Разработка тягового транспортного средства для маневровых работ на малодеятельных станциях
На правах рукописи
НОВОСЕЛЬЦЕВ Петр Викторович
РАЗРАБОТКА ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
ДЛЯ МАНЕВРОВЫХ РАБОТ НА МАЛОДЕЯТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ
Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ОМСК 2006
Работа выполнена в Омском государственном университете путей сообщения.
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
НЕХАЕВ Виктор Алексеевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Окишев Владимир Константинович
кандидат технических наук, доцент
Беляев Павел Владимирович
Ведущая организация:
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС).
Защита состоится «29» июня 2006 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПСе) по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 112.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГУПСа.
Автореферат разослан «29» мая 2006 года.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.
Тел./факс: (3812) 31-13-44; E-mail: [email protected]
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук,
профессор Г. П. Маслов.
____________________________
© Омский гос. университет
путей сообщения, 2006
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. В современных условиях приоритетными направлениями стратегии развития железнодорожного транспорта России являются обеспечение безопасности движения, повсеместное внедрение ресурсосберегающих технологий, техническое перевооружение материальной базы, внедрение научно-технических разработок, направленных на повышение эффективности перевозочного процесса.
В последние годы стабильно наращивается объем перевозок на железных дорогах России, в том числе и на ВСЖД. Еще в 2004 г. предприятия, обслуживаемые станциями этой дороги, грузили 1700 т. продукции ежесуточно, а в 2005 г. стабильно, каждые сутки отгружается свыше 5 тыс. т.
Из всех станций ВСЖД 38 % составляют малодеятельные, которые включают в себя подъездные пути удаленных от крупных станций предприятий, т.е. для обслуживания четырех станций прикрепляется маневровый тепловоз. Очень часто для перемещения нескольких вагонов на малодеятельных станциях приходится заказывать мощный магистральный локомотив, который должен при этом пройти десятки километров к этой станции ради перемещения нескольких вагонов и так же вернуться обратно.
В настоящее время существует проблема обеспечения малодеятельных линий тяговыми транспортными средствами для маневровой работы и важно, чтобы их применение было экономически оправданным, т. е. недорогим и многофункциональным.
С участием автора разработано такое средство – самоходная маневровая железнодорожная платформа (авт. свидет. № 26212 от 20 ноября 2002 г). Для ее эффективного использования в качестве маневрового транспортного средства необходимо определить тягово-сцепные свойства, добиться уменьшения удельной мощности тягового привода, что позволит сократить расходы на эксплуатацию.
При разработке конструктивного решения тяговых транспортных средств возникает задача стабилизации сцепления колеса с рельсом, снижения до минимума вероятности боксования. В связи с этим необходимо исследовать процесс трогания с места и движения железнодорожного состава с учетом влияющих на него различных факторов таких, например, как жесткость тягового привода, его демпфирующая способность, наличие зазоров в автосцепке, поглощение энергии во фрикционном аппарате и других.
Цель работы состоит в исследовании тягово-сцепных свойств разработанного рельсового транспортного средства с автомобильным приводом для маневровых работ на малодеятельных станциях.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
разработана математическая модель движения железнодорожного состава с приводом, имеющим упругую связь с демпфированием, и на ее основе построена тяговая характеристика самоходной маневровой железнодорожной платформы;
сформирована математическая модель движения железнодорожного состава, учитывающая зазоры в автосцепном устройстве и поглощение энергии фрикционными аппаратами;
получена математическая модель исследуемой механической системы «экипаж-путь» для оценки влияния продольной жесткости рельсового пути на проскальзывание колесной пары по рельсу;
выполнены экспериментальные исследования тягово-сцепных свойств самоходной маневровой железнодорожной платформы, дана оценка адекватности математических моделей и натурного объекта;
представлено технико-экономическое обоснование целесообразности использования самоходной маневровой железнодорожной платформы в производственном процессе.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на методах математического анализа, теоретической механики, динамики подвижного состава, математической статистики и теории вероятностей. Обработка теоретических и экспериментальных результатов выполнена на ЭВМ с применением математических программ MathCAD, Excel, MatLAB. Натурные измерения перемещения железнодорожного состава, ведомого самоходной платформой и других характеристик пути, проводились с помощью специально разработанных средств на предприятиях и путях Восточно-Сибирской железной дороги.
