Приемочные испытания фрикционно-эластомерного поглощающего аппарата класса Т2 ПМКЭ-110

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 539.4

Приемочные испытания фрикционно-эластомерного поглощающего аппарата класса Т2 ПМКЭ-110

Б.Г. Кеглин, А.П. Болдырев, А.П. Шлюшенков, Т.Н. Прилепо, В.А. Алдюхов

Аннотация

Приведены результаты статических, ударных и ресурсных испытаний опытных образцов фрикционно-эластомерного поглощающего аппарата ПМКЭ-110 класса Т2.

В соответствии с разработанной ФГУП ВНИИЖТ классификацией поглощающих аппаратов [1] ряд типов вагонов, требующих повышенной степени защиты от продольных нагрузок (нефтебензиновые цистерны, вагоны для перевозки химических продуктов и др.), должны оборудоваться поглощающими аппаратами класса Т2. Аппараты этого класса должны иметь номинальную энергоемкость (при силе 2 МН) не менее 100 кДж, а максимальную (при силе 3МН) - не менее 130 кДж. В настоящее время этим требованиям удовлетворяет ряд эластомерных аппаратов (73-ZW, АПЭ-120, АПЭ-95). Однако, во-первых, эти конструкции оказались недостаточно надежными, что связано с высокой степенью рабочего сжатия эластомера и соответственно высоким рабочим давлением в камерах (свыше 500 МПа). Во-вторых, из-за значительной сложности конструкции, большого объема используемого дорогостоящего эластомера, а также необходимости применения высокопрочных легированных сталей стоимость такого типа аппаратов остается достаточно высокой.

В БГТУ при участии специалистов ФГУП ВНИИЖТ был разработан комбинированный фрикционно-эластомерный поглощающий аппарат ПМКЭ-110, проектные характеристики которого соответствуют классу Т2. В этой конструкции, основой которой является серийно выпускаемый аппарат ПМК-110К-23, пружинный комплект заменен подпорно-возвратным устройством (ПВУ), представляющим собой малогабаритный эластомерный амортизатор. Объем эластомера в ПВУ не превышает 1,7 л, рабочее давление - 350 МПа. Все это дает основания считать, что предлагаемая конструкция будет более надежной и экономичной, чем существующие. Конструкция аппарата защищена патентом РФ №2198809.

По согласованию с ВНИИЖТ и ЦВ МПС работа была начата в 2002 г. Она проводилась по договору о техническом сотрудничестве ООО «НПП «Дипром» и ОАО «Бежицкий сталелитейный завод», в изготовлении опытных образцов подпорно-возвратного устройства принимало участие ЗАО «Термотрон-завод» (г. Брянск). В период с 2002 по 2005 г. был выполнен большой объем работ по выбору оптимальных параметров аппарата, корректировке его конструкции. В соответствии с согласованной с ОАО «РЖД» инструкцией приемочные испытания опытных образцов включали статические, климатические, динамические стендовые и динамические вагонные испытания аппарата ПМКЭ-110. Результаты этих испытаний, проведенных ООО «НПП «Дипром» и ФГУП ВНИИЖТ, приведены в настоящей статье.

Конструкция поглощающего аппарата ПМКЭ-110 и его подпорно-возвратного устройства (эластомерной вставки) показана на рис. 1, 2. В отличие от аппаратов ПМК-110А аппарат содержит вместо пружинного комплекта портативный эластомерный амортизатор. В аппарате отсутствует стяжной болт, в собранном состоянии его удерживает замок, образованный из выступов на корпусе 12 и нажимном конусе 1 (рис. 1). Геометрические параметры клиновой системы аппарата: б=35є; в=15є; г=3є; конструктивный ход аппарата - 110 мм. В аппарате используются металлокерамические пластины из порошкового материала повышенной износостойкости К-17, защищенного патентом РФ № 1749287. Габаритные размеры опытных образцов аппарата соответствуют технической документации, установочные размеры отвечают ГОСТ 3475-81.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Подпорно-возвратное устройство (рис.2) состоит из рабочего цилиндра 1, штока с поршнем 4 и крышки 5. В корпусе поглощающего аппарата цилиндр перемещается в бронзовых направляющих (поз. 11 на рис. 1), обеспечивающих его надежное центрирование. Цилиндр заполнен объемно сжатым начальным давлением эластомерным материалом, в качестве которого использована композиция АДК, разработанная ООО «Астрохим» и представляющая собой кремнийорганическое соединение, обладающее высокой объемной сжимаемостью и вязкостью до 3000 Па·с. Поршень делит внутренний объем цилиндра на две камеры: камеру сжатия 2 и камеру расширения 3. При сжатии поглощающего аппарата эластомер перетекает из камеры сжатия в камеру расширения, для этого предусмотрен кольцевой зазор между поршнем и цилиндром, а также дроссельные отверстия в поршне.

