Обоснование мероприя тий по совершенствованию тележек грузовых вагонов
На правах рукописи
Додонов
Александр Владимирович
ОБОСНОВАНИЕ мероприятий по совершенствованию тележек грузовых вагонов
Специальность 05.22.07 — Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС) на кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство».
Научный руководитель –
Доктор технических наук, профессор
биТЮЦКИЙ Александр анатольевич
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, доцент
ПАВЛЮКОВ Александр Эдуардович
Кандидат технических наук, доцент
КАМАЕВ Олег Борисович
Ведущая организация –
ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения»
Защита состоится «__» __________ 2008 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при Уральском государственном университете путей сообщения по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, д.66, ауд. 283.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан «___» ________ 2008 г.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу совета университета.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор Асадченко В.Р.
Общая характеристика работы
Актуальность работы.
В современных условиях роста промышленного производства в Российской Федерации все большее значение приобретает эффективность работы железнодорожного транспорта. Одним из направлений повышения эффективности работы железнодорожного транспорта является минимизация затрат на обслуживание вагонов. В то же время значительное количество отцепок грузовых вагонов приводящее к длительным простоям, снижению безопасности движения и частым трудоемким ремонтам происходит по причине неисправностей ходовых частей.
В настоящее время, подавляющее большинство грузовых вагонов парка СНГ эксплуатируются на тележках модели 18-100. Многолетний опыт эксплуатации этой тележки и многочисленные испытания, проведенные проектными и исследовательскими организациями, помимо преимуществ данной тележки, выявили ряд существенных недостатков как в конструкции, так и в качестве изготовления деталей. В течение последних десятилетий тележка модели 18-100 подвергалась многочисленным модернизациям, однако опыт эксплуатации показывает, что её конструкция не в полной мере соответствует современным требованиям предъявляемым к ходовым частям. Основными недостатками тележки модели 18-100 и ее модификаций являются недостаточный уровень контроля геометрических параметров узлов кинематического взаимодействия, высокие темпы износа и высокая повреждаемость литых деталей рамы тележки.
Таким образом, исследования, направленные на совершенствование тележек грузовых вагонов, являются актуальными и вытекают из первоочередных задач, стоящих перед железнодорожным транспортом страны.
Целью работы является разработка методики обоснования конструкторско-технологических мероприятий и на ее основе совершенствование конструкции, технологии изготовления литых деталей и технического контроля в эксплуатации тележек грузовых вагонов.
За последние несколько десятилетий разработано большое количество методик, рекомендаций и проектов модернизаций тележек грузовых вагонов часть из которых реализована и успешно используется, однако необходимость дальнейшего совершенствования ходовых частей грузовых вагонов сохраняется. В диссертационной работе для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Выполнен анализ современного состояния эксплуатационной надежности узлов и деталей тележек модели 18-100 и выявлены узлы, требующие первоочередной модернизации;
2. Разработан уточненный алгоритм выбора и обоснования конструкторско-технологических мероприятий по повышению эксплуатационной надежности узлов тележек, требующих первоочередной модернизации;
3. Создана уточненная математическая модель, на основании анализа работы опорных соединений тележки, позволяющая исследовать влияние износов подсистем букса-боковая рама и фрикционный клин - надрессорная балка на динамические качества грузовых вагонов;
4. Разработана методика оценки качества и обоснования технологических мероприятий, направленных на повышение качества изготовления деталей рамы тележки.
5. Выполнена апробация разработанных расчетных моделей, методики и алгоритма совершенствования тележек грузовых вагонов на примере разработки мер по защите литых деталей тележки от износов, создания системы контроля размеров элементов тележки в эксплуатации и совершенствования технологии изготовления боковой рамы.
6. Проведены экспериментальные исследования с целью верификации расчетных моделей, методики и оценки эффективности разработанных мероприятий.
7. Выполнена оценка экономического эффекта применения разработанной методики при совершенствовании ходовых частей.
Решение поставленных задач проводилось путем комбинирования аналитических методов, численного моделирования и проведения натурных экспериментов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана уточненная параметризованная расчетная модель грузового вагона, позволяющая с учетом износов пар трения осуществлять исследования и выбор параметров соединений тележек букса-боковая рама и боковая рама - фрикционный клин – надрессорная балка.
