Автоматическое регулирование процесса демпфирования колебаний пассажирских вагонов
На правах рукописи
СКАЧКОВ Александр Николаевич
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ
Специальность: 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва-2011 г.
Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ») и Закрытом акционерном обществе Научная организация «Тверской институт вагоностроения» (ЗАО НО «ТИВ»).
Научный руководитель – кандидат технических наук
Черкашин Юрий Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Хохлов Александр Алексеевич
кандидат технических наук
Антипин Дмитрий Яковлевич
Ведущее предприятие – Петербургский университет путей сообщений (ПГУПС)
Защита диссертации состоится « 28 » июня 2011 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 218.002.01 при Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ») по адресу: 107996, г. Москва, 3-я Мытищинская ул., д. 10, зал Ученого Совета.
С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке ОАО «ВНИИЖТ».
Автореферат разослан « 27 » мая 2011 г.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просьба направлять в адрес диссертационного совета института.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, доцент Д.В. Ермоленко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современные тенденции развития железнодорожной техники характеризуются, прежде всего, повышением скоростей движения транспортных средств и ужесточением требований к их надежности. При этом к пассажирским вагонам предъявляются все возрастающие требования по повышению комфорта перевозки пассажиров.
С учетом достигнутого уровня научных знаний по динамике вагонов, современного состояния и перспектив развития пассажирского железнодорожного транспорта, весьма реальной в настоящее время является возможность без использования сложных и дорогостоящих «активных» систем подвешивания улучшить ходовые качества отечественных вагонов во время их движения за счет изменения параметров существующей системы демпфирования. Разработка теоретических основ такой системы является актуальной задачей.
В то же время создание достаточно работоспособной системы демпфирования на базе существующих гасителей колебаний невозможно без существенного повышения надежности самих гасителей. Эта актуальная проблема так же затронута в данной работе.
Цель работы – разработка системы демпфирования с автоматической регулировкой параметров сопротивления гасителей колебаний для улучшения ходовых качеств отечественных пассажирских вагонов с раздельным гашением колебаний в центральной ступени подвешивания.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий:
- разработку математической модели вертикальных колебаний пассажирского вагона модели 61-4170 с автоматической регулировкой параметров вертикальных гасителей центрального подвешивания вагона и проведение компьютерных расчетов его динамических характеристик;
- экспериментальные исследования опытного образца гидродемпфера с автоматической регулировкой параметров.
Для разработки математической модели использован принцип Даламбера. Интегрирование дифференциальных уравнений проводилось по методу Рунге-Кутты 4-го порядка точности с оптимизацией функции управления параметрами демпфирования методом Нельдера-Мида.
Для комплексной оценки эффективности различных систем демпфирования вагона (с постоянными и переменными параметрами) использовались методы их сравнения по ускорениям, по плавности хода и специальные методы, разработанные в ПГУПС кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство».
Работа содержит экспериментальные исследования натурных образцов опытных гасителей и экспериментальные исследования диссипативных свойств поводковых устройств базового вагона. В работе использованы результаты ходовых испытаний вагона с замерами ускорений букс для контроля правильности задания параметров возмущающей неровности реального пути. Использованные методы в комплексе обеспечивают объективность оценки качества предлагаемых технических решений.
Научная новизна работы.
- Предложен и научно обоснован способ улучшения плавности хода пассажирских вагонов, основанный на изменении в определенной последовательности параметров сопротивления вертикальных гасителей центрального подвешивания во время движения вагона.
- Введено понятие об «условной» частоте колебаний кузова вагона при действии на него случайных возмущений от реальной неровности пути.
Предложены способы определения этой частоты и метод ее использования в алгоритме управления системой демпфирования.
- Предложена система демпфирования вертикальных колебаний пассажирского вагона, основанная на учете скорости движения вагона и условной частоты колебаний кузова (патент РФ № 2386063).
Практическая ценность.
- Разработанная система демпфирования вертикальных колебаний пассажирского вагона способна улучшить плавность хода до 15 %, и тем самым, снизить динамическую нагрузку на гасители и кузов вагона, что обеспечит повышение их долговечности.