Размещено на http://www.allbest.ru/

фрикционный эластомерний поглощающий аппарат

Подпорное усилие складывается из статической и динамической (гидравлической) составляющих. Статическая составляющая обеспечивается начальным давлением объемно сжатого эластомера и последующим ростом давления за счет уменьшения суммарного объема рабочих камер. Динамическая составляющая обусловлена сопротивлением перетекания эластомера из камеры сжатия в камеру расширения через кольцевой зазор и дроссельные отверстия в поршне и зависит от вязкости эластомера и скорости относительного перемещения штока и корпуса аппарата.

После удара ПВУ восстанавливается под действием давления на поршень объемно сжатого эластомера.

Для обеспечения герметичности камер использованы шевронные уплотнения из морозостойких и полимерных материалов (полиамида, полипропилена, графилона).

Основные параметры ПВУ, представленного к испытаниям: диаметр штока - 34 мм; количество дросселирующих отверстий - 3; диаметр дросселирующего отверстия - 7 мм; зарядное давление в камерах - 92 МПа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статические испытания ПВУ. Целью испытаний была проверка работоспособности эластомерного амортизатора при наиболее неблагоприятном с точки зрения обеспечения прочности режиме; при квазистатическом режиме нагружения давления в рабочих полостях цилиндра максимальны.

Статические испытания ПВУ проводились в лаборатории прочности кафедры «Динамика и прочность машин» БГТУ на гидравлическом прессе ПММ_250. Скорость нагружения не превышала 1 мм/с. Схема проведения испытаний приведена на рис. 3. Эластомерный амортизатор 2 устанавливался в корпус аппарата 1. Корпус аппарата размещался на столе пресса 3. На днище эластомерной вставки устанавливался цилиндр 7 с тензометрическим датчиком 8. На цилиндр 7 опускалась верхняя траверса пресса 6. При помощи нагружающего устройства пресса стол 3 поднимался вверх, чем обеспечивалось сжатие ПВУ. Температура помещения составляла 19єС.

Для регистрации хода использовался реохордный датчик перемещений 9. Сила регистрировалась производилась с помощью тензометрических датчиков 8. Для записи результатов испытаний использовалась ПЭВМ в сочетании с измерительно-вычислительным комплексом MIC-026.

Статическая силовая характеристика ПВУ представлена на рис. 4. Как видно из графика, зарядное давление обеспечивало силу начального сжатия ПВУ, равную 84 кН. Максимальная сила сжатия при реализации полного хода ПВУ, равного 126 мм, составила 265 кН. Полная квазистатическая энергоемкость ПВУ равна 21 кДж, коэффициент поглощения энергии ПВУ при статическом нагружении зст=0,67.

Климатические испытания ПВУ. Целью испытаний являлась оценка работоспособности ПВУ в диапазоне рабочих температур -60…+50 єС для установления соответствия характеристик эластомерной вставки, а следовательно, и аппарата в целом требованиям ОСТа [1].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эластомерная вставка помещалась в изолированную емкость, залитую техническим спиртом, охлаждение осуществлялось путем растворения в емкости «сухого льда» - углекислого газа. Нагрев при повышенных температурах ПВУ осуществлялся в водной среде. Непрерывный контроль температуры среды осуществлялся термометром. После достижения необходимой температуры и выдержки в этих условиях в течение 30 мин ПВУ устанавливалось на стенд ПММ-250 (рис. 3), где фиксировалась его статическая характеристика.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 5 представлены статические силовые характеристики эластомерного амортизатора для различных температур, на рис. 6 - зависимость зарядного давления Р0 и энергоемкости Э эластомерного амортизатора от температуры. Как видно из приведенных графиков, с ростом температуры повышается зарядное давление и соответственно сила сопротивления амортизатора и его энергоемкость, что, очевидно, связано с температурным расширением эластомерной композиции. Снижение энергоемкости ПВУ при низких температурах относительно невелико и не превышает 20%. Модуль объемного сжатия эластомера (производная ) как при прямом ходе, так и при возврате зависит от температуры слабо. В связи со снижением зарядного давления при снижении температуры отмечено существенное (от 170 до 50 кН) снижение восстанавливающей силы эластомерного амортизатора. При температурах -60 и -40єС отмечалось неполное восстановление ПВУ после снятия нагрузки (на величину 10…15 мм); при температуре -60єС полное восстановление ПВУ наблюдалось через 20 мин, при температуре - 40єС - после 5-минутной паузы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В целом можно заключить, что, несмотря на отмеченные особенности, ПВУ поглощающего аппарата ПМКЭ-110 отвечает требованиям ОСТ 32.175-2001.