2. Сформирован алгоритм и разработана методика исследования тепловых процессов при изготовлении деталей рамы тележек, учитывающие изменения свойств стали в зависимости от температуры и позволяющие выбирать геометрические параметры деталей в зонах концентрации технологических напряжений;
3. Получены зависимости изменения температуры и полей остаточных термических напряжений от геометрических параметров и технологии литья, позволяющие выбирать рациональные геометрические параметры в зонах концентрации технологических напряжений и технологию изготовления боковой рамы трехэлементной тележки грузовых вагонов.
4. Предложена методика исследования взаимного расположения деталей тележек при ходовых и эксплуатационных испытаниях, позволяющая создать систему оценки темпов изнашивания и изменения кинематики составных частей тележек грузовых вагонов в эксплуатации.
Практическая значимость и реализация работы:
- Разработанная методика исследования тепловых процессов позволяет производить выбор геометрических параметров в зонах технологической концентрации напряжений и обеспечить снижение количество брака при изготовлении литых деталей тележек грузовых вагонов.
- Сформированная расчетная модель отливки боковой рамы тележки позволяет, без применения специализированного программного обеспечения и натурных экспериментов, оптимизировать конфигурацию отливки боковой рамы с целью минимизации дефектов усадочного происхождения в зонах концентрации напряжений боковой рамы на стадии проектирования.
- Предложенная методика исследования взаимного расположения деталей тележек, оценки темпов изнашивания, изменения кинематики составных частей тележек грузовых вагонов и выявления их взаимного влияния составила методическую основу при разработке «Методики контроля размеров элементов тележки модели 18-100 при ремонте и эксплуатации» рекомендованной для внедрения.
- Результаты работы использованы при совершенствовании боковой рамы тележки производства ООО «Промтрактор-Промлит» и разработке тележки модели 18-9771 производства ЗАО «Промтрактор-Вагон». Выполненная разработка и расчетно-экспериментальное обоснование комплекса мероприятий по совершенствованию тележки грузовых вагонов позволяет получить годовой экономический эффект не менее 18,5 миллионов рублей.
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований тележки грузовых вагонов: максимальное расхождение экспериментальных и расчетных значений напряжений, при статических испытаниях боковой рамы, составляет 7%, динамических показателей, не превышает 15 %. Обоснованность разработанных рекомендаций по защите пар трения тележки от износов подтверждается положительными результатами эксплуатационных испытаний. Эффективность и обоснованность разработанных мер по снижению количества дефектов в зонах концентрации напряжений боковой рамы при изготовлении подтверждается положительными результатами натурных испытаний.
В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические разработки по формированию конструкторских и технологических мероприятий, направленных на совершенствование трехэлементной тележки грузовых вагонов, имеющие существенное значение для экономики железнодорожного транспорта страны.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на научно-технических конференциях «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» ПГУПС (2003, 2005 гг.); на неделях науки ПГУПС (2005, 2006 гг.); на научно-технических совещаниях Департамента вагонного хозяйства ОАО «РЖД» (2005-2007 гг.); на производственно-технических совещаниях заводов ООО «Промтрактор-Промлит» и ЗАО «Промтрактор-Вагон» (2005-2007 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в шести печатных работах, отдельные разделы теоретических исследований приведены в двух отчетах о научно-исследовательских работах. Получено два свидетельства на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, шесть глав, заключение и изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 20 таблиц и 70 иллюстраций. Список использованных источников насчитывает 140 наименований.
Автор выражает благодарность за оказанную поддержку и консультации доктору технических наук, профессору Соколову Михаилу Матвеевичу.