- Разработан визуализированный расчетный комплекс, позволяющий:
- применить разработанные методики расчета для пассажирских вагонов с различными данными по геометрическим, инерционным и другим характеристикам;
- проводить оценку эффективности работы различных систем демпфирования вертикальных колебаний;
- осуществлять подбор рациональных параметров сопротивления гасителей при постоянстве их значений во время движения вагона;
- определять рациональные изменения параметров сопротивлений гасителей для систем демпфирования с автоматической регулировкой параметров.
Апробация работы.
Результаты исследований по данной работе докладывались:
- научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития вагоностроения», БГТУ, Брянск, 2004;
- на заседании научно-технического Совета вагонного отделения ВНИИЖТ, г. Москва;
- на заседании научно-технического Совета Тверского института вагоностроения (ЗАО НО «ТИВ»);
- в ОАО «Тверской вагоностроительный завод».
Публикации.
Результаты исследований представлены в 9-ти печатных работах, из них 4 патента и 1 публикация в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованной литературы. Текстовая часть диссертации составляет 127 страниц, включает рисунков 31.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе проведен краткий обзор исследования в области динамики вагонов и систем демпфирования колебаний железнодорожных экипажей.
Современный раздел науки «Динамика подвижного состава» основан на фундаментальных положениях классической механики и сформировался благодаря научным трудам Н.Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина, С.В. Вершинского, В.А. Лазаряна, В.Н. Данилова, А.А. Львова, И.И. Челнокова, В.Д. Хусидова, В.Ф. Ушкалова, А.А. Хохлова, М.М. Соколова, В.В. Кобищанова, М.Ф. Вериго, Н.Н. Кудрявцева, Г.И. Петрова, В.Д. Дановича, Ю.М. Черкашина, Т.А. Тибилова, Ю.П. Бороненко, Б.С. Кеглина, П.С. Анисимова, А.А. Долматова, В.И. Вишнякова, А.А. Эстлинга, В.А. Кошелева, В.И. Кальянова, И.С. Доронина, В.А. Дубинского, Л.Л. Осиновского, В.И. Варавы, Б.С. Завта, Г.М. Левита и других.
При исследовании динамических характеристик вагонов одной из основных задач является установление рациональных параметров подвешивания, в том числе средств демпфирования колебаний вагонов.
В настоящее время большинство отечественных пассажирских вагонов, оборудованных тележками люлечного типа ТВЗ-ЦНИИ и безлюлечными тележками, имеют так называемую «пассивную» систему подвешивания, то есть систему с постоянными упругими и диссипативными свойствами.
В настоящее время выбор постоянных параметров демпфирования гасителей центрального подвешивания осуществляется в соответствии с «Нормами для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» 1983 г., обеспечивая при этом средний уровень ускорений во всем диапазоне скоростей движения вагона. В то же время из теории колебаний известно, что сведение этих значений к одному постоянному параметру означает недоиспользование возможностей гасителей, что снижает эффект положительного влияния демпфирования на плавность хода вагона.
В ряде работ как российских, так и зарубежных ученых предлагаются решения по повышению ходовых качеств вагона за счет использования так называемых «активных» систем подвешивания.
Однако, сложность «активных» систем подвешивания, их большая стоимость, высокий уровень затрат электроэнергии, вынуждает искать более простые схемы и возможности повышения комфорта пассажирских вагонов, например, в направлении более рационального использования гидравлических гасителей колебаний. Одни из первых исследований связанные с вопросами повышения эффективности системы демпфирования, за счет регулирования параметрами демпфирующих свойств гасителей колебаний, были начаты во «ВНИИЖТ» под руководством Долматова А.А., и были направлены на решение проблем, определенных в «ЛИИЖТ» в виде комплексной целевой программы «Разработка и внедрение высокоэффективных систем демпфирования колебаний подвижного состава», которая является актуальной и в современных условиях.
Повышение эффективности демпфирования колебаний пассажирских вагонов за счет автоматического изменения параметров сопротивлений гасителей колебаний является основным перспективным направлением исследований данной работы.
Другим перспективным направлением совершенствования систем демпфирования является затронутая в работе проблема повышения работоспособности и эксплуатационной надежности главных единиц системы демпфирования - гидравлических гасителей.
