения в зоне концентратора составили 501 МПа. Было принято решение внести изменения в текущую конструкцию и выполнить скругление в рассматриваемой области, благодаря чему удалось снизить максимальные напряжения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ОСТ 32.175-2001. Аппараты поглощающие автосцепного устройства грузовых вагонов и локомотивов. Общие технические требования.
2. Болдырев, и проектирование амортизаторов удара подвижного состава / , . - М.: Машиностроение -1, 2004. - 199 с.
3. Пат. 2397896 РФ, МПК В61G 11/00. Фрикционно-полимерный поглощающий аппарат автосцепки /
4. Пат. 112133 РФ, МПК B61G 11/14. Фрикционно-эластомерный поглощающий аппарат / , ,
5. Фатьков, Э. А. Применение распорного блока в поглощающих аппаратах автосцепки /, // Новые материалы и технологии в машиностроении – 2011: XIII Междунар. науч.-техн. конф. - http://www. science-bsea. bgita. ru/2011/mashin_2011_1/fatkov_prim. htm.
6. Фатьков, амортизаторов с эластомерным распорным блоком/, // Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании: III Междунар. науч.-практ. конф. / под ред. . – Брянск:БГТУ, 2011.- С.62-64.
Материал поступил в редколлегию 10.01.13.