Основное содержание диссертации
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе проведен краткий обзор и анализ исследований по совершенствованию конструкций отечественных трехэлементных тележек грузовых вагонов. Показано, что большой вклад в совершенствование подвижного состава внесли следующие отечественные ученые: П.С. Анисимов, Е.П. Блохин, Ю.П. Бороненко, В.И. Варава, М.Ф. Вериго, С.В. Вершинский, Л.О Грачева, В.Н. Данилов, В.Д. Данович, Ю.В. Демин, Е.П. Дудкин, Н.М.Ершова, И.П. Исаев, Л.А. Кальницкий, А.А. Камаев, В.А. Камаев, Н.А. Ковалев, М.Л. Коротенко, В.Н. Котуранов, Н.Н. Кудрявцев, В.А. Лазарян, В.В. Лукин, А.А. Львов, В.Б Медель, Л.А. Манашкин, Е.Н. Никольский, М.П. Пахомов, Н.П. Петров, А.А. Попов, Ю.С. Ромен, А.Н. Савоськин, М.М. Соколов, Т.А. Тибилов, В.Ф. Ушкалов, В.Д. Хусидов, И.И. Челноков, Л.А Шадур, П.В. Шевченко, В.Ф. Яковлев и другим, а так же зарубежные ученые: И. Боймель, Д.Л. Кофман, Г. Марье, которыми решен ряд задач статической и динамической нагруженности рельсовых экипажей, позволяющих оценивать качество различных типов подвижного состава. Однако, большинство исследований в основном посвящены выбору конструктивных схем и оптимальных параметров тележек без учета возможных эксплуатационных изменений их параметров, значительно влияющих на ходовые качества подвижного состава.
Исследованиями, направленными на решение проблемы износа ходовых частей тележек занимались следующие отечественные ученые: М.Ф. Вериго, В.С. Коссов, В.С. Лысюк, В.Д. Данович, И.И. Доронина, А.В. Заверталюк, В.Д. Хусидов, Г.И. Петров, Е.П. Корольков, А.В. Смольянинов. Труды этих ученых в основном посвящены решению проблемы износа гребней колес при различных соотношениях эксплуатационных размеров. Разработкой мер по увеличению ресурса трущихся деталей работали ученые ВНИИЖТ, ПКБ ЦВ, ВНИИВ. В результате были разработаны и внедрены различные модернизации тележки грузовых вагонов. Однако до настоящего времени проблема износов трущихся деталей тележки полностью не решена.
Вопросами мониторинга и разработками систем контроля технического состояния тележек в эксплуатации занимались М.М. Соколов, Г.В. Левков, В.И. Варавва, Г.М. Левит, В.Б. Харитонов.
Большое количество исследований проведено в области совершенствования конструкции боковых рам трехэлементных грузовых тележек и методов их расчета на прочность. В частности, к таким работам относятся труды: А.С. Лисовского, В.К. Окишева, А.Э. Павлюкова, Ю.А. Усманова и других. Исследованиями усталостной прочности боковых рам тележек посвящены работы таких ученых как: А.С. Битюцкий, С.В. Вершинский, Н.Н. Невзорова, Л.Д. Кузьмич. Однако данные работы не предусматривают разработку мер направленных на совершенствование технологии изготовления боковых рам. В области совершенствования технологии литейного производства большой вклад внесли следующие ученые: П.Н. Аксенов, Г.Ф. Баландин, А.И. Беляков, П.Ф. Василевский, В.М. Воздвиженский, Н.М. Галдин, Н.Г. Гришович, Г.М. Дубицкий, Л.С. Константинов, Й. Пржибыл, Р.П. Тодоров, А.П. Трухов, В.С. Урушев, В.М. Шестопал. Однако при разработке литейной технологии производства боковых рам трехэлементных тележек грузовых вагонов рекомендации этих ученых применяются не в полной мере.
На основании проведенного обзора, из общей проблемы совершенствования ходовых частей грузовых вагонов были сформулированы основные задачи исследования, необходимые для достижения поставленной цели.
Во второй главе диссертации, для выявления причин недостаточных межремонтных пробегов тележки 18-100, выполнен обзор и сравнительный анализ отечественных и зарубежных конструкций тележек грузовых вагонов, систематизация и анализ модернизаций отечественной тележки грузовых вагонов, а так же проведено исследование современного состояния неисправностей ходовых частей грузовых вагонов с целью определения узлов и деталей тележки, требующих первоочечедной модернизации.
Сравнительный анализ конструкций отечественных и зарубежных тележек грузовых вагонов проводился в следующей последовательности: выполнен обзор конструкций тележек грузовых вагонов, на основании которого выбран ближайший зарубежный аналог тележки модели 18-100; выполнена декомпозиция тележек-аналогов на составные части; проведен анализ составных частей обеих тележек, по результатам которого сформулировны выводы по их конструктивным особенностям.