Динамические испытания ПВУ на ударном стенде БГТУ-БСЗ. Динамические ударные испытания эластомерного амортизатора проводились на стенде-горке БГТУ-БСЗ (рис. 7), предназначенном для моделирования соударения вагонов на сортировочных горках. Ударная тележка 3 массой 44 т поднимается лебедкой 7 на горку 6, а затем на определенной высоте 5 (в зависимости от требуемой скорости соударения), отцепляется и накатывается на упор 2, закрепленный в массивном бетонном основании 1. Скорость соударения фиксируется пикетами 8. Ударная тележка и неподвижный упор оборудованы серийным автосцепным устройством. Испытуемый объект устанавливается в неподвижном упоре, на ударной тележке вместо поглощающего аппарата используется жесткий стержень.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В ходе испытаний с помощью измерительно-вычислительного комплекса MIC-026 (НПП «Мера», РФ) регистрировались во времени изменения силы сжатия и хода амортизатора удара при различных скоростях накатывания ударяющей тележки. Сила регистрировалась с помощью динамометрической автосцепки посредством тензорезисторных датчиков, соединенных по безызгибной схеме для измерения продольных сил. Ход амортизатора измерялся с помощью тензорезисторного датчика больших перемещений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 8 приведены динамические характеристики ПВУ для различных скоростей удара (температура окружающей среды составляла -15єС).

Силовые характеристики отличают высокие коэффициенты полноты, достигающие 0,8, что обеспечивает высокую энергоемкость ПВУ (до 60 кДж) при относительно небольших силах (до 650 кН).

Динамические испытания аппарата ПМКЭ-110 при соударении вагонов. Перед испытаниями аппарат был приработан на стенде-горке БГТУ-БСЗ, всего по аппарату было нанесено ~ 150 ударов, общая введенная энергия составляла 12 МДж. Затем аппарат был доставлен на Экспериментальное кольцо ФГУП ВНИИЖТ.

Испытания проводились в соответствии с СТ ССФЖТ ЦВ-ЦЛ 09.09 - 99 [2]. Испытания при соударении вагонов проводились на стенде-горке ЭК ВНИИЖТ. Масса ударяемого вагона и масса вагона-бойка составляла 100 т. На вагоне-бойке устанавливался испытуемый аппарат ПМКЭ-110. Удары наносились в свободно стоящий вагон, оборудованный эталонным серийным поглощающим аппаратом ПМК-110-К-23. В процессе испытаний регистрировались: скорость набегания вагона-бойка, сила удара, ход двух поглощающих аппаратов.

Скорость набегания вагона-бойка определялась по пикетоотметчику и электросекундомеру. Сила удара измерялась автосцепкой-динамометром, ход аппарата - реохордным датчиком.

Результаты испытаний приведены на точечных диаграммах (рис. 9, 10).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергоемкость аппарата определялась интегрированием зависимости Р(x).

На рис. 11 приведены типичные силовые характеристики аппарата ПМКЭ-110 для различных скоростей удара.

Анализ графиков показывает, что номинальная энергоемкость аппарата ПМКЭ-110 составила 100 кДж, максимальная находится на уровне 130 кДж. Номинальная скорость составила 10,3 км/ч, максимальная находится на уровне 12 км/ч.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Программой приемочных испытаний предусматривались ресурсные испытания аппарата ПМКЭ-110 [3].

Ресурсным испытаниям был подвергнут опытный образец аппарата ПМКЭ-110, прошедший цикл испытаний при соударении вагонов на Экспериментальном кольце ФГУП ВНИИЖТ.

Целью испытаний была оценка ресурса, долговечности и износостойкости поглощающего аппарата автосцепки. Испытания проводились в соответствии со стандартом.

Испытания проводились на ударном стенде-горке БСЗ-БИТМ с ударяющей тележкой массой 44 т (рис. 7). Опытный аппарат устанавливался в неподвижном упоре стенда, на накатываемой тележке вместо поглощающего аппарата устанавливался жесткий стержень.