Научная новизна диссертационной работы характеризуются следующими основными результатами:
сформулирована математическая модель движения железнодорожного состава, имеющего упруго-диссипативную связь в тяговом приводе;
построена математическая модель процесса трогания железнодорожного состава с места как многомассовой системы с учетом зазоров в автосцепке и поглощения энергии во фрикционных аппаратах на основе теоремы об изменении кинетической энергии механической системы;
получена математическая модель скорости проскальзывания колесной пары по рельсу с учетом продольной жесткости железнодорожного пути;
предложен для анализа тягово-сцепных свойств транспортного средства графический способ представления силы тяги в виде комплексной диаграммы.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается удовлетворительным совпадением полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований. Погрешность определения тяговой характеристики не превышает 10 %.
Практическая значимость работы подтверждается следующим:
1. Получением трех авторских свидетельств, в том числе № 26212 на полезную модель от 20 ноября 2002 г. «Самоходная маневровая железнодорожная платформа»;
2. Натурными испытаниями предлагаемого транспортного средства при выполнении маневровых работ в производственных условиях доказана его работоспособность;
3. Улучшением условий контактного взаимодействия колесной пары и пути благодаря введению в тяговый привод транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания упругой связи большой деформативности с демпфирующим устройством;
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на всероссийских научных конференциях с международным участием (г. Красноярск, 2005 г.; г. Улан-Удэ, 2005 г.), заседаниях кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Иркутского государственного университета путей сообщения (г. Иркутск, 2006 г.), постоянно действующем научно-техническом семинаре ОмГУПСа «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (г. Омск, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ и получено три авторских свидетельства на полезную модель.
Объем и структура диссертации. Текст диссертации изложен на 138 страницах основного текста, иллюстрирован двумя таблицами, 62 рисунками, а список литературы содержит 96 источников.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении содержится обоснование актуальности темы, определена цель и сформулированы задачи исследований.
Первая глава содержит анализ работ, посвященных исследованиям, касающимся состояния маневровой работы на железных дорогах России, тенденций ее развития и проблем, возникающих при ее осуществлении. Рассмотрены технические средства для выполнения маневровой работы. Критически осмыслены работы, в которых представлен процесс трогания с места и движения железнодорожного состава и причины возникновения боксования.
Анализ названных работ позволил сделать вывод о том, что, начиная с 1992 г., существенно увеличился объем маневровой работы и стал ощущаться недостаток технических средств по количеству и номенклатуре. Ряд авторов, в том числе и зарубежных, предлагает иметь на промежуточных станциях, так называемые «малые локомотивы», даже при их неполном использовании.
Фундаментальным положениям теории тяги поездов, таким как усиление тяговых средств, выбор расчетного коэффициента сцепления и критической массы состава, были посвящены работы известных ученых: В. Р. Асадченко, П. Н. Астахова, А. М. Бабичкова, М. Р. Барского, А. И. Беляева, И. В. Бирюкова, А. Л. Голубенко, З. Г. Гиоева, П. А. Гурского, В. В. Деева, Н. Е. Жуковского, В. Ф. Егорченко, А. А. Зарифьяна, И. П. Исаева, В. Г. Иноземцева, В. М. Казаринова, В. Н. Кашникова, Д. Э. Карминского, В. Г. Козубенко, А. Н. Коняева, С. М. Куценко, А. Л. Лисицына, В. Н. Лисунова, Ю. М. Лужнова, Н. Н. Меншутина, Д. К. Минова, Л. А. Мугинштейна, О. А. Некрасова, Б. Д. Никифорова, С. И. Осипова, А. В. Плакса, В. Е. Попова, С. В. Покровского, В. Е. Розенфельда, А. Н. Савоськина, Г. В. Самме, Н. Н. Сидорова, Т. А. Тибилова, Б. Н. Тихменева, Л. М. Трахмана, В. Д. Тулупова, В. П. Феоктистова, Н. А. Фуфрянского, В. В. Шевченко и др.