Для оценки возможности дальнейшего совершенствования тележки грузовых вагонов на следующем этапе был выполнен обзор модернизаций тележки модели 18-100. По результатам которого сделан вывод о том, что, не смотря на достаточно большое количество разработанных и внедренных модернизаций, тележка грузовых вагонов не в полной мере удовлетворяет современным требованиям предъявляемым к ходовым частям.
Исследование современного состояния неисправностей ходовых частей грузовых вагонов проводилось в два этапа. На первом этапе проведено исследование неисправностей тележек при поступлении в капитальный и деповской ремонт на ЗАО «Промтрактор – Вагон» и вагонное депо ВЧД-19 Октябрьской железной дороги. По результатам обследования было определено соотношение деталей, не требующих ремонта, замененных и отремонтированных, а так же определены средние сроки службы деталей, имеющих маркировку года изготовления (рисунок 1А).
| А | Б |
 |  |
| 1 – колесные пары; 2 –буксовый узел; 3 –пружины; 4 – несоответствие зазоров скользуна; 5 – завышение клина; 6 –скользун; 7 – опорная прокладка буксового проема; 8 –надрессорная балка; 9 –клин гасителя колебаний; 10 –боковая рама | |
| Рисунок 1 - Анализ современного состояния неисправностей ходовых частей грузового вагона. | |
| А – Результаты исследования фактических сроков службы деталей тележки | Б – Прогноз отказов тележек модели 18-100 и 18-578 при одинаковом сроке службы |
На втором этапе проанализирована ситуация с основными неисправностями ходовых частей в эксплуатации. Анализ выполнялся на основании данных Департамента вагонного хозяйства ОАО «РЖД» об отцепках вагонов в текущий ремонт, по причинам неисправностей тележек моделей 18-100 и 18-578. Для прогноза отказов тележек, при одинаковом сроке эксплуатации, была разработана методика интерполирования данных. При обработке данных были приняты следующие допущения. Средний возраст деталей тележки модели 18-100 был принят 16 лет, а средний возраст деталей тележки модели 18-578 был принят 2 года.
Вероятность безотказной работы литых деталей тележки модели 18-100, при среднем возрасте 16 лет находилась по формуле:
, (1)
где N0 – общее число изделий;
n(t) – число изделий, отказавших за время t;
Для внезапных отказов распределение вероятности безотказной работы имеет вид
(2)
где – интенсивность отказов во времени, =const для одного вида неисправности, при устойчивом статическом распределении внешних воздействий и характеристики качества изделия,
t – время.
В результате выполненной обработки данных получен прогноз количества отказов литых деталей тележек 18-578 и 18-100 при одинаковом сроке службы (рисунок 1Б). По результатам исследования определен перечень мероприятий для первоочередной модернизации: необходима разработка мер по снижению износов опорных соединений подсистем букса-боковая рама, надрессорная балка-клиновой гаситель колебаний; необходимо повышение качества изготовления боковой рамы тележки.
В третьей главе диссертации разработан алгоритм выбора и обоснования конструкторско-технологических мероприятий по повышению эксплуатационной надежности узлов тележек. На основании анализа работы опорных соединений тележки создана уточненная математическая модель, позволяющая исследовать влияние износов подсистем букса-боковая рама и фрикционный клин - надрессорная балка на динамические качества грузовых вагонов. Разработана методика и конечно-элементная расчетная модель боковой рамы тележки для обоснования технологических мероприятий, направленных на повышение качества изготовления.
Сформированный алгоритм имеет линейную структуру и позволяет выполнять совершенствование тележек грузовых вагонов и обоснование конструкторско-технологических мероприятий, направленных на увеличение эксплуатационной надежности узлов и деталей тележки, требующих первоочередной модернизации. Для реализации каждого из основных этапов алгоритма разработан комплекс прикладных методик и математических моделей.
Для создания уточненной параметризированной расчетной модели грузового вагона (рисунок 2 А), позволяющей оценивать влияние эксплуатационных зазоров в опорных соединениях тележки, была проанализирована работа таких подсистем, как опорное соединение пятник-подпятник-скользуны (рисунок 2 Б), опорное соединение боковых рам с буксовыми узлами (рисунок 2 В,Г) и соединение надрессорная балка – фрикционный клин – боковая рама (рисунок 2 Д).
| Рисунок 2 – Уточненная расчетная схема грузового вагона для исследования динамических качеств вагона и обоснования геометрических параметров опорных соединений тележки. |
| А- Расчетная схема вагона. Б - Схема взаимодействия составных частей опорного соединения пятник – подпятник – скользуны. В, Г - Схема взаимодействия составных частей опорного соединения боковой рамы тележки 18-100 на буксовый узел. Г - Расчетная схема для оценки работы клинового гасителя в горизонтальном направлении. |
Анализ работы перечисленных подсистем проводился в следующей последовательности: анализировалась кинематика движения элементов, затем рассматривались силовые взаимодействия деталей подсистем в различных плоскостях и наконец определялась степень влияния параметров подсистем на те или иные параметры ходовых качеств грузового вагона.
