Исследование работы гидрополимерного поглощающего аппарата с авторегулируемой клапанной системой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование работы гидрополимерного поглощающего аппарата с авторегулируемой клапанной системой

 Общим недостатком эластомерных поглощающих аппаратов является их относительно высокая стоимость ($ 900…1200). Альтернативой таким аппаратам могут служить гидрополимерные аппараты, которые при сохранении всех преимуществ эластомерных значительно (на 30…50%) дешевле.

Разработанный специалистами БГТУ аппарат ГП-120А (конструкция защищена патентом РФ [1]) имеет стандартные габариты 570Ч318Ч230 мм. В качестве гидравлической жидкости в нем используется масло АМГ-10, а в качестве материала упругих элементов - термоэластопласты типа Durel (ФРГ), Hytrel (США) или Беласт (Белоруссия). Конструкция аппарата приведена на рис. 1. Особенностью исследуемого амортизатора удара является параллельная работа гидравлической части и упругого подпора, расположенного непосредственно в гидравлической камере высокого давления. Это позволяет по сравнению с аналогичными конструкциями, в которых гидравлическая и полимерная части выполнены раздельно, существенно повысить эффективность и надежность за счет снижения рабочих давлений, сокращения количества уплотнений. К тому же потеря рабочей жидкости не приводит к выходу из строя аппарата, так как продолжает работать полимерный комплект, обеспечивающий достаточно высокую энергоемкость. Таким образом, амортизатор ГП-120А объединяет в себе преимущества гидравлических и полимерных амортизаторов. Кинетическая энергия удара поглощается при дросселировании рабочей жидкости через отверстия. Это сближает характеристики гидроамортизатора с характеристиками идеального амортизатора. Из-за высокого коэффициента полноты (П = 0,5…0,7) в одинаковых условиях гидроамортизатор обеспечивает по сравнению с остальными типами амортизирующих устройств меньшие продольные силы.

Поглощающий аппарат содержит корпус 1 с днищем 4, упругие элементы 2 и гидравлический амортизатор 3.

Эффективность работы гидравлического амортизатора определяется параметрами дросселирующей системы. Проектирование таких конструкций предполагает различные варианты исполнения дросселирующей системы:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Конструкция аппарата ГП-120А

гидрополимерный технический клапан поглощающий

1. В простейшем случае применяют отверстия постоянного сечения, площадь которых определяется при решении задачи оптимизации.

2. Эффективная площадь дросселирования зависит от хода аппарата. Конструктивно это может достигаться путем выполнения элементов переменного сечения. Функциональная зависимость площади от хода является объектом оптимизации.

3. Использование клапанов высокого давления (дифференциальных золотников) позволяет обеспечить эффективную работу амортизатора в широком диапазоне скоростей, а также уменьшить по сравнению с гидроамортизаторами первых двух типов зависимость характеристик от температуры. Объектом оптимизации являются параметры клапанной системы: площадь дроссельных отверстий, жесткость и начальная затяжка пружины клапана и т.д.

4. Гидравлические амортизаторы обладают авторегулируемостью силовых характеристик благодаря квадратичной зависимости силы сжатия от скорости. Однако если энергия соударения увеличивается не за счет скорости, а за счет массы вагонов, максимальные силы почти не отличаются, а изменяется лишь ход поглощающего аппарата (кривые 1 и 2 на рис. 2). На том же рисунке представлена квазиидеальная силовая характеристика 3, обеспечивающая ту же, что и кривая 2, энергоемкость при существенно меньшей максимальной силе. Такую характеристику может обеспечить поглощающий аппарат, обладающий способностью самонастраиваться в зависимости от условий соударения. В данном случае учитывается масса соударяющихся объектов, в наибольшей степени влияющая на силовую характеристику.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Силовые характеристики гидравлических амортизаторов: 1, 2- для аппарата с нерегулируемой клапанной системой (V1 > V2); 3- квазиидеальная

Специфика эксплуатации поглощающих аппаратов предполагает, что аппарат с автономно регулируемыми характеристиками должен получить информацию об условиях соударения в момент удара и использовать часть энергии удара на регулировку своих параметров. Саморегулируемые аппараты должны иметь устройство, позволяющее оценить уровень ускорений железнодорожного экипажа и исходя из этого установить регулируемые параметры в пределах, обеспечивающих наиболее выгодную силовую характеристику. В общем случае система управления будет состоять из датчика ускорения и устройства, преобразующего сигнал датчика в отклик исполнительного органа. В большинстве случаев датчиком может служить масса, размещенная с возможностью смещения относительно корпуса аппарата, а сигналом будет являться смещение массы. Для гидрополимерных поглощающих аппаратов регулируется площадь дроссельных отверстий. Выходным сигналом в этом случае является положение запорного элемента клапана, перекрывающего дроссельные отверстия.

