По вышение эксплуатационных свойств мотор вагонного подвижного состава применени ем упруго-демпфирующих элементов на основе гидрофедеров

На правах рукописи

Назаров Александр Станиславович

Повышение эксплуатационных СВОЙСТВ моторвагонного подвижного состава ПРИМЕНЕНИем УПРУГО-ДЕМПФИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ гидрофедеров

Специальность 05.22.07– Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2010 г.

Диссертационная работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство».

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Бирюков Иван Вячеславович (МИИТ)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Филиппов Виктор Николаевич (МИИТ)

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Закс Марк Наумович (ОАО «ВНИИВ»)

Ведущая организация:

Брянский государственный технический университет

Защита диссертации состоится «__» __________ 2010 г. в ___ ч. ___ мин. на заседании диссертационного совета Д218.005.01 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, аудитория 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу диссертационного совета университета.

Автореферат разослан «___»__________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 218.005.01

д.т.н., доцент А. В. Саврухин

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Изменения, происходящие в настоящее время в российском обществе, затрагивают все сферы деятельности, в том числе и транспортную. Возрастает мобильность населения, растут требования к качеству предоставляемых транспортных услуг.

На этом фоне все заметнее проявляется разрыв между современными требованиями, предъявляемыми к пригородному подвижному составу, и его реальным состоянием.

В этих условиях становится актуальным поиск дополнительных путей повышения технического уровня и потребительских качеств существующего отечественного моторвагонного подвижного состава.

На Российских железных дорогах более 40% от совокупного пробега электропоездов постоянного тока составляет пробег электропоезда ЭР2 и его модификаций. Поэтому показатели работы электропоезда ЭР2 играют существенную роль при оценке работы пригородного подвижного состава сети ж.д. Также электропоездам этой серии принадлежит и лидерство по количеству неисправностей, в том числе механического оборудования.

На стоимость жизненного цикла этих поездов в наибольшей степени влияют повреждения колесно-моторного блока, связанные с конструкцией буксовых связей колесных пар с рамой тележки. Фрикционные гасители колебаний первой ступени подвешивания обладают крайне неопределенными характеристиками энергопоглощения, что усугубляется массовым выходом из строя их шарниров и потерей функциональной работоспособности гасителей. Отказ механизмов демпфирования колебаний первой ступени рессорного подвешивания приводит к увеличению амплитуд галопирования и подпрыгивания тележки, что вызывает значительное повышение нагрузок в узлах и деталях колесно-моторного блока и рамы тележки.

В связи с изложенным, работа по модернизации узлов связей колесных пар с рамой тележки (первой ступени подвешивания) с целью обеспечения динамических показателей экипажа моторных вагонов электропоездов ЭР2 в соответствии с требованиями норм безопасности НБ ЖТ ЦТ 03-98, стабильности этих показателей между плановыми ремонтами и сокращения эксплуатационных расходов на обслуживание и ремонт является актуальной.

Целью настоящей работы является повышение эксплуатационных свойств и снижение стоимости жизненного цикла моторных вагонов электропоездов ЭР2 и их модификаций введением в первую ступень подвешивания упруго-демпфирующих элементов типа гидрофедер.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработана концепция и общие требования по модернизации экипажной части моторного вагона электропоезда ЭР2.

2. Усовершенствован комплексный расчетно-экспериментальный подход к анализу динамических качеств системы "экипаж-путь" с математическим моделированием динамики движения вагона как пространственной колебательной системы, учитывающей изменения характеристик связей колесных пар с рамой тележки при применении в качестве упруго-демпфирующих элементов гидрофедеров.

3. Изготовлен опытный моторный вагон электропоезда ЭР2 с буксовым подвешиванием с гидрофедерами. Проведены экспериментальные исследования динамических свойств вагона и прочностных характеристик вновь созданных элементов конструкции рамы тележки и корпуса буксы.

4. На основе полученных экспериментальных данных выполнена идентификация параметров расчетной модели динамической системы «экипаж-путь».

