Разработка и исследование гидрополимерного поглощающего аппарата автосцепки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка и исследование гидрополимерного поглощающего аппарата автосцепки

Б.Г. Кеглин, А.П. Болдырев, А.П. Шлюшенков, Э.А. Фатьков, И.Н. Евтюхов

Аннотация

Представлена конструкция нового гидрополимерного поглощающего аппарата автосцепки ГП-120. Приведены результаты расчетно-экспериментальных исследований поглощающего аппарата.

автосцепка удар вагон поглощающий

Конструкции гидрополимерных аппаратов - ГР-120, ГП_120 - впервые были разработаны в начале 1990-х гг. совместными усилиями специалистов БГТУ и ВНИИЖТ. В этих конструкциях корпус совмещался с тяговым хомутом, в гидрокамере высокого давления устанавливалось возвращающее устройство, выполненное из резино-металлических или полиуретано-металлических упругих элементов. По своим техническим характеристикам аппараты ГР-120 и ГП-120 соответствовали классу Т3. Опытные образцы аппаратов прошли широкий комплекс испытаний на цистернах и тяжелых грузовых вагонах с положительными результатами. В дальнейшем работы по внедрению этих аппаратов были приостановлены в связи с недостаточной надежностью работы резино-металлических и полиуретано-металлических упругих элементов в жидкой масляной среде.

Однако в последние годы в связи с появлением новых полимерных материалов типа термоэластопластов, разработанных в США, ФРГ и Белоруссии, обладающих высокими эластическими свойствами, устойчивостью к температурным воздействиям и маслостойкостью, специалистами ООО «НПП Дипром» работы по созданию гидрополимерного аппарата были возобновлены. Результатом явилось создание аппарата ГП_120А (конструкция защищена патентом РФ [1]), имеющего 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). В представленной конструкции аппарата ГП-120А (рис. 1) комплект полимерных элементов размещен в рабочей камере гидравлического амортизатора. Это позволяет по сравнению с аналогичными конструкциями (например, аппарат фирмы «ELH», Германия), в которых гидравлическая и полимерная части выполнены раздельно, существенно повысить эффективность и надежность за счет снижения рабочих давлений.

Гидрополимерный поглощающий аппарат ГП-120А состоит из корпуса 3 с днищем 13, в который установлены упругие элементы 4, и гидравлического амортизатора 18.

Рис. 1. Конструкция аппарата ГП-120А

Гидравлический амортизатор 18 включает гидравлическую камеру 5, образованную в корпусе 3 поглощающего аппарата, полый плунжер 1 с уплотнениями 2, дросселирующее устройство 6 и компенсационную камеру 15, расположенную в жестком корпусе 16, прикрепленном к корпусу 3. Гидравлическая камера 5 и нижняя часть компенсационной камеры 15 заполнены рабочей жидкостью. Уровень рабочей жидкости А делит объем в компенсационной камере на две среды: гидравлическую Б в нижней части и газовую В в верхней части. Вход 7 дросселирующего устройства 6 расположен в верхней части гидравлической камеры 5, а его выход 14 - в нижней части компенсационной камеры 15 под уровнем А. Корпус 3 снабжен клапаном 19, включающим запорный элемент 11, размещенный в цилиндре 12 с возможностью перемещения вдоль оси цилиндра, отверстие 9 в фиксаторе 10 запорного элемента, сообщающее внутреннее пространство цилиндра с атмосферой, а также каналы 8 и 17. Запорный элемент делит пространство цилиндра на две полости, одна из которых посредством канала 8 сообщается с гидравлической камерой 5, а другая через канал 17 - с компенсационной камерой. Выход канала 17 расположен в газовой среде В.

Разделение функций поглощающего аппарата - гашения удара и восприятия квазистатической нагрузки - между гидравлической и полимерной частями определило ряд преимуществ в надежности и себестоимости такой конструкции. Это достигается за счет снижения рабочих давлений, сокращения количества уплотнений. Корпус - сварно-штампованной конструкции, для корпуса и плунжера используются стандартные трубы. Потеря рабочей жидкости не приводит к выходу из строя аппарата, так как продолжает работать полимерная часть, обеспечивающая энергоемкость 45…55 кДж. Таким образом, аппарат ГП-120А объединяет в себе преимущества гидравлических и полимерных амортизаторов: гидравлическая часть позволяет получить силовые характеристики, близкие к характеристикам идеального амортизатора при высоких скоростях соударения, а полимерный упругий блок обеспечивает эффективную работу в режиме квазистатического сжатия.