Вторая глава диссертации посвящена исследованию эффективности существующей системы демпфирования вертикальных колебаний пассажирского вагона и включает в себя этапы: выбора базового вагона, составления математической модели вертикальных колебаний кузова, оценки эффективности систем демпфирования.
В качестве базового вагона принят современный скоростной вагон отечественного производства модели 61-4170 на тележках безлюлечного типа с раздельным гашением горизонтальных и вертикальных колебаний кузова.
Составлена математическая модель вертикальных колебаний базового вагона при учете его подпрыгивания, галопирования и боковой качки. Модель имеет 9 степеней свободы (по 3 на кузов и две рамы тележек соответственно). В уравнениях учтены особенности базового вагона, включая наличие буксовых поводков, характеристики которых определены в работе экспериментально. Решение системы дифференциальных уравнений находится по методу Рунге-Кутты 4-го порядка точности. При моделировании использовались как детерминированные, так и случайные возмущения. Формирование случайных неровностей осуществлялось согласно РД 32.68-96, а также с использованием замеренных во время ходовых испытаний ускорений букс пассажирских вагонов.
В работе проведен анализ понятия об эффективности демпфирования колебаний, осуществлен подбор соответствующих критериев ее оценки.
Сравнительная оценка эффективности различных систем демпфирования определялась в работе по среднеквадратичным значениям (СКЗ) ускорений кузова при различных скоростях движения вагона, по плавности хода вагона, а так же по формуле:
, (1)
где: P - критерий эффективности демпфирования (чем выше критерий P, тем выше эффективность демпфирования);
- текущие значения ускорений кузова вагона в 
-ом интервале, м/с2;
, 
- ускорения, соответствующие нижней и верхней границе интервала оценки «n» для вертикальных ускорений, м/с2;
n - оценка ускорения (5 – при 
= 0 м/с2 и 
= 1 м/с2, 4 – при 
= 1 м/с2 и 
= 1,5 м/с2, 3 – при 
= 1,5 м/с2 и 
= 2 м/с2, 2 – при 
2 м/с2);
- вероятности попадания ускорений в интервал оценки «n».
Указанная формула (1) получена на основе разработок ПГУПС.
Разработанная математическая модель, а так же выбранные методы сравнения систем демпфирования, были использованы в данной работе для исследования свойств существующей системы демпфирования.
На рисунке 1 представлены результаты моделирования колебаний кузова базового вагона с постоянными коэффициентами сопротивлений демпферов. Для вертикальных гасителей центрального подвешивания помимо принятого для этого вагона значения = 45 кН·с/м моделировались колебания с = 50, 30 и 20 кН·с/м. При этом имитировалось возмущение от пути в виде реальной неровности. Анализ графика на рисунке 1, а показывает, что значение = 50 кН·с/м в зоне А при скоростях до 70 км/ч обеспечивает наименьшие ускорения. В зонах В и С (при скоростях выше 70 км/ч) оно оказывается наихудшим по обеспечению комфорта. Минимальное значение = 20 кН·с/м в зонах В и С оказывается наилучшим из принятых вариантов, а в зоне А – наихудшим. Анализ тех же результатов, но разделенных по частотным зонам (на графиках рисунков 1, б и 1, в) показывает, что при низких частотах колебаний улучшения комфорта можно достичь путем увеличения коэффициента, а для высоких частот (от 3 до 20 Гц и выше) повышение комфорта обеспечивается путем уменьшения.
Аналогичный вывод следует из анализа построенного с применением формулы (1) графика на рисунке 1, г. В зоне А этого графика наибольшую эффективность проявляют системы демпфирования с максимальными значениями. В зоне С кривые 1, 2, 3, 4 этого графика по уровням эффективности меняются местами с их относительным положением в зоне А. При этом наибольшую эффективность в зоне С проявляют системы демпфирования с наименьшим значением = 20 кН·с/м. Комфорт вагона в целом мог бы быть повышен при условии, что в зоне А эффективность демпфирования соответствовала бы кривой 1, а в зоне С кривой 4. Полученные результаты наглядно демонстрируют возможность достижения повышенного комфорта во всех режимах движения вагона, если коэффициенты сопротивления вертикальных демпферов центрального подвешивания изменять во время движения вагона на определенные величины по определенному закону.
