Разработка математических моделей и расчет характеристик полимерных амортизаторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.4.028.86

Разработка математических моделей и расчет характеристик полимерных амортизаторов

Б. Г. Кеглин, С. А. Кравцов, А. П. Болдырев

Аннотация

полимерный силовой геометрический поглощающий

Приведены результаты экспериментальных исследований полимерных элементов. Рассчитаны силовые характеристики полимерных элементов различных форм и геометрических размеров. Исследовано поведение полимерных элементов различных конфигураций, а также разработаны новые конструкции элементов, позволяющие значительно увеличить их энергоемкость и повысить эффективность работы поглощающего аппарата.

Ключевые слова: поглощающий аппарат автосцепки, термоэластопласт, напряженно-деформированное состояние, энергоемкость, коэффициент полноты, полимерный элемент, начальная затяжка.

По данным статистики, 70% грузооборота на железных дорогах приходится на грузы общего назначения. Согласно ОСТ 32.175-2001 [1], на вагоны для таких перевозок необходимо устанавливать амортизаторы удара (поглощающие аппараты) классов Т1 и Т2, поэтому исследование амортизаторов этих классов является актуальным.

Для определения оптимальных значений параметров поглощающих аппаратов и их компонентов необходимы многочисленные экспериментальные исследования. Их проведение, как правило, связано с высокими расходами и требует больших затрат времени на планирование, изготовление опытных образцов и подготовку персонала [5].

Метод математического моделирования позволяет значительно сократить объемы экспериментов. Корректно созданная расчетная модель дает адекватное представление о характеристиках моделируемого объекта, позволяет выявить наиболее перспективные технические решения и отбросить малоэффективные и тупиковые на начальном этапе разработки [2].

Выбор полимерных элементов для аппаратов класса T1 в качестве объекта исследования определялся значительным практическим интересом именно к полимерным и фрикционно-полимерным межвагонным амортизаторам.

Основными целями исследований являются повышение эффективности работы полимерных поглощающих аппаратов, поиск новых конструктивных решений в создании полимерных блоков, не уступающих по основным показателям существующим моделям. Исходя из этого, были поставлены следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование опытных полимерных элементов.

2.Создание адекватной конечноэлементной расчетной модели опытного опорного полимерного элемента Durel и модели материала Durel для расчетов в программном пакете MSC.Marc.

3.Концептуальный поиск путей улучшения характеристик существующих моделей за счет варьирования конфигурации элемента и новых конструктивных решений. Оценка эффективности по критерию наибольшей энергоемкости расчетной силовой характеристики элемента в рамках ограничений по силе и деформации (повышение коэффициента полноты силовой характеристики) [3].

Полимерный элемент Durel показан на рис.1,2.

Экспериментальные исследования проводились с целью получения силовой характеристики опытного элемента для создания его расчетной модели и последующего поиска наилучшей геометрической конфигурации.

Для получения статической характеристики испытания образцов проводились по специальной методике. На рис. 3 приведена схема проведения статических испытаний. Фотография стенда приведена на рис. 4.

Рис. 1. Конструкция элемента Durel

Рис. 2. Фотография полимерного элемента Durel с промежуточными пластинами

Рис. 3. Схема статических испытаний полимерных элементов

Рис. 4. Образец во время испытаний

Образец 1 устанавливался на стол 2 пресса ПММ-250. Ход элемента измерялся реохордом 4, а сила, нагружающая образец, - с помощью силомера 3.

Для построения статической силовой характеристики опытный образец был подвергнут девяти одиночным нагружениям с нарастающей максимальной силой. Интервалы между нагружениями составляли 3 минуты.

Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Таблица 1.Результаты статических испытаний

Статические характеристики седьмого, восьмого и девятого нагружений представлены на рис. 5.

Рис. 5. Статические характеристики седьмого (1), восьмого (2) и девятого (3) нагружений

На первом этапе моделирования была подготовлена конечноэлементная модель элемента Durel согласно чертежу. После серии нагружений в ходе испытаний у элемента наблюдается усадка. Изменяются его форма и габаритные размеры, стенки центрального отверстия теряют форму цилиндра с прямой образующей. Поэтому дополнительно была создана конечноэлементная модель элемента после усадки (рис. 6).

Параметры модели были идентифицированы. Путём варьирования свойств материала и коэффициента трения были получены расчётные силовые характеристики, практически идентичные экспериментальным.

Рис. 6. Вид элемента в деформированном состоянии

На рис. 7 представлены силовая характеристика, полученная путём моделирования в пакете MSC.Marc, и силовая характеристика, полученная при девятом нагружении образца до силы 1128 кН. Основные параметры представлены в табл. 2.

Рис. 7. Силовые характеристики девятого нагружения: 1- модель (расчетная характеристика); 2 - прототип (экспериментальная характеристика)

Расхождения по коэффициенту полноты, энергии и максимальной силе не превысили 2,5%, что свидетельствует об адекватности модели, которая использовалась в дальнейших расчётах.

Также было проведено сравнение результатов данных экспериментов, результатов испытаний, проведенных компанией «Durel» (Германия), и результатов математического моделирования сжатия элемента.

Силовые характеристики приведены на рис. 8.

Рис. 8. Силовые характеристики элементов: 1- расчётная; 2-экспериментальная; 3-экспериментальная (Durel)

Расхождения силовых характеристик обусловлены релаксацией полимеров, вызванной начальной затяжкой [6].

На следующем этапе исследования определялось рациональное количество элементов в пакете. Проведён расчёт пакета, состоящего из семи и восьми элементов. Основные параметры силовых характеристик представлены в табл. 3.