Динамика поезда, отдельных экипажей и прочность их узлов исследовалась в работах известных в России и за рубежом ученых, из которых в первую очередь следует назвать Е. П. Блохина, Е. П. Богомаза, Ю. П. Бороненко, С. В. Вершинского, А. У. Галеева, П. Т. Гребенюка, В. Н. Данилова, Ю. В. Демина, А. А. Длугача, С. В. Дуваляна, В. А. Лазаряна, А. А. Львова, Б. Г. Кеглина, М. Л. Коротенко, Н. Н. Кудрявцева, Л. А. Манашкина, В. Б. Мещерякова, Г. С. Михальченко, Л. Н. Никольского, В. К. Окишева, Н. А. Панькина, Ю. И. Першица, М. М. Соколова, Е. Л. Стамблера, Т. А. Тибилова, В. П. Ткаченко, А. В. Рыжова, Ю. М. Черкашина и др.
Здесь же сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе изложены теоретические предпосылки определения тягово-сцепных свойств транспортного средства для маневровых работ.
При выборе расчетной схемы необходимо учесть отличия условий эксплуатации тягового транспортного средства для маневровых работ на малодеятельных станциях от станций с интенсивной маневровой работой и сформулировать требования к нему.
Одним из возможных вариантов такого средства может быть разработанная с участием автора «Самоходная маневровая железнодорожная платформа» (авт. свидет. № 26212 на полезную модель от 20.11.2002), представленная на рис. 1.
Рис. 1. Самоходная маневровая железнодорожная платформа
Для обеспечения работы двигателя в рациональном режиме и предотвращения резкого нарастания силы тяги при включении первой предачи автором предложено ввести в тяговый привод упругую связь с демпфированием. При построении тяговой характеристики и получении качественных динамических параметров маневровую платформу с допустимой точностью можно представить в виде системы (рис. 2).
Уравнения движения маневровой платформы после несложных преобразований с учетом принятых допущений имеют вид:
(1)
Сила тяги при наличии упругой связи может быть вычислена из соотношения:
(2)
где С – суммарная жесткость упругих связей привода; Rк – радиус колесной пары; – угол поворота ведущего колеса, которое через упругую связь передает момент колесной паре; 0 – начальная угловая скорость вращения ведущего колеса; – угловое ускорение ведущего колеса, которое регулируется при помощи акселератора; – угол поворота колесной пары по отношению к неподвижной системе координат; Fc – сила сопротивления движению состава (определялась согласно ПТР); m = mc(1+) – «приведенная» масса состава с учетом инерции вращающихся частей; – коэффициент вязкого трения в передаче.
Графики изменения скорости состава при различной жесткости упругой связи С даны на рис. 3.
Рис. 3. Графики изменения скорости движения состава при расчетном угловом ускорении ведущего колеса = 0,1 с-2 и различной жесткости упругой связи С
Резкое увеличение тягового момента вызывает рост амплитуды колебаний скорости маневровой платформы и увеличивает вероятность возникновения боксования. Поэтому трогание с места нужно осуществлять медленно, так как это обусловлено не только условиями взаимодействия ведущей колесной пары с рельсами, но и особенностями динамики трансмиссии автомобильного привода, связанными с проскальзыванием и износом дисков в муфте сцепления. На основании построенных графиков изменения скорости при различных значениях декремента колебаний было определено рациональное его значение. Построенные графики перемещения, изменения скорости и ускорения движения маневровой платформы подтвердили вывод о том, что упругая связь с демпфированием обеспечивает плавное трогание с места. На рис. 4 приведены тяговые характеристики маневровой платформы при различных степенях использования мощности двигателя автомобиля.
Рис. 4. Тяговые характеристики самоходной маневровой платформы в зависимости от степени использования номинальной мощности двигателя (в %)
Для оценки возможности движения транспортного средства без боксования, с упругой связью и демпфирующим устройством в тяговом приводе, на комплексной диаграмме, показанной на рис. 5 представлены тяговые характеристики и ограничения по сцеплению.
Если по какой-либо причине возникает скольжение, то для восстановления сцепления колеса с рельсом достаточно уменьшить крутящий момент. В передаточном механизме можно также использовать специальное устройство, которое при возникновении боксования автоматически его устраняет.