Эти величины и закономерности их изменения можно определить в результате исследования системы демпфирования с переменными параметрами.
а) диапазон частот колебаний кузова от 0 до 20 Гц СКЗ ( ), м/с2 | |
 | |
б) диапазон частот колебаний кузова от 0 до 3 Гц СКЗ ( ), м/с2 | в) диапазон частот колебаний кузова от 3 до 20 Гц СКЗ ( ), м/с2 |
 |  |
| г) Р | |
 | |
Рисунок 1. Зависимость средних квадратичных значений (СКЗ ) вертикальных ускорений кузова вагона с существующей системой демпфирования (графики а, б, в), а также ее эффективности Р (график г) от скорости движения его по пути с реальными неровностями при различных по величине и постоянных во времени коэффициентах сопротивления вертикальных гасителей центрального подвешивания (линия 1 – = 50 кН·с/м; линия 2 – = 45 кН·с/м; линия 3 – = 30 кН·с/м; линия 4 – = 20кН·с/м) | |
В третьей главе исследуются вертикальные колебания базового вагона с переменными (во время движения) параметрами демпфирования. Переменность параметров демпфирования рассматривается как функция управления параметрами для достижения повышенного комфорта вагона. Эту функцию необходимо определить. Зависимость рациональных значений 
от различных факторов в общем виде может быть выражена соотношением:
где: 
- рациональное значение коэффициента сопротивления 
того гасителя в момент времени 
;
- совокупность значимых для 
аргументов, относящихся к вагону;
- совокупность значимых для 
аргументов, относящихся к железнодорожному пути;
, 
- вертикальные ускорения кузова и текущая скорость вагона вдоль пути.
Аргументы 
учитывают схему подвешивания, число регулируемых демпферов, их расположение на вагоне, геометрические параметры вагона и т.д.
Аргументы 
учитывают характеристикам железнодорожного пути (амплитуду и частоту возмущающего воздействия).
На стадии предварительных исследований установлено, что 
прежде всего зависит от частоты возмущающего воздействия и скорости вагона.
При выборе для функции регулирования двух аргументов – скорости (
) вагона и частоты (
) возмущения от пути – следует заметить, что они при определенных условиях повторяют (копируют) друг друга. При действии на вагон таких неровностей как «синусоида», «модуль синуса», частота возмущения от пути напрямую связана со скоростью вагона 
через длину Lр рельса (
=
/Lр). При неровностях, обусловленных формой колес частота 
связана со скоростью через радиус 
колеса: 
=
/2·
.
В указанных случаях оба аргумента (
и 
) повторяют друг друга и для исследований динамики вагона можно было бы выбрать один из них, например, скорость вагона (
). Однако в этом случае высокая частота возмущения может проявиться только при высокой скорости, а низкая частота – только при низкой скорости вагона, что противоречит реальным динамическим процессам, где основное воздействие на вагон оказывают случайные неровности.
Совместный учет этих явлений более полно может быть осуществлен только при использовании возмущений от реальной неровности пути при учете в системе демпфирования в качестве аргументов функции управления помимо скорости (
) и частоты (
) возмущающего воздействия от неровности пути.
Для реализации на вагоне системы регулирования коэффициентов сопротивления демпферов в соответствии с неизвестной пока функцией Ф соотношения (2) необходимо (в специальное устройство на вагоне для выполнения этой функции) подавать сигналы о текущей скорости (
) и частоте (
). Сигнал о скорости вагона может быть подан в указанную систему от противоюзного устройства на вагоне или через межвагонные связи от локомотива. В то же время получение данных о текущей частоте возмущений от пути представляет технически очень сложную задачу.
В данной работе на основе анализа колебаний вагона (по рисунку 2) доказана возможность более простого определения частоты возмущающего воздействия от неровности пути по частоте колебаний кузова вагона в зоне установки данного гасителя.
 |   |
Рисунок 2. Иллюстрация передачи частоты возмущения с амплитудой  от неровности пути (линия 1) на частоту перемещения кузова вагона  (линия 2) при гармоническом (рис. 2а) и случайном возмущениях (рис. 2б) | |
Для дальнейшего формирования подходов к исследованию влияния переменных параметров на плавность хода вагона при действии на него возмущений от реальных неровностей пути, частота колебаний, как характеристика, присущая в чистом виде только гармоническим колебаниям, применительно к случайным колебаниям должна быть трансформирована в так называемую «условную» частоты колебаний.