Проектные характеристики аппарата соответствуют классу Т3.

Эффективность работы гидравлического амортизатора определяется параметрами дросселирующей системы. В данном варианте конструкции применялись отверстия постоянного сечения, площадь которых определялась в ходе расчетно-экспериментальных исследований.

Математическая модель аппарата с постоянными дроссельными отверстиями описывает параллельную работу полимерного и гидравлического амортизаторов с постоянной площадью дроссельных отверстий (рабочая схема аппарата представлена на рис. 2). Сила сопротивления аппарата Р_А включает силу сопротивления комплекта полимерных элементов Р_У и силу сопротивления при дросселировании Р_Г. При этом упругая сила Р_У моделируется полиномом 5-й степени, хорошо описывающим экспериментальные характеристики полимерного блока, а сила сопротивления при дросселировании Р_Г вычисляется с использованием уравнения Бернулли, причем при вычислении расходов учитывается податливость жидкости.

Рис. 2. Рабочая схема аппарата ГП-120А

Рис. 3. Схема соударения

Рассмотрим случай удара вагона в жесткий упор (рис. 3). Для одномассовой расчетной схемы вагона система дифференциальных уравнений, описывающих процесс ударного сжатия, имеет вид

Здесь плотность рабочей жидкости; М - масса вагона; С_К - жесткость корпуса аппарата; ₀ - единичная функция Хевисайда; _ст- коэффициент необратимого поглощения энергии в полимере при квазистатическом сжатии; с_п, ₁, ₂ - коэффициенты, определяющие статическую характеристику полимерного блока; _п - коэффициент вязкого сопротивления полимера; Е' - модуль объемной упругости жидкости; , - коэффициенты гидравлического сопротивления; d, S - диаметр и площадь сечения рабочей камеры; d₁, S₁ - диаметр и площадь поршня; f - площадь дроссельных отверстий.

Численное интегрирование системы дифференциальных уравнений проводилось для различных исходных данных и начальных условий, в результате было установлено их влияние на силовую характеристику. На рис. 4 приведены динамические силовые характеристики аппарата для разных начальных скоростей соударения при массе вагона 100 т.

Рис. 4. Силовые характеристики аппарата: - • - • - - V₀ = 1,5м/с; •••• - V₀ = 2,0 м/с; ---- V₀ = 2,5 м/с

Минимизация критерия эффективности [2] позволила определить оптимальное значение диаметра постоянных дроссельных отверстий - 8,5 мм. По результатам расчетов были определены значения основных показателей работы аппарата ГП-120А:

- номинальная энергоемкость Е_N = 143 кДж;

- максимальная энергоемкость Е_max = 170 кДж;

- коэффициенты полноты силовых характеристик П = 0,55… 0,7.

Опытный образец аппарата (рис. 5, 6) был изготовлен в июле 2005 г. и в дальнейшем подвергся различным видам испытаний.

Рис. 5. Опытный образец аппарата ГП-120А

Рис. 6. Детали опытного образца аппарата ГП-120А

На первом этапе экспериментов оценивалась работоспособность элементов подпорного комплекта при длительном воздействии рабочей жидкости - масла АМГ-10. В ходе испытаний контролировалась статическая силовая характеристика элемента из материала Durel, который был помещен в емкость с маслом. Время наблюдений составило свыше 2 лет (900 суток).

Рис. 7. Статические силовые характеристики полимерного элемента аппарата ГП-120А: - - - в начале испытаний; после выдержки в масле - в течение 173 суток ; - - - в течение 525 суток; ------ - в течение 900 суток

На рис. 7 представлены статические характеристики элемента, полученные в разное время. Рис. 8 показывает изменение силы во времени при деформации элемента на 30 мм.