5. Выполнен комплекс многовариантных расчетов на идентифицированной модели и определено влияние изменения жесткостных и диссипативных характеристик гидрофедеров на показатели динамики вагона.

6. Разработаны технические требования для проектирования и изготовления гидрофедеров, обеспечивающие соответствие динамических качеств вагона нормативным требованиям применительно к установке гидрофедеров в конструкцию экипажа ЭР2.

Объектом исследования является модернизированный моторный вагон с гидрофедерами в буксовой ступени подвешивания.

Предметом исследования является взаимосвязь между характеристиками гидрофедеров и показателями динамических качеств вагона электропоезда при движении в заданном диапазоне скоростей по реальным неровностям пути.

Методы исследования:

- в работе применен итерационный метод с использованием математической модели движения моторного вагона (на примере электропоезда ЭР2) по рельсовой колее с учетом особенностей упруго-демпфирующих характеристик элементов рессорного подвешивания;

- использован метод итерационной коррекции модели по результатам ходовых динамико-прочностных испытаний физической модели (прототипа вагона);

- сформирована структурная модель экипажа, заданы нелинейные характеристики элементов силовых и кинематических воздействий. Расчет и отображение параметров динамических процессов осуществлялись в научно-техничском центре «Скоростной подвижной состав» (НТЦ СПС) при МИИТе средствами специального программного комплекса ДИНА, ориентированного на решение подобных задач;

- на основе анализа специальной литературы и ранее проведенных исследований динамики моторных вагонов электропоездов получены исходные данные для создания математической модели;

- экспериментальные исследования выполнялись с развитием основных положений «Типовой методики динамико-прочностных испытаний электропоездов и дизель-поездов СТ ССФЖТ ЦТ 16-98» и включали в себя комплекс статических и ходовых динамико-прочностных испытаний.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Предложена методика расчета динамических показателей моторвагонного подвижного состава с упруго-демпфирующими элементамии на основе гидрофедеров, представляющих собой совокупность упруго-диссипативных элементов с нелинейными характеристиками связей и элемент, подобный гидравлическому гасителю колебаний. Разработана математическая модель вагона электропоезда с гидрофедерами в буксовой ступени как пространственная колебательная система. На основании выполненного комплекса опытно-теоретических исследований установлена адекватность модели реальному экипажу, движущемуся по пути, и в результате многовариантных расчетов выбраны рациональные параметры упруго-демпфирующих устройств, обеспечивающих улучшение динамических качеств электропоездов.

Практическая ценность и результаты работы:

1. Сформулированы технические требования для выполнения расчетов жесткостных и диссипативных характеристик гидрофедеров с целью проектирования их применительно к использованию в первой ступени подвешивания моторных вагонов электропоезда ЭР2. Примененный при разработке технических требований подход для проектирования гидрофедеров может рассматриваться как алгоритм действий при их использовании в конструкции других типов подвижного состава.

2. Испытаны тележки с гидрофедерами модели 230303В-1 в процессе опытной эксплуатации на вагоне № 121912. Испытания показали, что изменения жесткостных характеристик гидрофедеров, при работе их в течение шести лет незначительны. Полученные данные свидетельствуют о высокой долговечности и возможности использования гидрофедеров для эксплуатации в условиях железных дорог Российской Федерации.

3. Обоснована технико-экономическая эффективность повышения эксплуатационных свойств моторвагонного подвижного состава за счет уменьшения стоимости жизненного цикла экипажной части вагона.

4. Тележка модернизированного вагона электропоезда ЭР2 с гидрофедерами в буксовой ступени рессорного подвешивания может быть рекомендована для широкого внедрения.

5. Методика выбора параметров гидрофедеров применима при разработке перспективного подвижного состава.