Для определения «условной» частоты колебаний по разработанной методике процесс изменения параметра колебаний, например ускорений кузова Z, разбивается на участки, разграниченные по времени друг от друга моментами, в которых ускорение равно нулю или достигает локального экстремума. Такое разграничение показано на рисунке 3. Указанные значения t1, t2, t3 и т.д. времени могут быть примерно истолкованы, как часть периода T колебаний. При этом соответствующие им частоты определятся как: 
; 
и т.д.
Возможен менее точный, но более простой вариант с разбиением процесса точками, в которых замеряемый параметр принимает нулевые значения с интервалами времени g1, g2 и т.д. Эти интервалы приближенно соответствуют периодов колебаний, а соответствующие им частоты будут приближенно равны:
, 
и т.д.
м/с2
В соответствии с этой методикой в данной работе принято следующее определение «условной» частоты.
«Условной» частотой случайного колебательного процесса для момента, расположенного по времени в интервале между соседними экстремумами или между нулевыми и ближайшими к ним экстремальными значениями параметров процесса, считается частота, соответствующая синусоидальному процессу, период колебаний которого равен четырем указанным интервалам или двум интервалам между соседними нулевыми значениями параметров процесса.
С учетом большой инерционности кузова вагона, возникшие его колебания, как правило, повторяются на протяжении нескольких периодов, что дает возможность прогнозировать на некоторое время вперед частоту этих колебаний, и используя метод определения условной частоты, при достаточном быстродействии системы обратной связи корректировать ход колебаний за счет изменения параметров сопротивления гасителей на следующую четверть периода (полупериод) текущих колебаний.
На завершающем этапе подготовки к исследованиям демпфирования с переменными параметрами при действии случайных возмущений, математическая модель дополнена блоком обратных связей, в котором реализована функция управления параметрами сопротивления гасителей () от частоты возмущающего воздействия и скорости движения вагона. Указанная функция получена в результате линеаризации расчетной зависимости параметров () при решении задачи минимизации ускорений кузова вагона от действия на него гармонического возмущения. Расчетная зависимость (линия 1) и ее линеаризованный вариант NMPQ (линия 2) представлены на рисунке 4. Необходимо отметить, что на этапе формирования блока обратной связи, используется форма линеаризованной функции без привязки ее к конкретным параметрам.
Рисунок 4. Расчетная зависимость параметра () вертикальных гасителей центрального подвешивания вагона (линия 1) от частоты возмущения
и ее линеаризованный вариант (линия 2)
Введя в математическую модель обратные связи переменных в зависимости от аргументов (
) и (
) значений коэффициентов сопротивлений вертикальных гасителей центрального подвешивания вагона, используя приближенную форму функции управления в виде ломаной линии NMPQ, а так же методику определения «условной» частоты колебаний кузова при действии на вагон случайных возмущений, с помощью оптимизации по методу Нельдера-Мида, находим параметры алгоритма рациональных изменений коэффициента 
каждого регулируемого гасителя:
где:
- порядковый номер гидрогасителя регулируемой системы демпфирования;
- мгновенное рациональное значение коэффициента сопротивления i -того
гасителя кН·с/м;
- скорость движения вагона вдоль пути, км/ч;
- «условная» частота колебаний кузова в зоне установки 
-того гасителя.
Найдем упрощенный вариант алгоритма, в котором вместо двух аргументов (скорости и частоты) принят один – частота колебаний кузова в зоне установки данного гасителя. Этот алгоритм имеет вид:
Возможен и третий, еще более простой алгоритм, в котором помимо того что, как и в предыдущем варианте, принят один аргумент функции управления (частота колебаний кузова), заменен способ определения «условной» частоты с участками разбиения их во времени по периода на способ с разбиением на участки по периода. Этот алгоритм имеет вид:
Найденные варианты алгоритмов по формулам (3), (4), (5) требуют для своей реализации разные по сложности блоки управления. При выборе варианта алгоритма помимо уровня сложности его реализации, следует учитывать степень его положительного влияния на динамическую характеристику вагона. Сравнение различных систем демпфирования можно провести с использованием проведенных расчетов в виде графиков на рисунке 5. На графиках представлены разные возможности найденных вариантов алгоритмов (по соотношениям 3, 4, и 5) для снижения ускорений кузова (рисунок 5, а), повышения эффективности демпфирования (рисунок 5, б), влияния на показатель плавности хода вагона (рисунок 5, в).