Таблица 3 Основные параметры силовых характеристик

Уменьшение количества элементов при увеличении их габаритных размеров привело к повышению коэффициента полноты (на 10,2%) и увеличению поглощенной энергии даже при меньшем максимальном усилии. Целесообразно увеличение внешнего диаметра и толщины элемента при уменьшении числа элементов в пакете.

Дальнейшее уменьшение количества элементов в пакете ещё больше смягчает силовую характеристику, что требует увеличения диаметра и превышения габарита. Элемент в рациональной конфигурации представлен на рис. 9.

Рис. 9. Элемент Durel в конфигурации с увеличенными толщиной и внешним диаметром

Была также исследована модель поглощающего аппарата с рядным расположением элементов (рис. 10). Данная модель представляет интерес в связи с более плотным заполнением материалом внутреннего габарита аппарата. Чертеж элемента данного аппарата представлен на рис. 11.

Рис. 10. Пакет многорядного амортизатора в сборе

Рис. 11. Чертёж элемента многорядного амортизатора

Расчётная модель и силовая характеристика приведены на рис. 12,13. Основные параметры силовых характеристик представлены в табл. 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12. Конечноэлементная модель в деформированном состоянии

Рис. 13. Силовая характеристика одного слоя пакета при сжатии до хода 30 мм

Таблица 4 Результаты сжатия одного слоя пакета элементов

Уменьшением количества слоёв при увеличении высоты каждого слоя можно добиться большего коэффициента полноты при одинаковом ходе. Высота каждого элемента была увеличена для сохранения общей высоты пакета при уменьшенном количестве слоёв элементов. Расчётным путём были получены силовые характеристики пакета в двух конфигурациях (табл. 5).

Таблица 5. Результаты сжатия пакета из 7 и 8 слоёв элементов

Уменьшение количества слоёв привело к увеличению коэффициента полноты на 8%, однако поглощённая энергия и максимальная сила снизились на 9 и 16% соответственно. Это объясняется тем, что в одном и том же габарите при уменьшении количества элементов уменьшается количество пластин, а значит, и металла в пакете, соответственно увеличивается полнота и уменьшается жесткость. Для компенсации потери жёсткости необходимо увеличить диаметр элемента, однако в таком случае пакет превысит допускаемые габаритные размеры.

На следующем этапе был проведен конечноэлементный анализ составного амортизатора удара DP30K (рис. 14,15). Силовая характеристика одной секции составного амортизатора показана на рис. 16.

Рис. 14. Полимерный комплект амортизатора DP30K

Рис. 15. Деформация одной секции составного амортизатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 16. Силовая характеристика одной секции составного амортизатора.

При дальнейшем исследовании полимерного комплекта был проведен конечно-элементный анализ рациональной конструкции с уменьшенными зазорами между частями элемента и увеличенной площадью контакта (рис. 17). Силовая характеристика представлена на рис. 18.

Рис. 17. Деформация одной секции с уменьшенными зазорами между частями элемента и увеличенной площадью контакта.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 18. Силовая характеристика модели составного амортизатора с увеличенной площадью контакта и улучшенной геометрией.

Благодаря такой форме разреза внешняя часть элемента скользит по внутренней, из-за чего касательная жесткость (угол наклона касательной в точке к кривой силовой характеристики) растёт с меньшей скоростью. Данная секция представлена на рис. 19. Коэффициент полноты силовой характеристики при расчетном сжатии такого комплекта составил 0,255, поглощенная энергия - 6,47 кДж, максимальная сила - 1036 кН.

Рис. 19. Чертёж секции составного амортизатора в конфигурации с наибольшим коэффициентом полноты

На основании проведённых расчётов можно сделать вывод, что сложная форма элемента не всегда даёт большой выигрыш в энергоёмкости. Напротив, простые формы показали удовлетворительные результаты. Результаты всех расчетов представлены в табл. 6.

Таблица 6. Сравнительные результаты расчётов

Основная проблема сложных составных элементов состоит в том, что при больших нагрузках части элемента начинают работать как единое целое. Эти трудно учитываемые в расчётах явления зависят от многих факторов, требующих экспериментальных исследований, что затрудняет создание моделей таких элементов расчётными методами.

При разработке конструкции обычных полимерных элементов необходимо стремиться сглаживать острые края, поскольку это ухудшает картину напряжений. Основной целью дальнейших исследований должно стать увеличение жёсткости элемента при малом ходе, так как это позволит увеличить коэффициент полноты, а значит, и эффективность работы элемента.

Перспективным представляется конструктивное решение с многорядным расположением небольших полимерных элементов. Высокая надёжность данной конструкции обеспечивается наличием параллельно функционирующих составляющих. Полимерные элементы, благодаря их небольшому размеру и несложной геометрической форме, просты и недороги в изготовлении. Для получения наилучшего результата необходимо оптимизировать форму полимерных элементов.

Список литературы

1. ОСТ 32.175-2001. Аппараты поглощающие автосцепного устройства грузовых вагонов и локомотивов. Общие технические требования. - 12 с.

2. Болдырев, А.П. Научные основы совершенствования поглощающих аппаратов автосцепки: дис. … д-ра техн. наук / А.П. Болдырев. - Брянск, 2006. - 361 с.

3. Белоусов, А.Г. Разработка конструкции и методики расчета фрикционно-полимерных поглощающих аппаратов: дис. … канд. техн. наук /А.Г. Белоусов. ? Брянск, 2006. ? 113 с.

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

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

6. Старжинский, В.Е. Точные пластмассовые детали и технология их получения / В.Е. Старжинский, А.М. Фарберов, С.С. Песецкий, С.А. Осипенко, В.А. Брагинский. - Минск: Навука i тэхнiка, 1992. - 307 с.

Материал поступил в редколлегию 18.10.13.

Размещено на Allbest.ru