Апробация работы

Основные материалы диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях:

Научно-практическая конференция “Новые технологии – железнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств”, Омск, ОмГУПС в 2000 г.; Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы Транссиба на рубеже веков», Чита, 2000 г.; Третья научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», Москва, 2000 г.; Вторая, четвертая и девятая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов», Москва, МИИТ, 2003, 2005, 2008, 2009 гг.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в центральных научно-технических журналах, сборниках научных трудов, трудах конференций, описании к патенту. Основные материалы диссертации изложены в 6 печатных работах, из них 2 печатные работы в изданиях, рекомендованных ВАК, и в патенте №2327587 от 27.06.2008 г.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 179 страницах, содержит 14 таблиц, 72 рисунка и состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, заключения и списка литературы из 110 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования. Здесь же сформулированы основные научные положения диссертационной работы.

В первой главе выполнен анализ работ в области теоретических и экспериментальных исследований динамических качеств экипажей тягового подвижного состава. Теоретической и экспериментальной основой проведенных в работе исследований явились труды ряда ученых, проанализированные в диссертации – работы Меделя В.Б., Бирюкова И.В., Коссова В.С., Михальченко Г.С., Савоськина А.Н., Кудрявцева Н.Н. и др.

Анализ выполненных исследований по динамике подвижного состава показывает, что удовлетворительные и стабильные ходовые качества экипажа могут быть обеспечены путем выбора рациональных значений упруго-диссипативных параметров рессорного подвешивания. Подобные задачи, учитывая их сложность, могут быть решены только при создании эффективных математических моделей с применением современных быстродействующих вычислительных систем и последующей экспериментальной проверкой их адекватности.

Наибольший эффект в получении достоверных результатов при выборе рациональных кинематических связей экипажа, жесткостных и диссипативных характеристик его упругих элементов дает применение итерационного метода, заключающегося в последовательном применении теоретических и экспериментальных исследований. Такой подход позволяет по результатам эксперимента корректировать параметры расчетных моделей или сами расчетные модели.

Наибольшее количество повреждений электропоездов ЭР2 (38%) приходится на долю механического оборудования. Данные о повреждаемости механической части электропоездов ЭР2 приведены на рисунке 1. Эти данные показывают, что на стоимость жизненного цикла в наибольшей степени влияют повреждения колесно-моторного блока, непосредственно связанные с конструкцией буксовых узлов.

Рисунок 1. Распределение неисправностей основных узлов и оборудования электропоездов (ЭР2, ЭР2Р, ЭР2Т) за 2001 – 2007 годы.

Отказ механизмов демпфирования колебаний первой ступени рессорного подвешивания приводит к увеличению амплитуд галопирования и подпрыгивания тележки, что вызывает существенный сверхнормативный рост нагружения и повреждаемости узлов и деталей колесно-моторного блока.

Исходя из вышеизложенного, приоритетным узлом для модернизации тележки моторного вагона ЭР2 на настоящем этапе следует считать рессорное подвешивание буксового узла. Совершенствование его схемы, конструкции и параметров должно обеспечить безопасность движения, снизить стоимость жизненного цикла и повысить коэффициент эксплуатационной готовности.

В диссертационной работе используются современные программы, позволяющие моделировать движение экипажа, близкое к реальному.

В отличие от ранее проведенных исследований, в данной работе использован итерационный подход, позволяющий по результатам эксперимента корректировать расчетную модель.

Вторая глава посвящена разработке концепции модернизации буксовой ступени подвешивания моторного вагона. При определении рациональной конструкции и жесткостных характеристик буксовых связей колесных пар с рамой тележки необходимо учитывать существенные ограничения, определяемые конструктивным исполнением тележки в целом и, в том числе, допускаемыми смещениями колесных пар относительно рамы тележки.

При подготовке технических решений по модернизации буксового рессорного подвешивания электропоезда ЭР2 основное внимание уделено таким решениям, которые могут быть реализованы в рамках освоенных отечественным транспортным машиностроением технологий или имеют перспективу освоения их производства в России. Анализ конструктивного исполнения связей колесных пар с рамой тележки для различных типов отечественного и зарубежного подвижного состава позволил выявить существенные преимущества буксовых связей с использованием гидрофедеров, изготовленных на основе эластомерных упругих элементов типа метакон.