а) для полного диапазона частот колебаний (от 0 до 20 Гц) СКЗ ( ), м/с2 |
 |
| б) Р |
 |
| в) W |
 |
Рисунок 5. Зависимость средних квадратичных значений СКЗ  ускорений кузова, эффективности работы гасителей Р и показателя W плавности хода вагона от скорости его движения по пути с реальными неровностями при различных системах демпфирования: линия 1 – по соотношению (3); линия 2 – по соотношению (4); линия 3 – по соотношению (5); линия 4 – с существующей системой демпфирования ( = 45 кН·с/м) |
Обобщенный анализ этих графиков показывает, что использование разработанных систем демпфирования с автоматической регулировкой рабочих параметров вертикальных демпферов центрального подвешивания позволяет снизить ускорения кузова, а, следовательно, и динамическую нагрузку на элементы вагона, плавность хода может быть улучшена при использовании алгоритма по соотношению (3) на 12-15 %. Алгоритм по соотношению (4) дает улучшение плавности хода до 10 %, а алгоритм по соотношению (5) – на 6-8 %.
В отношении практического выбора можно констатировать, что в настоящее время предпочтение следует отдать алгоритму по соотношению (5), имеющему наиболее простую структуру для реального использования ее на пассажирских вагонах.
На основе проведенных исследований разработан визуализированный программный комплекс расчетов, позволяющий проводить поиски рациональных систем демпфирования, в том числе и с автоматическим регулированием рабочих параметров, для пассажирских вагонов разных модификаций.
Глава 4 посвящена разработке предложений по конструкции системы демпфирования вертикальных колебаний кузова пассажирского вагона с автоматическим регулированием ее параметров.
Приведены характеристики известных систем демпфирования, а так же анализ недостатков существующих демпферов, на базе которых могут быть созданы усовершенствованные системы демпфирования.
Предложено новое, более надежное уплотнение штока демпфера, новое перепускное устройство, улучшающее рабочие характеристики клапанов. Разработана конструкция гидродемпфера с ручной регулировкой рабочих параметров, на базе которого предложены варианты системы демпфирования пассажирского вагона с автоматическим регулированием коэффициентов сопротивления. Один из этих вариантов с алгоритмом действия по соотношению (5) представлен на рисунке 6. Система, изображенная на этом рисунке содержит четыре вертикальных демпфера 1 центрального подвешивания вагона. Внутреннее устройство каждого демпфера при циклическом ходе штока обеспечивает однонаправленную (по стрелкам) прокачку рабочей жидкости через дроссельное отверстие 1.7, перекрытое штоком дросселя 1.8 с кольцевой канавкой, которая при осевых перемещениях штока меняет проходное сечение дросселя, а, следовательно, и коэффициент сопротивления демпфера. Осевые перемещения штока дросселя ограничены упорами 1.12 и 1.13. При контакте штока 1.8 с нижним упором 1.13 проточка на штоке занимает положение, при котором обеспечивается коэффициент сопротивления = 30 кН·с/м, а при контакте штока с верхним упором 1.12 обеспечивается = 10 кН·с/м, то есть параметры, характерные для алгоритма по соотношению (5).
Управление каждым демпфером осуществляется блоком 3 по сигналу соответствующего датчика 2 частоты колебаний кузова в зоне данного демпфера.