Разработанная модель в целом является традиционной, однако адаптирована для выявления зависимостей динамических качеств от величин зазоров в опорном соединении боковая рама-букса, а так же в рессорном подвешивании тележки. Модель позволяет имитировать неравномерность износов опорного соединения букса-боковая рама тележки, путем варьирования жесткостей в продольном и поперечном направлении, а так же путем введения нелинейных жесткостных характеристик при перемещении буксы колесной пары в горизонтальной плоскости.
На следующем этапе разработана прикладная методика оценки качества отливки деталей рамы тележки с использованием метода конечных элементов.
| Рисунок 3 – Расчетная модель боковой рамы тележки для исследования температурных процессов и совершенствования технологии её изготовления. |
| А – расчетная модель. Б – Тип конечного элемента. В – Граничные условия. Г – свойства материала. |
В рамках разработанной методики была выбрана тестовая модель с помощью которой выполнено обоснование и выбор параметров конечноэлементной модели (типы конечных элементов, их размер и регулярность сетки), сформирована расчетная модель боковой рамы тележки грузовых вагонов (рисунок 3).
При разработке модели использовались традиционные подходы метода конечных элементов, использующего следующие соотношения между напряжениями, деформациями и температурой:
(3)
где 
- матрица – столбец начальных деформаций; 
- матрица упругости; 
- матрица –столбец напряжений; 
- матрица – столбец деформаций.
Причем начальные деформации вследствие изменения температуры определялись по формуле:
(4)
где 
-коэффициент объемного расширения; 
- изменение температуры.
При формировании расчетной модели учитывалось изменение свойств материала в зависимости от температуры. В результате разработання модель позволяет производить выбор геометрических параметров деталей, а так же выполнять оценку изменения уровня термических напряжений вследствие изменения конфигурации отливки боковой рамы.
В четвертой главе диссертации выполнена апробация методики и алгоритма совершенствования тележек грузовых вагонов и разработанных расчетных моделей, на примере разработки мер по защите литых деталей тележки от износов, создании системы контроля размеров элементов тележки в эксплуатации и совершенствовании технологии изготовления боковой рамы.
При помощи разработанной математической модели грузового вагона путем численного моделирования произведена оценка влияния величины зазоров в опорном соединении букса-боковая рама и износов подсистемы надрессорная балка - фрикционный клин - боковая рама на ходовые качества. В результате исследования получены зависимости коэффициентов вертикальной и горизонтальной динамики в зоне пятника, углов виляния тележки, углов набегания колесной пары на рельс и величины рамных сил от скорости движения вагона, при различных величинах продольных и поперечных зазоров опорного соединения букса - боковая рама. Оценено влияние неравномерности износов, путем изменения упруго-демпфирующих свойств подсистемы букса - боковая рама, на критическую скорость движения вагона в прямом участке пути, а так же на величину рамной силы при прохождении вагоном кривой. Далее был проведен анализ влияния износов соединения надрессорная балка - фрикционный клин – боковая рама на коэффициент вертикальной динамики вагона и амплитуду забегания боковых рам тележки. Проведенные исследования показали, что износы в системах букса-боковая рама и надрессорная балка - фрикционный клин – боковая рама тележки существенно влияют на ходовые качества вагонов. Поэтому необходимо поддерживать параметры этих подсистем, которые во многом определяют ее ресурс, близкими к проектным значениям. Проведенные исследования позволили разработать вариант модернизации, повышающей ресурс в эксплуатации и ремонтопригодность при плановых видах ремонта тележки грузовых вагонов. В рамках модернизации тележки разработано конструктивное исполнение защитных элементов тележки грузовых вагонов.