Процесс сжатия такого амортизатора можно условно разделить на три части: на первом этапе сжатия собирается информация о начальных условиях соударения; на втором этапе устанавливается положение запорного элемента в соответствии с полученной на первом этапе информацией; третий этап - сжатие амортизатора с параметрами, установленными на втором этапе. В системе саморегулирования амортизатора входным сигналом является смещение датчика на первом этапе сжатия, а выходным - переменная величина дроссельного отверстия. Регулируя величину максимального смещения запорного элемента, можно добиться эффективных значений площади дроссельных отверстий.

Амортизатор с датчиком, включенным в силовую схему исполнительного органа, разработан на базе гидрополимерного поглощающего аппарата ГП-120 (рис. 3). Он состоит из амортизатора (плунжер 1, корпус - гидравлический цилиндр 2, полимерный блок 3, гидравлическая камера 4, дроссельные каналы 5, 6), гидравлического клапана (дроссельные отверстия 8 и 14, запорный элемент 7) и системы регулирования максимального смещения клапана (корпус 9, датчик 12 с пружиной 10). Гидравлическая камера 4 и область в кожухе 11 ниже линии 13 заполнены рабочей жидкостью.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Конструкция аппарата с саморегулируемыми характеристиками

Система действует следующим образом. Под действием нагрузки, приложенной к плунжеру 1, происходит сжатие жидкости и упругого блока внутри камеры 4 амортизатора.

Увеличивающееся при этом давление жидкости действует через дроссельные каналы 5, 6 на запорный элемент клапана 7, преодолевая начальное поджатие пружины 10. Одновременно с этим процессом запорный элемент 7 смещается внутрь корпуса 9, вытесняя жидкость через отверстия 14 в корпусе 9 и перекрывая их. Этап продолжается до тех пор, пока в камере А не создастся давление, достаточное для остановки запорного элемента. Жидкость при этом запирается внутри корпуса 9. Датчик 12 вместе с запорным элементом 7 смещается внутрь корпуса 9, пока не будет прижат к задней стенке корпуса 9. Объем жидкости, вытесненной из камеры А к этому моменту, будет являться мерой ускорения, определяющей эффективную площадь дроссельного отверстия 8 амортизатора. Сумма сил сжатия упругого блока и гидравлического давления в камере 4 составляет силу торможения объекта.

Для аппарата с саморегулируемыми характеристиками, как и в предыдущем случае, объектом оптимизации являются параметры клапанной системы. При проектировании амортизаторов удара необходимо оценить эффективность их работы расчетным путем, для чего используются математические модели различной степени сложности. Применение той или иной модели определяется задачами исследования и зависит от типа амортизирующего устройства. Разрабатываемая математическая модель, прежде всего, должна отражать качественные особенности аппарата, которые характерны для амортизаторов удара данного типа. Соответствия расчетных данных экспериментальным добиваются идентификацией параметров математической модели по данным натурных экспериментов. Математическая модель аппарата ГП-120А, у которого комплект полимерных элементов размещен в гидравлической камере, описывает параллельную работу полимерной и гидравлической частей.

Рассмотрим случай стендовых соударений. Сила сопротивления аппарата Р_А включает силу сопротивления комплекта полимерных элементов Р_У и гидравлическую силу сопротивления при дросселировании Р_Г.

Для определения давлений в рабочих камерах используется уравнение Бернулли, устанавливающее зависимость перепада давления р при дросселировании жидкости от объемного расхода жидкости Q:

p= Q ²/ 2' ² f ^2,

где плотность рабочей жидкости; f площадь дроссельного отверстия; ' приведенный коэффициент расхода, учитывающий сжатие сечения струи и уменьшение расхода за счет трения и непараллельности элементарных струй реальной жидкости.

Расход жидкости с учетом объемной сжимаемости жидкости:

где V - объем гидравлической камеры.

.

Давление в рабочей камере

.

После необходимых преобразований получим уравнения для давлений в рабочей камере и камере А.