Если эти частоты больше 3 Гц блок 3 управления подает электропитание от источника 4 на электромагнит 1.9 данного демпфера. Магнит обеспечивает подъем штока 1.8 до упора 1.12, что обеспечивает в соответствии с алгоритмом (5) 10 кН·с/м. При снижении частоты колебаний кузова в зоне данного демпфера ниже 3 Гц, блок управления отключает электропитание соответствующего магнита и шток дросселя 1.8 опускается вниз под действием пружины 1.11 до упора 1.13, обеспечивая в этом положении = 30 кН·с/м.
 | Рисунок 6. Система демпфирования вертикальных колебаний кузова пассажирского вагона с автоматическим регулированием рабочих параметров по алгоритму в соответствии с соотношением (5) |
Глава 5 посвящена экспериментальным исследованиям и содержит описание и результаты испытаний опытного демпфера с ручной регулировкой параметров и экспериментальную проверку функциональной работоспособности системы автоматического обеспечения рабочих параметров демпферов по алгоритму в соответствии с соотношением (5).
Испытания опытного образца гасителя с ручной регулировкой показали, что его параметр сопротивления может изменяться от 30 до 130 кН·с/м.
На рисунке 7 в виде графиков представлены результаты стендовых испытаний системы демпфирования с автоматическим изменением параметра сопротивления гидродемпфера по алгоритму в соответствии с соотношением (5).
а) б)
Рисунок 7. Характеристики гасителя колебаний с автоматической регулировкой сопротивления по алгоритму в соответствии с формулой (5)
а) зависимость усилий развиваемых гасителем от скорости перемещения штока;
б) зависимость изменения параметра сопротивления гасителя во времени при изменении частоты колебаний штока
На рисунке 7, а представлены зависимости усилия на штоке гасителя от скорости его перемещения в виде линии 1, которая реализуется при частотах колебаний штока от 0,5 до 3 Гц, и линии 2, которая реализуется при переходе возмущения в область частот более 3 Гц. Линии 1 (по тангенсу угла ее наклона к оси скоростей) соответствует экспериментальное значение 
30 кН·с/м. Линии 2 соответствует 
10 кН·с/м. Эти результаты свидетельствуют о работе регулируемого гасителя с автоматической регулировкой параметра сопротивления в соответствии с алгоритмом по соотношению (5).
На рисунке 7, б изображено изменение параметра () в зависимости от частоты циклического нагружения во времени. Из приведенного графика видно, что при частоте колебаний штока гасителя ниже 3 Гц реализуется параметр =30 кН·с/м, а при высокой частоте (f > 3 Гц) гаситель обеспечивает значение, что соответствует принятому алгоритму срабатывания системы.
Результаты эксперимента подтвердили проектные характеристики объектов.
Основные выводы
- Рассмотрены направления совершенствования существующей системы подвешивания пассажирских вагонов для улучшения качества их хода за счет регулирования параметров демпфирования вертикальных гасителей колебаний.
- С помощью разработанной математической модели колебаний вагона с существующей системой демпфирования при реальных возмущениях от пути показано, что при любом постоянном значении коэффициентов сопротивления вертикальных демпферов центрального подвешивания, возможное улучшение комфорта, в какой либо зоне скоростей сочетается с ухудшением комфорта в другой зоне. Доказана возможность повышения комфорта при всех режимах эксплуатации вагона, при условии что коэффициенты сопротивления вертикальных демпферов центрального подвешивания можно изменять во время движения вагона на определенные величины по определенному закону.
- Предложена и исследована структура функциональной зависимости требуемых значений коэффициентов сопротивления вертикальных демпферов от различных факторов влияния (аргументов функции управления): конструкции вагона, характеристик железнодорожного пути, скорости вагона, причем из характеристик пути главной является частота возмущающего воздействия от пути. Доказана возможность использования для каждого регулируемого демпфера вместо частоты возмущающего воздействия от пути – более доступную для измерений частоту колебаний кузова в зоне установки данного демпфера.
- Введено понятие об «условной» частоте колебаний кузова вагона при действии на него случайных возмущений реального пути. Предложены способы определения этой частоты и методы ее использования в системе демпфирования колебаний.
- Исследована система демпфирования вертикальных колебаний вагона с переменными параметрами коэффициентов сопротивления вертикальных демпферов центрального подвешивания. Определены параметры алгоритмов изменений этих коэффициентов, обеспечивающие улучшение плавности хода вагона до 15 %.
При этом предлагаемые системы способны снизить динамическую нагрузку на гасители и кузов вагона, что обеспечит повышение их долговечности.