Конструкция, физико-механические свойства и опыт эксплуатации резинометаллических упругих элементов (метаконов) с интегрированным гидравлическим гасителем колебаний типа гидрофедер (рисунок 2), а также реализуемый диапазон жесткостных и диссипативных характеристик, показал принципиальную возможность использования их в буксовой ступени подвешивания тележек моторных вагонов электропоезда ЭР2, в том числе и при низких температурах.

Рисунок 2. Гидрофедер и его жесткостные характеристики в координатах x, y, z.

Исследованиями влияния низких температур на жесткость элементов рессорного подвешивания из эластомеров подтверждено явление их разогрева и снижения жесткости при воздействии динамической нагрузки. На рисунке 3 показано снижение величины динамической жесткости при различных температурах во время имитации движения груженого вагона с коэффициентом динамики буксовой ступени Кд=0,3 и частотой колебаний f=5 Гц.

Рисунок 3. Изменение динамической жесткости гидрофедера при различных температурах.

В этой же главе рассмотрены некоторые особенности проектирования гидрофедеров применительно к конкретному типу подвижного состава с точки зрения выбора рациональных характеристик жесткостных и диссипативных связей. Дано обоснование принятого решения о применении для модернизации вагона электропоезда ЭР2 гидрофедеров, близко отвечающих условиям нагружения в буксовой ступени моторвагонного подвижного состава.

Возможность применения гидрофедеров с характеристиками, имеющимися в каталоге производителя, проанализирована на математической модели. Принципиальное отличие гидрофедера от традиционных схем исполнения пружины и гидрогасителя состоит в том, что по мере возрастания частоты возмущения сила, передаваемая системе, не возрастает (рисунок 4).

Формирование структурной модели экипажа, выбор характеристик элементов, задание силовых и кинематических воздействий, расчет динамических процессов и отображение результатов осуществлялись средствами специального программного комплекса ДИНА.

	Рисунок 4. Cравнение амплитудно-частотных характеристик гидрофедера и пружины с гидрогасителем.

Основные положения методики моделирования движения экипажа следующие:

- модель экипажа представляет собой заданную в инерциальной системе координат совокупность твердых тел с главными центральными осями инерции, объединенными в единую систему с помощью различного вида линейных и нелинейных связей;

- колебания элементов экипажа принимаются малыми;

- взаимное положение колесной пары и рельсов определяется исходя из реальной геометрии поверхностей катания колеса и головки рельса;

- при взаимодействии колеса и рельса в их контакте учитывается вектор силы трения в виде суммы составляющих сил по трем координатным осям;

- вертикальные и горизонтальные неровности пути задаются раздельно для левого и правого рельсов.

За основу математической (динамической) модели движения вагона электропоезда принята структурная схема моторного вагона электропоезда ЭР2 (рисунок 5).

Динамическая расчетная модель представляет систему из 42 нелинейных дифференциальных уравнений вида:

,

где , , - матрицы инерционных, демпфирующих и квазиупругих коэффициентов;

, - векторы обобщенных координат и их производных по времени;

- вектор возмущающих воздействий;

- вектор обобщенных сил.

Составленная система дифференциальных уравнений описывает пространственные колебания экипажа (кузов, тележки, колесные пары и т.д.). Она представлена в виде блоков уравнений колебаний надрессорного строения (обрессоренных масс) экипажа, колесных пар (необрессоренных масс) в рельсовой колее и их взаимодействия с путем в соответствии с требуемым алгоритмом решения задач на ЭВМ.

Расчеты выполнялись при движении вагона по неровностям пути в плане и профиле соответствующих требованиям нормативных документов РД 32.68-96 и инструкции ЦП-515.

