Разработка фрикционных амортизаторов с объёмным распорным блоком

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Устанавливаемый на подвижном составе амортизатор удара (поглощающий аппарат) 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.

Известно, что поглощающие аппараты автосцепки должны быть определены по своим характеристикам в зависимости от того, на каком объекте они будут использоваться. ОСТ 32.175 - 2001 [1] предусматривает разделение поглощающих аппаратов по основным техническим показателям на 4 класса: Т0, Т1, Т2, Т3. Особое внимание обращено на аппараты класса Т3. Ими оборудуются специализированные вагоны и цистерны, перевозящие опасные и дорогостоящие грузы. Это объясняется тем, что в современной системе железнодорожных перевозок всё большее внимание уделяется экологической безопасности. При транспортировке особо опасных грузов риски аварий вследствие чрезмерной нагруженности вагона должны быть минимальны. В настоящее время серийно выпускаются такие аппараты класса Т3, как 73ZW12 и АПЭ-120И. Ниша аппаратов, относящихся к классу Т3, слабо представлена и нуждается в расширении. Наиболее распространенным способом создания давления на поверхностях трения является клиновой распор, позволяющий получать большие нагрузки и регулировать их значения путем изменения геометрических параметров клиновой системы аппарата [2]. Силовые характеристики таких аппаратов имеют меньшие значения сил в начале сжатия и большие - в конце, так как сила прижатия клиньев зависит от деформации пружины, а следовательно, от хода аппарата. Кроме того, конструкциям с клиновым распором 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.

На кафедре «ДПМ» БГТУ были разработаны конструкции фрикционных аппаратов нового исполнения с объёмными распорными блоками. Выделяют резиновые, пружинные, гидравлические, эластомерные распорные блоки. Распорный блок был предложен как альтернатива клиновому распору, имеющему перечисленные выше недостатки.

Рассмотрим фрикционный поглощающий аппарат с гидравлическим распорным блоком [3]. Распорный блок выполнен в виде силового гидроцилиндра, давление в котором создает силы прижатия на поверхностях трения. Конструкция аппарата представлена на рис. 1.

Аппарат содержит корпус 1, в котором размещены подвижные (2) и неподвижные (3) фрикционные пластины с распорным блоком 4, поджатым комплектом возвратных пружин 5 и гидровставкой 6. Распорный блок 4 выполнен в виде силового гидроцилиндра 7 и уплотненных плунжеров 8, взаимодействующих с фрикционными пластинами 2 и 3. Полость высокого давления 9 гидровставки сообщается с гидроцилиндром распорного блока через отверстие 11.

амортизатор продольный фрикционный полимерный

Рис. 1

Работает аппарат следующим образом. Под действием сжимающей нагрузки распорный блок перемещается вместе с подвижными фрикционными пластинами, одновременно сжимая комплект возвратных пружин и гидровставку. При этом на основных поверхностях трения (подвижные фрикционные пластины 2 - неподвижные фрикционные пластины 3) возникают силы трения за счет давления плунжеров распорного блока, которое, в свою очередь, однозначно определяется давлением в гидроамортизаторе, обусловленным сопротивлением дросселированию жидкости из полости высокого давления в полость низкого давления 10 гидровставки через отверстия. После окончания ударного сжатия под действием возвратных пружин распорный блок возвращается в исходное положение, перемещая одновременно подвижные фрикционные пластины. При этом рабочая жидкость перетекает из полости низкого давления в полость высокого давления.

Наличие клапана высокого давления позволяет регулировать практически на любом уровне величину давления в гидравлических камерах, при котором начнется дросселирование жидкости и перемещение распорного блока совместно с фрикционными пластинами. Величина этого давления, определяющего характеристику поглощающего аппарата, должна быть ограничена снизу минимальной силой при квазистатических режимах нагружения, а верхний предел давления может быть определен при оптимизации конструкции по различным критериям.