В третьей главе анализируется влияние зазоров в автосцепке и поглощения энергии во фрикционных аппаратах на процесс трогания с места железнодорожного состава. Для решения этой задачи использована теорема об изменении кинетической энергии.
Железнодорожный подвижной состав представляет собой систему многих масс, которая связана между собой упруго-диссипативными связями, имеющими зазоры в сочленениях. Ударно-тяговые усилия передаются рамам вагонов через поглощающие аппараты, которые смягчают эти усилия и рассеивают часть кинетической энергии.
Скорость n-го вагона при трогании с места состава:
(3)
Расчет производился последовательно, по мере вовлечения вагонов в процесс движения. В результате выяснилось, что, если перед троганием с места будет произведено сжатие поезда, то благодаря зазорам в автосцепке состав вовлекается в движение постепенно и маневровая железнодорожная платформа сможет сдвинуть состав массой 220 т, в противном случае – 150 т.
Расчет показал, что поглощение энергии во фрикционных аппаратах невелико (менее 1% от работы внешних сил).
Так как на малодеятельных линиях железнодорожный путь зачастую находится в неудовлетворительном состоянии, то необходимо исследовать влияние его продольной жесткости на тягово-сцепные свойства самоходной платформы.
На рис. 6 показана расчетная схема системы взаимодействия «колесная пара – железнодорожный путь», в которой учтена его продольная жесткость.
Рис. 6. Расчетная схема системы «колесная пара – рельсовый путь»
Она определялась с учетом нагрузки от локомотива в соответствии с методикой профессора Яковлевой Т.Т.:
Ср = С0 + К1G, (4)
где С0 – продольная жесткость рельсового пути в ненагруженном состоянии;
G – сила давления колес локомотива на рельсы;
К1 – коэффициент пропорциональности.
При неудовлетворительном техническом состоянии пути С0 уменьшается.
С использованием энергетического формализма Лагранжа получена следующая система дифференциальных уравнений:
(5)
Она относится к жесткому типу дифференциальных уравнений и для ее решения использовалась теорема академика Тихонова о разделении системы на «быстрые» и «медленные» составляющие. Получено выражение скорости проскальзывания колесной пары по рельсам:
, (6)
где 
(7)
уравнение (6) справедливо на временах 
Таким образом, предложенная математическая модель процесса проскальзывания между колесной парой локомотива и рельсами позволяет учитывать влияние таких факторов, как ухудшение технического состояния рельсового пути, изменение его инерционных характеристик и массы состава на процесс проскальзывания колесной пары по рельсам.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований тягово-сцепных свойств самоходной маневровой железнодорожной платформы.
Натурные испытания проводились на ПМС станции Онохой в сентябре 2004 г. Полигон для испытания – железнодорожный путь длиной 200 м. с уклоном 65 %0. В качестве тягового транспортного средства использовалась железнодорожная платформа с закрепленным на ней автомобилем ЗИЛ-130 (рис. 7).
В процессе натурного эксперимента получены значения инерционных, упругих и диссипативных параметров привода: жесткость упругой связи получилась равной Сср = 30857 Нм/рад, коэффициент сопротивления движению составил w = 0,00265, момент инерции двигателя совместно с другими узлами составляет I = 2,05 кгм2.
Суть методики выполнения натурных экспериментов состоит в том, чтобы построить графики перемещения, изменения скорости, ускорения и силы тяги маневровой платформы и сравнить их с полученными теоретически.
Для экспериментального исследования использованы цифровая видеокамера и геодезическая рейка, закрепленная на платформе.
Самоходная платформа начинает движение и одновременно включается цифровая камера в режиме два снимка в секунду.
По команде самоходная маневровая железнодорожная платформа начинает движение и включается цифровая камера в режиме два снимка в секунду (рис. 8). На основании полученных данных строим график перемещения самоходной маневровой железнодорожной платформы, который качественно повторяет построенный теоретический. Далее, при помощи графического дифференцирования получаем графики изменения скорости и ускорения состава. Силу тяги определяем как сумму сил инерции и сопротивления.
Была построена комплексная диаграмма тягово-сцепных свойств маневровой платформы (рис. 9). На ней экспериментальную тяговую характеристику представляем в виде усредненной функции Ft.