Рисунок 5. Схема вагона электропоезда ЭР2

Разработанная математическая модель динамической системы «экипаж-путь», описывающая основные динамические процессы применительно к экипажу электропоезда ЭР2, позволяет проводить анализ влияния различных параметров жесткостных и диссипативных связей в рессорном подвешивании вагона электропоезда ЭР2.

Выполненные предварительные расчеты для определения характеристик гидрофедера, близких к требуемым, и расчеты на математической модели подтвердили возможность изготовления прототипа моторного вагона электропоезда ЭР2 с целью проведения ходовых динамико-прочностных испытаний.

Третья глава посвящена выполненной на Московском локомотиворемонтном заводе модернизации моторной тележки с установкой в буксовой ступени подвешивания гидрофедеров модели 230303В-1 на вагоне № 121912 (рисунок 6). Приведена методика динамико-прочностных испытаний, в которой описан метод определения коэффициента вертикальной динамики первой ступени подвешивания. Указанная методика позволила определить в условиях ходовых динамико-прочностных испытаний изменение жесткости гидрофедеров при их нагружении в структуре тележки моторного вагона электропоезда и сравнить с жесткостью при статическом нагружении.

В 2003 году на Московской железной дороге были проведены динамико-прочностные испытания для экспериментальной оценки динамических и прочностных качеств моторного вагона электропоезда ЭР2 с гидрофедерами модели 230303В-1 в буксовой ступени подвешивания.

Целью испытаний ставилось решение следующих задач:

- определение динамических качеств вагона с реализованным буксовым подвешиванием для выбора (при необходимости) путей его совершенствования;

- оценка соответствия реализованной конструкции несущих элементов рам тележек и корпусов букс требованиям безопасности по показателям прочности.

Рисунок 6. Модернизированный буксовый узел тележки с гидрофедером

По результатам испытаний установлено, что значения вертикальной жесткости гидрофедеров, определенные при статическом нагружении весом кузова в порожнем и груженом состояниях выше на ~30%, а в горизонтальном поперечном направлении параметры жесткости гидрофедеров в 1,7 раза для порожнего и 2,25 раза для груженого режимов выше, чем заявленные фирмой-производителем. Динамическая вертикальная жесткость гидрофедеров в ~1,35 раза превышает величину жесткости гидрофедеров, определенную при их статическом нагружении. Значения жесткости гидрофедеров в горизонтальном поперечном направлении при их статическом и динамическом нагружении практически совпадают.

Максимальные значения коэффициента вертикальной динамики первой ступени подвешивания достигают К=0,48 для порожнего режима и К=0,39 для груженого режима, что превышает максимальные допустимые значения 0,35.

Максимальные значения рамных сил составляют 43,7 кН и 46 кН для порожнего и груженого режимов соответственно. В порожнем режиме вагон не отвечает нормативным требованиям по уровню максимальных рамных сил ([Ур] = 41 кН). Показатели плавности хода в вертикальном направлении над шкворнем тележки и в центре вагона для груженого и порожнего режимов превышают допустимые значения [Wz]3,25.

Сварное соединение второй опорной плиты гидрофедера с боковиной рамы тележки моторного вагона электропоезда не обладает достаточным запасом сопротивления усталости (n<2,0). Дальнейшие исследования показали, что зоны с недостаточными запасами сопротивления усталости могут быть усилены путем внесения незначительных конструктивных изменений усиливающей накладки и изменением вида и размера сварного шва с целью снижения уровня концентрации напряжений в переходе от сварного шва к основному металлу рамы.

Результаты экспериментальных исследований показывают необходимость выполнения следующей итерации по идентификации параметров модели и проведения расчетов на ее откорректированном варианте с целью определения рациональных жесткостных и диссипативных характеристик гидрофедеров и обеспечения соответствия показателей динамики экипажа нормативным требованиям.

В четвертой главе приведен сравнительный анализ результатов математического моделирования движения вагона электропоезда с экспериментально определенными характеристиками первой ступени подвешивания, полученными при ходовых динамико-прочностных испытаниях.