Другой вариант конструкции - поглощающий аппарат с эластомерным распорным блоком. Применение в качестве возвратного устройства эластомерной вставки, а также использование эластомера в распорном блоке позволяет при сохранении преимуществ аппарата с гидравлическим объемным распором повысить надежность конструкции. На рис. 2 схематично представлена конструкция комбинированного фрикционного поглощающего аппарата с эластомерным распорным блоком. Аппарат состоит из корпуса 1, подвижных (3) и неподвижных (4) фрикционных пластин, подпорно-возвратного блока - эластомерной вставки 5 и распорного блока 6. При соударении железнодорожных экипажей продольная сила передается через автосцепку на упорную плиту 2 автосцепного устройства, что приводит к перемещению верхнего плунжера распорного блока 6 и сжатию эластомерной вставки. При этом создается давление в распорном блоке и эластомерной вставке. Давление в распорном блоке через боковые плунжеры распорного блока создает прижимающее усилие на основных поверхностях трения. При сжатии движение подвижных пластин происходит за счет упорной плиты. Зазор между упорной плитой и распорным блоком, а также зазоры а и d между упорной плитой и подвижными фрикционными пластинами определяют характеристику аппарата и могут быть объектами оптимизации, вычисляемыми по детерминированным или стохастическим критериям эффективности работы поглощающего аппарата. Кроме того, основные размеры деталей распорного блока и эластомерной вставки также должны определяться оптимизационными расчетами с учетом требований прочности. Предусмотрен также вариант конструкции, в котором рабочие камеры распорного блока и эластомерной вставки соединены калиброванным отверстием.

Рис. 2

Рассмотренные поглощающие аппараты с объемным распором имеют свои недостатки. Так, аппарат с гидравлическим объёмным распором недостаточно надёжен, а аппарат с эластомерным распорным блоком и эластомерным подпорно-возвратным комплектом дорог и обладает достаточно сложной конструкцией.

Таким образом, представляет интерес создание более простого и надежного поглощающего аппарата, не уступающего по своим характеристикам аналогам.

На кафедре «ДПМ» БГТУ была разработана и защищена патентом РФ принципиально новая конструкция фрикционно-полимерного поглощающего аппарата с объёмным распорным блоком (рис. 3).

Рис. 3

Аппарат содержит крышку 1, корпус 5, в котором установлена фрикционная часть, включающая неподвижные пластины 4 и подвижные пластины 2 и 3, имеющие уклоны на контактирующих поверхностях трения. Уклоны позволяют аппарату восстанавливаться при обратном ходе без заклинивания. Нормальное усилие на фрикционную часть передается от боковых плунжеров 8 распорного блока, состоящего из корпуса 7, верхнего плунжера 6 и боковых плунжеров. Полость распорного блока заполнена объемно сжатым рабочим телом (эластомером), которое передает давление на боковые плунжеры в зависимости от внедрения в корпус распорного блока верхнего плунжера. Применение эластомерного распорного блока повышает надежность и улучшает динамическую характеристику поглощающего аппарата. Распорный блок опирается на плиту 9 и комплект упругих полимерных элементов 10, разделенных между собой пластинами 11. Болт 12 позволяет соединить крышку корпуса с корпусом аппарата.

Поглощающий аппарат работает следующим образом. Под действием сжимающих усилий упорная плита перемещает крышку корпуса и вместе с ней подвижные пластины и верхний плунжер распорного блока. При этом в камере распорного блока создается давление, боковые плунжеры прижимают подвижные пластины к неподвижным пластинам и корпусу. Одновременно сжимаются полимерные упругие элементы.

При восстановлении после снятия нагрузки полимерные упругие элементы выталкивают распорный блок и подвижные пластины, при этом сила трения на поверхностях пластин за счет уклонов снижается до 0, что способствует быстрому восстановлению аппарата без заклинивания.