На следующем этапе в результате теплового расчета с применением разработанной уточненной модели были выявлены зоны наиболее вероятного возникновения дефектов при изготовлении боковой рамы тележки грузовых вагонов, такими зонами являются: буксовый проем боковой рамы тележки по внутреннему радиусу 55 мм; нижний угол рессорного проема.
| Рисунок 4 – Результаты исследования по совершенствованию технологии изготовления боковой рамы тележки. |
| А – серийная конструкция боковой рамы. Б - модернизированная конструкция боковой рамы |
В результате вариантного расчета выполнен выбор параметров прибылей в местах вероятного возникновения дефектов отливки. На рисунке 4 приведены поля распределения температур типовой (рисунок 4 А) и модернизированной (рисунок 4 Б) конструкции боковой рамы.
На следующем этапе была произведена проверка изменения уровня остаточных термических напряжений вследствие изменения геометрии отливки боковой рамы, которая показала, что увеличение термических напряжений не превышает 0,6 МПа, что составляет менее 0,5% от предела выносливости материала и существенно не влияет на допускаемые напряжения. В результате была создана конструкция отливки боковой рамы в которой площадь вероятного возникновения дефектов, в наиболее нагруженных сечениях, снижена на 80%.
В пятой главе приведены методики и результаты экспериментальных исследований, включающие исследования влияния размеров элементов тележек на ходовые качества вагонов, эксплуатационные испытания тележек, оборудованных защитными элементами, а так же статические и усталостные испытания боковой рамы усовершенствованной конструкции.
Ходовые испытания тележки грузовых вагонов в изношенном состоянии по сравнению с неизношенным выполнялись с целью проверки достоверности проведенных теоретических исследований. При проведении испытаний опытные поездки выполнялись с вагоном, оборудованным тележками с проектными размерами элементов и вагонов, оборудованных изношенными тележками одновременно (рисунок 5).
| Рисунок 5 – Схема опытного поезда при проведении ходовых динамических испытаний на скоростном полигоне ВНИИЖТ. |
В процессе испытаний помимо динамических показателей, при помощи специально разработанных устройств (рисунок 6), регистрировались перемещения элементов тележек.
| Рисунок 6 – Регистрация перемещений колесных пар относительно кузова по трем направлениям. | |
| А – Планирование эксперимента | Б – Практическая реализация при проведении испытаний |
Данные о перемещениях элементов тележки, полученные в процессе испытаний подвергались обработке, которая позволила определить перемещения деталей тележки относительно различных систем координат. Так например углы набегания колесных пар на рельсы при прохождении кривых определялся по формуле:
(5)
где L – половина базы кузова, a – половина базы тележки; Rф – фактический радиус кривой (определяется кривизной железнодорожного пути на базе кузова); i – порядковый номер колесной пары в тележке по ходу движения вагона; 
, 
- углы виляния соответственно передней и задней колесных пар по ходу движения вагона.
(6)
где 
, 
, 
, 
координаты положения букс передней колесной пары относительно отсчетной системы координат при движении вагона.
; 
.
, (7)
где 
, 
, 
, 
координаты положения букс задней колесной пары относительно отсчетной системы координат при движении вагона.
; 
.
В результате проведенных ходовых динамических испытаний получены графики зависимости динамических и кинематических показателей грузовых вагонов от скорости движения вагона при номинальных размерах элементов тележки и при предельно допускаемых износах в эксплуатации (рисунок 7)
 |  | |
 -расчетные значения (тележка с предельным износом);  - расчетные значения (тележка с номинальными размерами);  - экспериментальные данные (тележка с предельным износом); - экспериментальные данные (тележка с номинальными размерами);  - линия тренда экспериментальных данных (тележка с предельным износом);  - линия тренда экспериментальных данных (тележка с номинальными размерами). | ||
| Рисунок 7 –Зависимости динамических показателей от скорости движения вагона (сравнение расчетных и экспериментальных данных). | ||
| А – Коэффициента вертикальной динамики. | Б – Взаимного забегания боковых рам. | |
В результате сравнения расчетных и экспериментальных данных выявлено, что расхождение максимальных величин динамических и кинематических показателей, полученных в результате расчета не превышает 15%.