Сравнительный анализ экспериментальных данных и результатов математического моделирования проведен по значениям динамических показателей качества экипажа:

- максимальных величин исследуемого показателя динамики при различных скоростях движения;

- среднеквадратических отклонений (СКО), характеризующих степень разброса максимальных величин показателей динамики от их средних значений;

- средних значений максимальных амплитуд и их зависимостей от скорости движения экипажа.

На первом этапе идентификации модели выполнена серия расчетов по определению указанных показателей после внесения корректировок в параметры модели экипажа в соответствии с экспериментально определенными жесткостными характеристиками гидрофедеров. Результаты этой серии расчетов показали необходимость корректировки используемых при моделировании неровностей пути в профиле. Эта корректировка проведена введением понижающего коэффициента ко всем амплитудам вертикальных неровностей.

Выполненная идентификация расчетной модели привела к достаточно близкому совпадению результатов расчетных и экспериментальных исследований, что позволило приступить к выполнению комплекса многовариантных расчетов по определению рациональных значений характеристик гидрофедеров. В процессе выполнения этих расчетов выявлены зависимости влияния изменения тех или иных параметров экипажа на показатели динамических качеств вагона. Перечень и диапазоны изменения, варьируемых при моделировании параметров, приведены в таблице.

Таблица

Значения варьируемых параметров экипажа и режимов движения вагона

Варьируемый параметр	Значения параметра
С1 - вертикальная жесткость 1-ой ступени подвешивания (на буксу), кН/мм	0,5; 1,0; 1,5; 2; 2,5; 2,0; 3,5
С4- горизонтальная поперечная жесткость 1-ой ступени подвешивания (на буксу), кН/мм	0,1; 0,5; 1,0; 5,0; 10,0; 50,0; 100,0; 500,0
С5- горизонтальная продольная жесткость 1-ой ступени подвешивания (на буксу), кН/мм	0,1; 0,5; 1,0; 5,0; 10,0; 50,0; 100,0; 500,0
1 – параметр демпфирования, кНс/м	20; 30; 40; 50; 60
V – скорость движения, км/ч	60; 80; 100; 120

Расчеты выполнялись для порожнего и груженого режимов движения вагона. Расчеты разбиты на серии, в которых варьировался один параметр при фиксированных значениях остальных. На основании анализа полученных результатов после выполнения каждой серии расчетов определялась величина варьируемого параметра, которая принималась на данном этапе расчетов как рациональная и использовалась в дальнейших расчетах при варьировании следующего параметра.

Критерием рациональности являлось соответствие показателя динамики вагона, в наибольшей степени определяемого изменением данного параметра, нормативным требованиям. Так, вертикальная жесткость связи колесной пары с рамой тележки в наибольшей степени влияет на показатель коэффициента вертикальной динамики экипажа. Естественно, другие варьируемые параметры также влияют на этот показатель, в связи с чем при проведении вариантных расчетов с последовательным изменением различных параметров контролировались все показатели, характеризующие вертикальную и горизонтальную динамику экипажа. Пример диаграммы для выбора параметров рессорного подвешивания приведен на рисунке 7.

Рисунок 7. Взаимосвязь значений коэффициентов вертикальной динамики первой ступени подвешивания с жесткостью и скоростью движения вагона в порожнем режиме.

Необходимо отметить, что в данном случае нельзя говорить о выборе оптимальных значений параметров жесткостных и диссипативных связей колесной пары с рамой тележки. Это обусловлено тем, что встроенные механизмы моторной тележки (тяговый привод, тормозная рычажная передача, допускаемые максимальные относительные перемещения колесной пары и рамы тележки и др.) в уже существующей конструкции вносят существенные ограничения на возможность применения связей с оптимальными параметрами.