Представленная конструкция позволит избежать заклинивания аппарата при обратном ходе, улучшить стабильность его работы, а также повысить энергоемкость за счет дополнительных поверхностей трения. Важно отметить принципиально новое исполнение распорной части конструкции фрикционного поглощающего аппарата. Вместо клинового распора применен эластомерный объёмный распорный блок.

В процессе проектирования конструкции были разработаны и реализованы уточненные математические модели аппарата. Рассматривался случай удара вагона в неподвижный недеформируемый упор. При расчете использовалась четырехмассовая динамическая модель удара, описанная системой дифференциальных уравнений вида:

Выражения, входящие в систему дифференциальных уравнений, имеют следующий вид:

.

Здесь mv - масса вагона; xv - перемещение массы mv; vv - скорость массы mv; msz - масса автосцепного устройства; xsz - перемещение массы msz; vsz - скорость массы msz; mpl - приведенная масса пластин и присоединенной части аппарата; хpl - перемещение массы mpl; vpl - скорость массы mpl; mrb - приведенная масса блока и эластомерной вставки; xrb - перемещение массы mrb; vrb - скорость mrb; Splv - площадь эффективного сечения верхнего плунжера; Splb - площадь эффективного сечения боковых плунжеров; q - давление в распорном блоке; Py - cила от комплекта полимерных элементов; Ftr - сила трения пластин; Nsurface - функция, задающая количество поверхностей трения, включившихся в работу; Ftr1 - сила трения между распорным блоком и первой подвижной пластиной; Е0 - модуль упругости эластомера при атмосферном давлении; а - параметр, зависящий от типа эластомера; v01 - начальный объем распорного блока; сpk - поперечная жесткость корпуса; pk - вязкость корпуса аппарата; ск - продольная жесткость корпуса аппарата; f0 - коэффициент трения пластин с металлокерамикой; b - коэффициент трения с учетом скорости скольжения; d - зазор между упорной плитой и фрикционными пластинами; x0 - начальная затяжка комплекта полимерных элементов; xmax - конструктивный ход аппарата; xzazor - расстояние от упорной плиты до корпуса аппарата; - угол наклона первой подвижной пластины относительно вертикали; flag - указатель; у0(z) - функция Хевисайда; E(q) - функция изменения модуля упругости от давления в блоке; sign(x) - функция смены знака при смене знака аргумента; ср, в1, в2 - коэффициенты, определяющие статическую характеристику полимерных блоков; м - коэффициент необратимого поглощения энергии полимера при квазистатическом сжатии; мр - коэффициент вязкого сопротивления полимера.

Рассмотренная система дифференциальных уравнений решалась при следующих начальных условиях:

Рис. 4

Здесь - начальное давление в распорном блоке, - начальная скорость массы mv.

На рис. 4 показаны расчетные силовые характеристики серийного и проектируемого аппаратов.

Рис. 5

Номинальная проектная энергоемкость фрикционного поглощающего аппарата с эластомерным объёмным распором достигает 155 кДж, максимальная энергоемкость - 219 кДж.

Конструктивно усовершенствованный вариант рассматриваемого аппарата представлен на рис. 5. В отличие от первоначального варианта для удержания аппарата в сборе используются выступы на корпусе и зацепы на распорном блоке. Центрирование полимерного комплекта обеспечивается штоком.

Итак, можно сделать следующие выводы:

1) разработана сравнительно простая и надежная конструкция фрикционного поглощающего аппарата с эластомерным объёмным распором;

2) аппарат по сравнению с аналогами обладает большей энергоёмкостью;

3) необходимы дальнейшие исследования с последующим изготовлением опытных образцов и проведением экспериментов.

Список литературы

1. ГОСТ 32.175-2001. Аппараты поглощающие автосцепного устройства грузовых вагонов и локомотивов. Общие технические требования.

2. Никольский, Л.Н. Амортизаторы удара подвижного состава / Л.Н. Никольский, Б.Г. Кеглин. - М.: Машиностроение, 1986. - 144 с.

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

Размещено на Allbest.ru