Размещено на http://www.allbest.ru/

С целью реализации полного хода аппарата при испытаниях на стенде в поглощающем аппарате использовался эластомерный амортизатор (ПВУ) с увеличенными дроссельными отверстиями (диаметром 12 мм вместо 7 мм). При этих параметрах технические характеристики поглощающего аппарата составили: ход - 110 мм; номинальная энергоемкость - 85 кДж; максимальная энергоемкость - 90 кДж; линейная начальная затяжка аппарата до испытаний - 12 мм; сила начальной затяжки аппарата до испытаний - 200 кН.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ресурсные испытания проводились на трех уровнях нагружения. Всего было нанесено 5400 ударов с начальной скоростью 0,88 м/с (энергия удара - 19 кДж), 1800 ударов с начальной скоростью 1,47 м/с (энергия удара - 59 кДж) и 600 ударов с начальной скоростью 2,05 м/с (энергия удара - 80 кДж). Общая введенная энергия составила 256 МДж.

В начале и в конце испытаний регистрировались во времени: статическая характеристика подпорно-возвратного устройства; динамические силовые характеристики при различных скоростях накатывания тележки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изменение статической силовой характеристики эластомерной вставки за время ресурсных испытаний отражают графики на рис. 12. Из приведенных графиков видно, что за время ресурсных испытаний начальная сила эластомерного амортизатора снизилась с 85 до 35 кН; сила, соответствующая закрытию устройства, - с 280 до 190 кН. Снижение сил связано с технологическим выносом через уплотнения эластомерного материала. Объем вынесенного материала составил 20 см3, что составляет 1,2 % от его общего количества. Изменение динамических силовых характеристик аппарата отражают графики на рис. 13 и 14. Отчетливо видно, так же как и для статических характеристик, снижение сил на всем протяжении хода. В табл. 1 приведены параметры силовых характеристик, скорости удара и энергоемкость аппарата в начале и в конце ресурсных испытаний.

К концу ресурсных испытаний при одинаковых скоростях удара увеличился ход аппарата и снизилась его энергоемкость. При ударе со скоростью 2,08 м/с по окончании испытаний наблюдалось закрытие аппарата, энергоемкость снизилась с 89 до 78 кДж.

Изменение динамических характеристик связано с изменением статической характеристики эластомерной вставки и уменьшением линейной начальной затяжки, вызванным износом деталей аппарата, прежде всего металлокерамических элементов.

Таблица 1 Зависимость силы удара, хода аппарата и его энергоемкости от скорости удара

В табл. 2 сопоставлены параметры динамических силовых характеристик в начале и в конце ресурсных испытаний.

Таблица 2 Изменение параметров аппарата за время ресурсных испытаний

Как видно из табл. 2, к концу ресурсных испытаний несколько снизилась номинальная (на 13 %) и максимальная (на 18 %) энергоемкость аппарата. Это сопровождалось снижением полноты силовой характеристики аппарата.

Причиной снижения этих показателей является снижение подпорной силы эластомерной вставки, а также повышение доли участия в процессе трения пары «сталь-сталь» за счет контакта подвижных пластин с корпусом (приработка этой пары трения проходит существенно медленнее, чем пары трения «сталь-металлокерамика») и более интенсивной работы защитных стальных ребер неподвижных пластин по подвижным пластинам и клиньям по мере износа металлокерамики.

За все время испытаний не было отмечено каких-либо отказов в работе аппарата или протечек эластомера, не было отмечено ни одного случая заклинивания аппарата.

Амортизирующая композиция за время ресурсных испытаний изменила свою структуру (на 3% увеличился удельный вес) и цвет (из-за продуктов износа деталей).

Таким образом, опытный аппарат ПМКЭ-110 по окончании ресурсных испытаний полностью сохранил свою работоспособность. Изменение основных выходных параметров аппарата за время ресурсных испытаний не превысило 30 %, что соответствует требованиям ОСТа [1].

Результаты приемочных испытаний были рассмотрены приемочной комиссией ОАО «РЖД» 15 июня 2006 г., которой был составлен «Акт приемки опытных образцов поглощающего аппарата ПМКЭ-110», утвержденный вице-президентом ОАО «РЖД» В.А. Гапановичем. В «Акте…», в частности, отмечено, что опытные образцы выдержали приемочные испытания и соответствуют ОСТу [1] по классу Т2, а ООО «ПК «Бежицкий сталелитейный завод» предложено изготовить опытную партию аппаратов для проведения пробеговых эксплуатационных испытаний, по результатам которых выпустить установочную партию в количестве 5000 шт.

Список литературы

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

2. СТ ССФЖТ ЦВ-ЦЛ 09.09 - 99. Методика испытаний аппаратов при соударении вагонов.

3. СТ ССФЖТ ЦВ - ЦЛ 09.06-99. Методика ресурсных испытаний поглощающих аппаратов автосцепного устройства.

Размещено на Allbest.ru