Для расчетной схемы удара вагона, изображенной на рис. 4, система дифференциальных уравнений, описывающих процесс ударного сжатия для 1-го этапа (получение информации о начальных условиях соударения - запорный элемент 7 и датчик 12 движутся раздельно, рабочая жидкость дросселирует из камеры А через дроссельные отверстия 8, 14), имеет вид

где a - ускорение аппарата; a₀ - длина отверстий 14; a₁ - ускорение запорного элемента 7; a₃ - ускорение датчика 12; c₃ - жесткость пружины 10; C_k - жесткость корпуса аппарата; C_n; в₁; в₂ - коэффициенты; определяющие статическую характеристику полимерного блока; d - ширина дроссельных отверстий 8; d_A0 - ширина отверстий 14; E - модуль объемной упругости жидкости; f₀ - начальная длина дроссельных отверстий 8 рабочей камеры; l₀ - общая длина рабочей камеры аппарата; l₁ - длина поршня; M - масса вагона; m₁ - масса запорного элемента 7; m₃ - масса датчика 12; P_y - сила сопротивления комплекта полимерных элементов; q₁ - давление в рабочей камере 4; q_A - давление в камере А; q_atm - атмосферное давление; S - площадь сечения запорного элемента 7; S₀ - площадь сечения цилиндра 2; S₂ - площадь сечения датчика 12; S_n - площадь поршня 1; S_otv - площадь сечения запорного элемента; на которую действует давление q₁; v - скорость аппарата (вагона); V_0A - начальный объем камеры А; v₁ - скорость запорного элемента; v₃ - скорость датчика; x - ход аппарата; x₁ - перемещение запорного элемента; x₃ - перемещение датчика; x₃₀ - начальная затяжка пружины 10; x_max - максимальный ход аппарата; з_ст - коэффициент необратимого поглощения энергии полимера при квазистатическом сжатии; м₁₀; м_A0 - коэффициенты расхода; м_n - коэффициент вязкого сопротивления полимера; с - плотность рабочей жидкости; у₀ - единичная функция Хевисайда.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статическая силовая характеристика подпорного блока из элементов, изготовленных из материала Durel, удовлетворяющая требованиям ОСТа [2], представлена на рис. 5. Для аппроксимации силовой характеристики использовался полином 5-й степени. Коэффициенты c_п, в₁, в₂, _ст, _п могут быть определены идентификацией по данным статических и динамических испытаний.

Дифференциальные уравнения, описывающие 2-й этап ударного сжатия (установка запорного элемента в соответствии с данными, полученными на первом этапе, - датчик смещается в исходное положение, движение запорного элемента связано с движением датчика), имеют вид

3-й этап - дросселирование жидкости из рабочей камеры через отверстие 8 с длиной, установленной на 2-ом этапе, - описывается следующими дифференциальными уравнениями:

где shir - длина дроссельного отверстия 8 к концу второго этапа.

По разработанной модели было рассчитано движение основных элементов клапанной системы - датчика и запорного элемента.

По графикам, представленным на рис. 6 и 7, можно проанализировать длительность первого и второго этапов работы системы саморегулирования. Видно, что первый этап - сбор информации -- имеет продолжительность 4-5 мс, а второй этап - настройка длины дроссельного отверстия - 0,5 мс. Малая продолжительность второго этапа приводит к тому, что датчик не успевает сместиться на достаточное расстояние. Это обусловливает необходимость увеличить отношение площади датчика к площади запорного элемента для достаточного открытия дроссельных отверстий.

Разработанная модель была апробирована для различных сочетаний параметров. Было исследовано влияние начальной скорости и массы вагонов на характеристики аппарата.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчеты проводились для трех масс вагона: 30, 60 и 90 т. Для получения силовых характеристик (рис. 8) начальная скорость соударения постепенно увеличивалась до тех пор, пока не был достигнут предел по ходу - 120 мм. Результаты расчета для скоростей соударения 1 и 2 м/с приведены на рис. 9, 10.

На графиках хорошо видны этапы работы системы саморегулирования, особенно при малой массе. Заметно существенное различие максимальной силы для вагонов разных масс при одинаковой скорости. При этом система саморегулирования хорошо проявляет себя при малой массе вагона и высокой скорости соударения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для выбора параметров оптимизации было исследовано влияние на силовые характеристики площадей запорного элемента (S) и датчика (S₂), масс датчика (m₃) и запорного элемента (m₁), объема камеры А V_A0, жесткости пружины 10 (рис. 3) c₃, длины отверстий 14 a₀, ширины отверстий 14 d_A0; ширины дроссельных отверстий 8 d_. и площади сечения запорного элемента, на которую действует давление рабочей камеры, S_otv. Расчеты показали, что наибольшее влияние на силовые характеристики оказывают параметры: a₀, d и m₁ (рис. 11 - 13).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В качестве критерия, по которому проводилась оптимизация конструкции, был выбран обобщенный критерий эффективности J_об амортизатора грузового вагона [3], оценивающий свойства межвагонного амортизирующего устройства с позиций его основного назначения - обеспечения максимальной сохранности перевозимых грузов и вагонов, которые их перевозят. Данный критерий определялся на основе отдельных критериев с учетом их удельного веса в общем числе повреждений:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

J_об = J_уст + _пв J_пв,

где J_уст - критерий усталостных повреждений элементов вагона; J_пв - критерий повреждаемости от единичных нагрузок; _пв - весовой коэффициент.