На втором этапе исследований проведены эксплуатационные испытания разработанных защитных элементов тележки грузовых вагонов с целью оценки работоспособности конструкции съемных элементов и проверки эффективности их применения по увеличению ресурса защищаемых пар трения. Результаты испытаний подтвердили работоспособность и эффективность конструкции защитных элементов.
На третьем этапе были проведены статические и усталостные испытания усовершенствованной боковой рамы тележки при статических испытаниях фиксировались напряжения в сечениях детали от испытательных нагрузок и разрушающие нагрузки (рисунок 8). В процессе усталостных испытаний определялись зависимости между нагрузкой и числом циклов до разрушения, предел выносливости и коэффициент запаса сопротивления усталости усовершенствованной боковой рамы тележки.
| А | Б | |
 |  | |
| Рисунок 8 – Статические испытания модернизированной боковой рамы тележки. | ||
| А – Регистрация напряжений от испытательных нагрузок | Б – Определение разрушающих нагрузок | |
В результате статических испытаний определено, что расхождение значений экспериментальных и расчетных напряжений составило 7 %, разрушающая нагрузка модернизированной боковой рамы на 18 % выше нагрузки полученной на стандартной боковой раме. В результате усталостных испытаний было установлено, что полученный коэффициент запаса усталостной прочности модернизированной боковой рамы (2,06), значительно превышает коэффициент усталостной прочности стандартной рамы (1,82).
В шестой главе выполнена оценка экономической эффективности внедрения комплекса конструкторско-технологических мероприятий направленных на совершенствование тележки грузовых вагонов. Выполненное расчетно-экспериментальное обоснование совершенствования конструкции тележки грузовых вагонов и технологии изготовления ее деталей позволило получить экономический эффект не менее 18, 5 миллионов рублей. Основные положения разработанных методик внедрены при производстве боковых рам ООО «Промтрактор-Промлит»и при разработке тележек моделей 18-9770 и 18-9771, производства ЗАО «Промтрактор – Вагон».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленный на обоснование комплекса конструкторско-технологических мероприятий по совершенствованию тележек грузовых вагонов, позволил констатировать следующее:
1. Проведен комплекс исследований по совершенствованию тележек грузовых вагонов включающий: разработку конструкции защитных элементов тележки, разработку методики контроля размеров элементов тележек при эксплуатации и совершенствование технологии изготовления литых деталей рамы тележки, который направлен на решение первоочередных задач, стоящих перед железнодорожным транспортом страны.
2. Выполнен обзор конструкций и модернизаций отечественных и зарубежных тележек грузовых вагонов, а так же анализ эксплуатационной надежности тележки 18-100, позволивший осуществить выбор узлов и деталей тележки, требующих первоочередной модернизации.
3. Разработаны общая методика и алгоритм, учитывающие современное положение эксплуатационной надежности узлов и деталей тележки, а так же сложившийся дефицит литых деталей рамы тележки и позволяющие, при помощи комплекса расчетно-экспериментальных и аналитических исследований, осуществлять совершенствование тележки грузовых вагонов, путем внедрения конструкторско-технологических мероприятий.
4. Сформирована расчетная модель полувагона, адаптированная для исследования влияния износов опорного соединения букса-боковая рама и подсистемы боковая рама-клин-надрессорная балка, на ходовые качества подвижного состава и подтвердившая необходимость разработки мер по защите пар трения тележки. Выполненный анализ работы подсистем тележки позволил прогнозировать степень влияния износов тех или иных деталей на показатели ходовых качеств вагона, что позволило ограничить область исследований.
5. Разработаны алгоритм и методика оценки качества отливки деталей рамы тележки, позволяющие разрабатывать рекомендации по совершенствованию конфигурации отливки без применения специализированных программных комплексов, на стадии разработки литейной технологии.
6. Создана расчетная модель боковой рамы тележки, учитывающая изменение свойств материала в зависимости от температуры и позволяющая исследовать факторы определяющие возникновение дефектов в литых деталях, разрабатывать технологические мероприятия направленные на повышение качества их изготовления и выполнять проверку уровня остаточных термических напряжений в зависимости от конфигурации отливки детали.
7. Выполнена апробация алгоритма, прикладных методик и расчетных моделей в результате которой предложено конструктивное исполнение защитных элементов, предотвращающих интенсивный износ боковых рам, надрессорных балок и букс тележки, разработана система контроля размеров элементов тележки модели 18-100 позволяющая выполнять оценку темпов изнашивания, изменения кинематики составных частей тележек грузовых вагонов и выявление их взаимного влияния, разработаны технологические мероприятия позволяющие снизить площадь вероятного возникновения дефектов, в наиболее нагруженных сечениях боковой рамы тележки на 80%.