Рис. 8. Изменение силы во времени при деформации элемента на 30 мм

Полученные данные показывают, что при длительной выдержке элемента в масле наблюдается некоторое его ужесточение, которое постепенно стабилизируется.

Статические характеристики элементов приведены на рис. 9, 10,11. Потери устойчивости не наблюдается. Малый полимерный элемент обеспечивает силу в 320 кН при деформации 23,5 мм. Большие полимерные элементы располагаются в основании подпорного комплекта и обеспечивают силу 1350 кН при деформации 21 мм.

Рис. 9. Статическая характеристика малого элемента аппарата ГП-120А

Рис. 10. Статическая характеристика большого элемента аппарата ГП-120А

Рис. 11. Статическая силовая характеристика аппарата ГП-120А

Таким образом, полимерный комплект соответствует проектным характеристикам аппарата ГП-120А.

На следующем этапе были проведены статические испытания поглощающего аппарата ГП-120А. В задачи статических испытаний входила проверка работоспособности полимерного подпорного комплекта, работы уплотнений и герметичности аппарата, соответствия характеристик техническому заданию. При проведении испытаний использовался гидравлический пресс ПММ-250, позволяющий обеспечить скорость нагружения, не превышающую 1 мм/с. Статические силовые характеристики аппарата ГП-120А приведены на рис. 12.

Рис. 12. Силовые характеристики аппарата ГП-120А: - - - V₀ =1,82 м/с; ••••••• - V₀ =2,44 м/с; ---- - V₀ = 2,77 м/с

При проведении статических испытаний нарушений в работе поглощающего аппарата ГП-120А выявлено не было. Аппарат герметичен, утечки масла не зафиксировано. Нарушений в работе уплотнений также не отмечено.Подпорный комплект аппарата при квазистатическом сжатии дает силу около 1,34 МН при ходе 110 мм, что соответствует предъявляемым требованиям.

Следующий этап испытаний проводился на стенде БСЗ-БИТМ, предусматривающем соударения тележки массой 44 т с упором, в котором устанавливается исследуемый поглощающий аппарат. На рис. 13, 14 представлены полученные в экспериментах силовые характеристики аппарата ГП-120А с постоянными дроссельными отверстиями 9 мм для различных скоростей соударения. Можно отметить удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных. Отличие составляет лишь достаточно пологий первый участок экспериментальных характеристик, что объясняется наличием воздуха в рабочих камерах. Применение зависимостей [4], учитывающих наличие воздушной фракции, позволяет достаточно точно описать эксперимент. Отмечается высокая надёжность работы аппарата: за время испытаний не было отмечено ни одного случая отказа.

Экспериментальные значения силовых характеристик, полученные при стендовых соударениях, приведены в табл. 1.

Таблица 1 Результаты статических испытаний аппарата ГП-120А

В результате стендовых ударных испытаний достигнуты следующие показатели: номинальная энергоемкость 140,5 кДж при силе 2,04 МН; коэффициенты полноты силовых характеристик 0,59…0,65. Таким образом, аппарат соответствует классу Т3.

Температурные испытания аппарата были проведены на ударном стенде БСЗ-БИТМ. Целью испытаний являлось определение соответствия характеристик отраслевому стандарту [3]. Согласно ОСТу, аппараты должны сохранять работоспособность и энергоемкость не менее установленной для аппаратов класса Т0 при температуре -60 °С; при температурах от -40 до +50°С изменение номинальной энергоемкости не должно превышать 30% от величины этого показателя, определенной при температуре 18 ± 5 °С.

Для получения необходимых температур аппарат помещался в специальную емкость (для охлаждения использовалась углекислота с этиловым спиртом, а нагрев осуществлялся в емкости с водой).

Полученные силовые характеристики для различных скоростей соударения и температур приведены на рис. 13, 14. Данные температурных испытаний сведены в табл. 2.