Проведенное в рамках данной работы сравнение статической и динамической жесткостей (вертикальной и горизонтальной поперечной) показало, что динамическая жесткость гидрофедера в вертикальном направлении существенно отличается от статической. При этом, естественно, полученное различие в значениях статической и динамической жесткости в вертикальном направлении может быть отнесено только к условиям нагружения в структуре конкретного экипажа, обладающего определенными геометрическими, инерционными и т.п. характеристиками. Из этого следует, что для получения гидрофедера с характеристиками, близкими к тем, которые по результатам комплекса выполненных теоретических и экспериментальных исследований определены как рациональные, разработчику гидрофедеров необходима дополнительная информация об условиях их работы в части амплитудно-частотного состава колебаний экипажа.

Такой информацией является спектральная плотность вертикальных колебаний упругих элементов первой ступени подвешивания с характеристиками жесткости, принятыми как рациональные (рисунок 8).

Рисунок 8. Спектральная плотность коэффициентов вертикальной динамики первой ступени подвешивания вагона электропоезда.

На основании результатов экспериментальных исследований и расчетов для модернизации тележек моторных вагонов электропоездов ЭР2 определены следующие параметры гидрофедеров:

- вертикальная жесткость – 0,75 кН/мм;

- горизонтальная поперечная жесткость – 2,5 кН/мм;

- горизонтальная продольная жесткость – 2,5 кН/мм;

- параметр демпфирования – 25 кНс/м.

В пятой главе приведен расчет экономической эффективности применения гидрофедеров для модернизации экипажей моторных вагонов электропоезда ЭР2, основанный на «Методике определения стоимости жизненного цикла и лимитной цены подвижного состава и сложных технических систем», утвержденной распоряжением ОАО «РЖД» 27 декабря 2007г.» (№ 2459р).

Согласно указанной Методике, стоимость жизненного цикла объекта (СЖЦ) определяется:

,

где Цпр – цена приобретения объекта (первоначальная стоимость);

Иt – годовые эксплуатационные расходы;

Кt – сопутствующие единовременные затраты, связанные с внедрением объекта в эксплуатацию;

Лt – ликвидационная стоимость объекта, t – коэффициент дисконтирования;

t – порядковый номер года эксплуатации объекта (исчисляемый от даты приобретения объекта), Т – срок службы объекта.

Применительно к секции электропоезда СЖЦ = 27 721 nб, где nб – число буксовых модернизированных узлов в секции электропоезда (8 шт.), или СЖЦ = 221 768 руб, применительно к пятисекционному электропоезду СЖЦ = 1108,84 тыс. руб. Величина указанной экономии средств достигается за 15 лет, и, следовательно, годовая экономия от рассматриваемой модернизации буксового узла составит для одной секции 221 768 : 15 = 14 786 руб, для одного пятисекционного электропоезда – 73 989 руб. Количество секций электропоездов ЭР2 на 1.05.2009г. составляет 1221 единиц. При полной их модернизации экономия за счет снижения стоимости жизненного цикла буксовых узлов составит 221,768 1221 = 270 779 тыс. руб за период Тсл + Т, где Тсл – срок службы модернизированного буксового узла, Т – период осуществления модернизации парка электропоездов ЭР2.

Модернизация конструкции буксового узла тележки электропоезда с применением гидрофедеров позволяет снизить стоимость жизненного цикла рассматриваемой части этого узла в среднем на 29% за счет сокращения затрат на плановые ремонты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный анализ повреждаемости электропоездов ЭР2 в эксплуатации показал, что 38 % случаев выхода из строя узлов приходится на долю механического оборудования и связан с изменениями в эксплуатации характеристик серийных узлов связи колесных пар с рамой тележек из-за их повреждений.

2. Предложена итерационная методика расчета динамических показателей моторвагонного подвижного состава при применении упруго-демпфирующих элементов на основе гидрофедеров в буксовой ступени рессорного подвешивания тележек вагона.

На основе предложенной методики рассчитаны рациональные параметры рессорного подвешивания тележек вагонов электропоездов ЭР2 с гидрофедерами.