8. Проведены экспериментальные исследования включающие в себя сравнительные ходовые динамические испытания, эксплуатационные испытания защитных элементов, статические и усталостные испытания модернизированной боковой рамы. Результаты испытаний подтвердили данные полученные расчетным путем. Расхождение данных полученных расчетным путем не превысило 15% для динамических показателей и 7 % для статических показателей.
9. Выявлено, что модернизированная боковая рама выдерживает нагрузку до полной потери несущей способности на 18 % больше чем стандартная боковая рама. Результаты усталостных испытаний показали, что полученный коэффициент запаса усталостной прочности модернизированной боковой рамы (2,06), значительно превышает коэффициент усталостной прочности стандартной рамы (1,82).
10. При оценке экономической эффективности внедрения комплекса конструкторско-технологических мероприятий направленных на совершенствование тележки установлено, что экономический эффект составит не менее 18, 5 млн. рублей в год на тысячу вагонов. Основные положения разработанных методик внедрены при производстве боковых рам ООО «Промтрактор-Промлит» и при разработке тележки модели 18-9771, производства ЗАО «Промтрактор – Вагон».
Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:
работы, опубликованные в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования России:
- Морчиладзе И.Г., Соколов М.М., Додонов А.В. Сравнение конструктивных схем отечественной и зарубежной тележек для грузовых вагонов / И.Г. Морчиладзе, М.М. Соколов, А.В. Додонов// Железные дороги мира. – 2004. - №8 – С. 48-52.
- Морчиладзе И.Г., Соколов М.М., Додонов А.В. Совершенствовать контроль элементов тележек грузовых вагонов / И.Г. Морчиладзе, М.М. Соколов, А.В. Додонов// Железнодорожный транспорт. – 2004. - №11 – С. 63-66.
работы, опубликованные в изданиях, не входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования России:
- Морчиладзе И.Г. Додонов А.В. Методика контроля размеров элементов тележки 18-100 при ремонте и эксплуатации / И.Г. Морчиладзе А.В. Додонов// – СПб: ПГУПС, 2003, 44с.
- Додонов А.В. Совершенствование контроля и конструкции тележки 18-100/А.В. Додонов// Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: тезисы докладов IV науч.-техн. конф.- СПб: ПГУПС, 2005.-С.67-69.
- Додонов А.В. Совершенствование контроля размеров элементов тележки и предложения по модернизации тележки модели 18-100 / А.В. Додонов/ Петербургский государственный университет путей сообщения. - СПб, 2006. - 11 с., ил., библ. 7. - Рус. - Деп. в ЦНТИ ОАО РЖД 29.08.2006, № 6483-жд2006.
- Додонов А.В., Почиталов Ю.В. Анализ исследований по совершенствованию тележки модели 18-100 за последние 15 лет / А.В. Додонов, Ю.В. Почиталов//Повышение эффективности эксплуатации грузовых вагонов и совершенствование их конструкции: сборник научных трудов. – СПб: Инженерный Центр вагоностроения, 2006.- С. 66-78.
патенты РФ:
- Патент 43834 Российская Федерация, МПК B61F3/00, 5/00, 7/00. Многоосная тележка рельсового транспортного средства / Морчиладзе И.Г., Додонов А.В.; заявитель и патентообладатель Морчиладзе И.Г.-
№ 2004130719 ; заявл. 27.10.04 ; опубл. 10.02.05, Бюл. №4. – 2 с.: ил. - Патент 49783 Российская Федерация, МПК B61F 5/00, 7/00. Локер для надрессорной балки / Соколов М.М. Додонов А.В., Битюцкий Н.А.; заявитель и патентообладатель ЗАО «Инженерный центр Объединения вагоностроителей». - № 2005101644/22 ; заявл. 25.01.05 ; опубл. 10.12.05, Бюл. №34. – 2 с.: ил.
| 620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, УрГУПС Редакционно-издательский отдел |
Бумага писчая № 1 Подписано в печать Усл.п.л.1
Тираж 100 Формат 6090 1/16 Заказ