Кроме того, использовался также специальный критерий, оценивающий эффективность системы авторегулирования в сравнении с идеальным [3] амортизатором:

,

где P max_ij - максимальная сила при соударении вагонов i-й массы с j-й скоростью;

Pmax_ideal - максимальная сила характеристики идеального амортизатора; _ij - вероятность появления силы P max_ij; n - число проквантованных масс вагонов; m - число проквантованных скоростей соударения вагонов.

Для расчета критериев была использована методика имитационного моделирования продольной нагруженности вагона в эксплуатации [3]. Если известны условия эксплуатации и математические модели межвагонных связей, то можно определить статистические распределения сил и ускорений при работе вагона на сортировочных горках.

Для статистического описания нагруженности вагонов при маневровых соударениях достаточно знания статистических характеристик масс М и скоростей v₀ соударения вагонов. Случайные параметры М и v₀ можно считать независимыми. Вариация других параметров, таких как динамическая жесткость вагона с_в, зазоры в межвагонных соединениях сцепа, в меньшей степени влияет на статистические характеристики продольных сил.

В расчетах использовались следующие статистические распределения масс и скоростей соударения вагонов [4].

Задача оптимизации сводится к минимизации целевой функции J путем соответствующего выбора вектора управляющих параметров. На каждом шаге оптимизации для вычисления J выполняется 12 расчетов процесса соударения вагонов с различными массами и начальными скоростями (4 скорости и 3 массы). Масса и скорость вагона варьируются в соответствии с приведенными выше распределениями.

В качестве параметров оптимизации выбраны: d - ширина дроссельных отверстий 8 и m₁ - масса запорного элемента 7. С учетом данных параметрического анализа были назначены следующие диапазоны значений параметров: d = 0,008…0,013 м; m₁ = 2,0…4,0 кг.

Значение критерия J для аппарата без саморегулирования составило 2.235 усл. ед.

В результате оптимизации параметров поглощающего аппарата ГП-120 с системой саморегулирования по обобщенному критерию (минимум критерия J = 1,478) были получены значения d = 9,5 мм и m₁ = 3,4 кг.

Из представленных зависимостей видно, что характеристики аппарата с системой авторегулирования близки к характеристикам идеального амортизатора, наибольшее снижение сил по сравнению с аппаратом без системы авторегулирования проявляется при малых массах и может достигать 40…50%.

Показатели эффективности аппарата

Обобщая полученные результаты, можно сделать вывод о том, что несмотря на сложность конструкции амортизаторов с саморегулируемыми характеристиками, очевидны их технические преимущества. Для малых масс при значительных скоростях удается уменьшить силы на защищаемом объекте в 2 и более раза. Амортизатор полностью использует все свои конструктивные характеристики для обеспечения минимального уровня сил и ускорений. После изготовления и испытаний опытных образцов таких устройств и их конструкторской доработки можно рекомендовать аппараты к внедрению на железнодорожном транспорте.

Список литературы

1. Пат. 2260533 Российская Федерация, МПК⁷ В 61 G 9/08, 11/12. Поглощающий аппарат

2. автосцепки / Кеглин Б.Г., Болдырев А.П., Шалимов П.Ю., Шлюшенков А.П., Прилепо Т.Н., Алдюхов В.А., Иванов А.В., Ступин Д.А.; опубл. 20.09.05, Бюл. № 26.

3. ОСТ 32.175-2001. Аппараты поглощающие автосцепного устройства грузовых вагонов и локомотивов. Общие технические требования.

4. Болдырев, А.П. Расчет и проектирование амортизаторов удара подвижного состава / А.П. Болдырев, Б.Г. Кеглин. - М.: Машиностроение -1, 2004. - 199 с.

5. Гореленков, А.И. Разработка метода оценки нагруженности грузового вагона продольными силами в реальных условиях его эксплуатации: дис. … канд. техн. наук / А.И. Гореленков. - Брянск, 1996.

Размещено на Allbest.ru