3. Проведена модернизация моторного вагона электропоезда ЭР2 путем замены на гидрофедеры упругих и демпфирующих узлов связи колесной пары с рамой тележки.

Сравнение результатов эксперимента с расчетными показало необходимость идентификации параметров расчетной модели и проведения расчетов на откорректированной модели. Выполнена серия вариантных расчетов по определению рациональных параметров первой ступени подвешивания.

Определены следующие параметры гидрофедеров, которые рекомендуются при модернизации тележек моторных вагонов электропоездов ЭР2:

- вертикальная жесткость – 0,75 кН/мм;

- горизонтальная поперечная жесткость – 2,5 кН/мм;

- горизонтальная продольная жесткость – 2,5 кН/мм;

- параметр демпфирования – 25 кНс/м.

4. Стендовые испытания гидрофедеров после шести лет эксплуатации на Московской ж.д. показали, что изменения жесткостных характеристик гидрофедеров модели 230303В-1, примененных на вагоне №121912, незначительны и они могут быть допущены к дальнейшей эксплуатации. Изменение линейных размеров гидрофедеров (высоты), обусловленное ползучестью упругого материала метакона, не превышает 2,5 мм. Полученные данные свидетельствуют о высокой долговечности гидрофедеров в условиях эксплуатации в широком интервале температур (от -40°С до +40°С).

5. Примененный в исследовании итерационный подход, заключающийся в последовательном использовании теоретических и экспериментальных методов исследований, целесообразно использовать и при разработке нового подвижного состава.

6. Подтверждена эффективность модернизации электропоездов с применением гидрофедеров при эксплуатационных испытаниях опытного вагона №121912 электропоезда ЭР2 на Московской ж.д. с гидрофедерами в качестве связи буксового узла колесной пары с рамой тележки.

Данное направление в модернизации электроподвижного состава, позволяющее повысить потребительские качества вагонов электропоездов и снизить стоимость жизненного цикла в среднем на 29%, следует считать приоритетным.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Назаров А.С. Модернизация рессорного подвешивания тележки моторного вагона электропоезда ЭР2 // Мир транспорта. 2009. №3. с. 48-51.

2. Назаров А.С. Концепция модернизации тележки электропоезда ЭР2. // Вестник ВНИИЖТ №2. М. 2009. с. 3-8.

3. Назаров А.С., Бирюков И.В. Результаты теоретических и экспериментальных исследований рессорного подвешивания МВПС с гидрофедерами. // Труды МИИТ: Шестая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов». Том 2. М. 2005. с. VII-38 - VII-40.

4. Аксенов Ю.Н., Богачев А.Ю., Петров С.Ю., Назаров А.С. К вопросу о необходимости создания нормативной документации для расчетов конструкции подвижного состава на прочность, ориентированной на использование современных численных методов // Труды Всероссийской Научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на рубеже веков» (Чита 11-12 июля 2000г.): в 5 т. Т.1. Хабаровск. 2000. с.117-129.

5. Аксенов Ю.Н., Богачев А.Ю., Назаров А.С., Неживляк А.Е. Экономическая эффективность использования современных численных методов для оценки прочности железнодорожной техники. // Труды научно-технической конференции «Новые технологии железнодорожному транспорту». Омск. 2000. с.196-200.

6. Бирюков И.В., Володин С.В., Левин Г.И., Назаров А.С., Попов Б.А., Рыбников Е.К. Привод транспортного средства и способ его изготовления. Патент №RU 2327587 C1. 2006.

НАЗАРОВ Александр Станиславович

Повышение эксплуатационных СВОЙСТВ моторвагонного подвижного состава приМЕНЕНИем УПРУГО-ДЕМПФИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ГИДРОФЕДЕРОВ

Специальность 05.22.07 –

Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Подписано к печати ______________ Формат бумаги 6084 116

Объем 1,5 п.л. Заказ № ______

Тираж 80 экз.

127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, Типография МИИТа