Рис. 8. Снимки процесса трогания с места маневровой железнодорожной платформы
В результате натурного эксперимента по точкам а, б, в, г построена кривая предельной силы сцепления, а также тяговая характеристика маневровой платформы.
Коэффициент сцепления колеса с рельсом в данном случае (при сухой погоде) находился в пределах 0,32 – 0,37.
Построенная экспериментальная тяговая характеристика довольно точно повторяет, начиная со скорости 0,2 м/с, полученную во второй главе теоретическую тяговую характеристику маневровой железнодорожной платформы при 80 % использовании мощности двигателя (отклонение составляет не более 10 % по абсолютной величине).
В пятой главе выполнена оценка экономической эффективности от внедрения самоходной маневровой железнодорожной платформы на малодеятельных линиях по сравнению с маневровым тепловозом при удаленности малодеятельной станции на 50 км от опорной станции и при 500 часам работы в год. Экономия эксплуатационных расходов составила 1 млн. 936 тыс. руб. в год. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений составила – 0,13 года.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. На основе разработанной математической модели движения железнодорожного состава с приводом, имеющим упругую связь и демпфирующее устройство, построена тяговая характеристика самоходной маневровой железнодорожной платформы, определены крутильная жесткость упругой связи тягового привода С = 104 – 3104 Нм/рад и декремент колебания = 0,8.
2. Разработан теоретический способ исследования процесса трогания с места железнодорожного состава, учитывающий зазоры в автосцепном устройстве и поглощение энергии фрикционным аппаратом. При трогании с места массу предварительно сжатого железнодорожного состава можно увеличить на 30 %, по сравнению с растянутым.
3. Установлено, что ухудшение технического состояния рельсового пути (уменьшение его продольной жесткости) увеличивает проскальзывание движущей колесной пары по рельсам.
4. Экспериментальные исследования показали, что построенные на их основе графики перемещения, скорости и ускорения состава, а также усредненная тяговая характеристика отличаются от теоретических результатов не более чем на 10 %. Это подтверждает достоверность математической модели и возможность использования самоходной маневровой железнодорожной платформы в качестве тягового средства для перемещения составов массой до 150 т.
5. Эффект от внедрения самоходной маневровой железнодорожной платформы на малодеятельных линиях по сравнению с тепловозом дает общую экономию эксплуатационных расходов в 1млн. 936 тыс. рублей в год.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. Н о в о с е л ь ц е в П. В. Исследование тягового привода с упругой связью / П. В. Н о в о с е л ь ц е в // Транспортные проблемы Сибирского региона: Сб. науч. тр. / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск, 2004. Ч.1. С. 125 – 129.
2. Самоходная маневровая железнодорожная платформа / Ж. Г. Д а м б а -е в, П. В. Н о в о с е л ь ц е в и др. // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте: Матер. всерос. науч. конф. с междунар. участием / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Красноярск, 2005. С. 526 – 529.
3. Н о в о с е л ь ц е в П. В. Исследование движения транспортного средства, имеющего тяговый привод с упругой связью / П. В. Н о в о с е л ь ц е в // Транспортные проблемы Сибирского региона: Сб. науч. тр. / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск, 2004. Ч.1. С. 129 – 134.
4. Н о в о с е л ь ц е в П. В. Оптимизация параметров тягового привода транспортного средства на железнодорожном ходу / П. В. Н о в о с е л ь ц е в // Транспортные проблемы Сибирского региона: Сб. науч. тр. / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск, 2004. Ч.1. С. 134 – 139.
5. Н о в о с е л ь ц е в П. В. Анализ силового взаимодействия и расчет элементов механической передачи транспортного средства / П. В. Н о в о- с е л ь ц е в // Транспортные проблемы Сибирского региона: Сб. науч. тр. / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск, 2004. Ч.1. С. 139 – 141.
6. Н о в о с е л ь ц е в П. В. Исследование устойчивости железнодорожного состава на основе математических методов / Ж. Г. Д а м б а е в, П. В. Н о в о- с е л ь ц е в // Математика, ее приложения и математическое образование: Матер. всерос. науч. конф. с междунар. участием / Восточно-Сибирский гос. технологический ун-т. Улан-Удэ, 2005. С. 70 – 75.