Рис. 13. Силовые характеристики аппарата ГП-120А для начальной скорости удара 2, 24 м/с при температуре: ••••••• - 20єС; ---- 0єС

Рис. 14. Силовые характеристики аппарата ГП-120А для начальной скорости удара 1, 26 м/с при температуре: - - - 0єС; ······· - 40єС; ---- - 60єС

Как видно из приведенных данных, силовые характеристики аппарата при температурах ниже - 40єС значительно отличаются от полученных при нормальной температуре. С понижением температуры полимерный комплект ужесточается; первый участок силовой характеристики становится более пологим (вогнутым), что связано с уменьшением объема воздуха.

Таблица 2 Результаты климатических испытаний аппарата ГП-120А

В целом результаты температурных испытаний показали, что аппарат ГП-120А соответствует требованиям ОСТа. Не было отмечено случаев отказа.

На завершающем этапе экспериментальных исследований были проведены испытания аппарата при соударении натурных вагонов.

Целью испытаний являлась оценка основных технических характеристик аппарата ГП-120А при соударении вагонов, а также определение соответствия нормативных показателей классам Т2, Т3 по ОСТу [3].

Испытания проводились на стенде-горке ЭК ВНИИЖТ (ст. Щербинка Московской обл.) в соответствии с типовой методикой испытаний поглощающих аппаратов при соударении вагонов [5].

Схема стенда представлена на рис. 15. Вагон-боек 4 с помощью тяговой тележки, соединенной с вагоном расцепным устройством 3, поднимался лебедкой 1 на горку, а затем на определенной высоте отцеплялся и накатывался на неподвижный вагон 5, расположенный на горизонтальном участке пути. Масса ударяемого вагона и масса вагона-бойка составляли 100 т. На вагоне-бойке устанавливался испытуемый аппарат ГП-120А. Удары производились в свободно стоящий вагон, который был оборудован эталонным серийным поглощающим аппаратом ПМК-110-К-23.

Рис. 15. Стенд-горка ЭК ВНИИЖТ (ст. Щербинка).

В процессе испытаний регистрировались: скорость набегания вагона-бойка, сила удара и ход двух поглощающих аппаратов. Скорость определялась по пикетоотметчику и электросекундомеру. Сила удара измерялась автосцепкой-динамометром, ход аппаратов - реохордными датчиками. В результате обработки данных определены следующие показатели: номинальная энергоемкость, максимальная энергоемкость, максимальный ход.

За время испытаний аппаратов было произведено 21 соударение с начальными скоростями от 4 до 14,6 км/ч. Данные экспериментов сведены в табл. 3. Силовые характеристики поглощающего аппарата ГП-120А, полученные при разных начальных скоростях, представлены на рис. 16.

Рис. 16. Силовые характеристики аппарата для скорости соударения: ----- 6 км/ч; - - 7,9 км/ч; • - • - • 10,9 км/ч; - - - 11,3 км/ч;* - * - * - 14,6 км/ч

Таблица 3 Результаты динамических испытаний аппарата ГП-120А

На рис. 17 показана диаграмма зависимости энергоемкости от максимальной силы, на рис. 18 - точечная диаграмма зависимости максимальной силы соударения от начальной скорости.

Рис. 17. Зависимость энергоемкости от максимальной силы

Рис. 18. Зависимость силы от начальной скорости соударения

По результатам испытаний на натурных вагонах, номинальная энергоемкость аппарата составила 115 кДж, максимальная энергоемкость при ходе 102 мм - 154 кДж. Максимальный ход аппарата составил 104 мм. Следует отметить особенность работы гидрополимерного аппарата: при повторных ударах аппарат сжался на большой ход - 105 - 110 мм. В целом эксперимент показал, что аппарат соответствует классу Т2, а при корректировке конструкции его параметры могут быть доведены до класса Т3.

Проведенные исследования позволяют рекомендовать внедрение аппаратов ГП-120А на железнодорожном транспорте.

Список литературы

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

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

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

4. Болдырев, А.П. Расчет характеристик гидроамортизатора (гидровставки) комбинированного поглощающего аппарата автосцепки // Динамика, прочность и надежность транспортных машин: сб. науч. тр. - Брянск: БИТМ, 1986. - С. 113 - 124.

5. СТ ССФЖТ ЦВ - ЦВЛ 09.07. - 99. Методика испытаний поглощающих аппаратов автосцепного устройства при соударении вагонов.

Размещено на Allbest.ru