6. Разработан визуализированный комплекс программ расчета демпфирования вертикальных колебаний пассажирских вагонов, позволяющий:
- применять разработанные методики для различных вагонов;
- проводить оценку эффективности работы различных систем демпфирования вертикальных колебаний вагона;
- осуществлять подбор рациональных параметров коэффициентов сопротивлений демпферов при постоянных их значениях, а так же изменений их в системах с автоматическим регулированием параметров.
7. Разработаны предложения по модернизации конструкции существующих демпферов с целью повышения эффективности уплотнения штока и клапанной системы, а так же по созданию унифицированного демпфера с ручной регулировкой и системы демпфирования с автоматической подстройкой рабочих параметров. Достаточно высокий уровень этих разработок подтвержден патентами на изобретения.
8. Функциональная работоспособность предлагаемой системы демпфирования для варианта с простейшим алгоритмом действия подтверждена экспериментально специальными стендовыми испытаниями.
9. В распоряжение Отдела главного конструктора ОАО «ТВЗ» передан и используется при проектировании ходовых частей вагонов визуализированный расчетный комплекс для определения параметров систем демпфирования колебаний пассажирских вагонов. Изготовлен опытный вагон с гидравлическими демпферами по патенту на изобретение № 2235253 для их эксплуатационной проверки для решения вопроса о серийном внедрении. Прорабатывается техническая документация по адаптации разработанной в диссертации системы демпфирования с автоматическим регулированием ее параметров (патент на изобретение № 2386063) на вагонах производства ОАО «ТВЗ» с последующим проведением ходовых испытаний этой системы.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах автора
Публикации в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:
- Черкашин Ю.М., Скачков А.Н., Зайцев А.В. Перспективные направления совершенствования системы демпфирования колебаний пассажирского вагона. М., «Вестник ВНИИЖТ», 2009, №5, с.3-5.
Публикации в других изданиях:
- Скачков А.Н. Исследование эффективности системы демпфирования вертикальных колебаний пассажирского вагона. Сборник трудов ученых и аспирантов ОАО «ВНИИЖТ» «Проблемы железнодорожного транспорта». М.: Интекс. 2011 с. 114-118
- Скачков А.Н., Пазухин Д.Ю., Казак А.С., Дементьев С.А. Разработка демпфера с регулируемыми параметрами. Тверь, 2011. – 7 с. - Деп. в ВИНИТИ 28.02.2011, № 98 – В2011.
- Скачков А.Н., Семенов А.А., Зайцев А.В. Определение характеристик буксового подвешивания с односторонними поводковыми связями. Тверь, 2011. – 7 с. - Деп. в ВИНИТИ 28.02.2011, № 99 – В2011.
- Черкашин Ю.М., Скачков А.Н. Влияние конструктивных особенностей и расположения гидродемпферов в центральной ступени рессорного подвешивания пассажирского вагона на эффективность его работы. Материалы научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития вагоностроения». БГТУ, Брянск, 2004, с.36-37.
Патенты
- Пат. 77371 Росийская Федерация, МПК F16F 5/00, F16K 31/08. Перепускное клапанное устройство/ Скачков А.Н., Пазухин Д.Ю., Стрункин Ю.Е.; заявитель и патентообладатель ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения», ЗАО «Вагонкомплект». - опубл. 20.10.2008, Бюл. № 29.
- Пат. 2386063 Росийская Федерация, МПК F16F 5/00, 9/18. Система демпфирования вертикальных колебаний кузова железнодорожного пассажирского вагона / Скачков А.Н., Зайцев А.В., Василевский В.В.; заявитель и патентообладатель ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения». - опубл. 10.04.2010, Бюл. № 10.
- Пат. 232485, Российская Федерация, МПК F16F 5/00, 15/56. Уплотнение штока гидродемпфера/ Шириня В.С., Скачков А.Н., Пазухин Д.Ю.; заявитель и патентообладатель ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения». - опубл. 16.03.2008, Бюл. № 14.
- Пат. 2235233, Российская Федерация, МПК F16F 5/00, 9/18, 9/34, 9/36. Демпфер подвески транспортного средства/ Шириня В.С., Стрункин Ю.Е., Скачков А.Н.; заявитель и патентообладатель ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения», ЗАО «Вагонкомплект». - опубл. 27.08.2004, Бюл. № 24.
