Параметрическая оптимизация и надежность рессорного подвешивания рефрижераторного вагона

Развитие железнодорожного транспорта СССР характеризуется значительным ростом грузооборота, повышением скоростей движения и веса поездов. Решениями ХХУ1 съезда КПСС и рядом последующих правительственных постановлений перед железнодорожным транспортом нашей страны поставлены задачи дальнейшего повышения провозной и пропускной способности железных дорог с одновременным обеспечением качества и эффективности перевозок /I /. Так, на 1984 год предусмотрено повышение среднего веса поездов не менее, чем на 1000 кН, увеличение статической нагрузки вагонов на 3 кН, ускорение грузооборота вагона на 3,2 $. В качестве дополнительного задания партии предусмотрено повышение производительности труда на железнодорожном транспорте против плана на 1% и снижение себестоимости на 0,5 $. Важность этого задания для благосостояния народа подчеркнута в выступлении Генерального секретаря ЦК КПСС К. У. Черненко на февральском (1984г.) Пленуме ЦК КПСС.

Одной из важных задач, поставленной перед железнодорожным транспортом Продовольственной программой СССР, является ускорение и повышение качества перевозок скоропортящихся грузов. Большое значение для ее успешного решения имеет улучшение структуры и совершенствование конструкции подвижного состава для транспортировки сельскохозяйственной продукции и продовольствия.

В настоящее время у нас в стране 90% общего объема перевозок скоропортящихся продуктов приходится на рефрижераторные вагоны. Увеличение статической нагрузки вагонов, повышение скоростей движения и специфика обслуживания рефрижераторных секций производства ПО ЕМЗ потребовали разработки новой специализированной тележки (усл. № 327) взамен используемой в настоящее время тележки КВЗ-И2.

Форсирование режимов эксплуатации вагонов, реализующее указанные выше требования поувеличению грузооборота, может привести к существенному увеличению повреждений вагонов и грузов. Б связи с этим становится особенно актуальной проблема совершенствования систем подвешивания вагонных тележек, в наибольшей мере влияющих на уровень вертикальной нагруженноети и динамические показатели вагонов.

В течение ряда лет многими организациями проводились многочисленные исследования с целью создания более совершенных амортизирующих устройств, в том числе и систем рессорного подвешивания.

Широкое*применение методов физического и математического моделирования, методов математического программирования и использования ЭВМ постребовало значительного расширения научной базы, проведения комплексов исследований, связанных с динамикой поезда, механикой твердого тела, теорией трения и т. д.

Крупнейшими работами в области развития современных методов исследования колебательных процессов, сопровождающих движение железнодорожных экипажей и создание амортизирующих устройств вагонов, явились труды ученых: Е. П. Елохина, М. Ф. Вериго, С. В. Вертинского, М. В. Винокурова, Л. О. Грачевой, В. Н. Данилова, И. П. Исаева, Л. А. Кальницкого, А. А. Камаева, В. А. Камаева, А. Я. Когана, Н. Н. Кудрявцева, Л. Д. Кузьмича, С. М. Куценко, В. А. Лазаряна, А. А. Львова, В. Б. Меделя, Л. Н. Никольского, А. А. Попова, А. Н. Савосысина, М. М. Соколова, Т. А. Тибилова, Л. А. Шадура, В. Ф. Ушкалова, И. И. Челнокова, А. В. Юрченко и др.

Одним из наиболее важных направлений в развитии теории конструирования вагонов^{является} исследование их надежности ии долговечности. Значительный вклад в развитие этого направления исследований внесен работами С. В. Вершинского, В. Н. Данилова, Б. Г. Кеглина, Л. Д. Кузьмича, В. П. Лозбинева, Л. Н. Никольского, Е. Н. Никольского, А. П. Приходько, А. А. Рахмилевича, А.Н.Савосыеи-на, М. М. Соколова, В. Д. Хусидова и др.

В результате этих исследований был разработан ряд методов расчета динамических процессов /19 127,32,33,37,71/ «а также комплекс алгоритмов и программ /21,79,80/ для решения задач динамики поезда с применением современных цифровых (ЦВМ) и аналоговых вычислительных машин (АВМ). Решен ряд методических вопросов, связанных с црименением численных методов решения /7f 74/ с возможностью понижения порядка описывающей динамику вагона системы дифференциальных уравнений/-27/.

Совершенствование методов расчета систем подрессоривания связано с уточнением расчетных моделей динамической системы «вагон-путь» и разработкой способов идентификации ее параметров. Эти вопросы рассматривались в работах С. В. Вершинского, В.О.Ко-ноненко, В. А. Камаева, В. А. Лазаряна, В. А. Симонова, В.Ф.Ушкало-ва /19,53,73−75/.

Отработке методик испытаний вагонов, экспериментальным исследованием, внедрению в практику систем обработки данных испытаний на ЭВМ посвятили свои труды Е. П. Блохин, С. В. Вершинский, Н. Н. Кудрявцев, Ю. М. Черкашин.

Теоретическим и экспериментальным исследованиям действующих на рельсовые экипажи возмущений посвящены работы /5,23,33, 36,51,52,75,81,83/.

В связи с развитием вероятностной постановки расчетов прочности элементов вагонных конструкций в последние годы стал особенно актуальным вопрос о правильной оценке нагруженноети вагона. Это потребовало проведения широкого статистического обследования условий эксплуатации вагонов и разработки методов расчетного моделирования эксплуатационной нагруженности. Этим вопросам посвящены работы /7,13,21,65,69 и др./.

Вопросам выбора оптимальных параметров подвешивания транспортных машин посвяцены работы/12,22,36,37,38,61,77,82 и др./. В работах /36 37 38 74 / изложена общая методология оптимизации параметров подвешивания железнодорожных экипажей, показано применение целого ряда численных методов. В /33/ рассмотрена оптимизация параметров рессорного подвешивания по колебаниям надрессорного строения в продольной вертикальной плоскости. Рассмотрены различные критерии оптимальности. Дня нелинейных колебательных систем предлагается использовать адаптивный подход для поиска оптимальных параметров. В /38/ с использованием одноосной расчетной схемы колебаний вагона сравниваются результаты оптимизации по различным критериям качества. Проводится сравнение алгоритмов минимизации целевых функций, даются рекомендации по способам ускорения поиска. В работах /15,50/ рассмотрены вопросы оптимизации параметров подвешивания вагонов по критерию относительной усталостной повреждаемости. Показано, что значительного снижения усталостной повреждаемости можно достичь за счет применения в подвешивании нелинейных уп-руго-диссипативных элементов.

Теоретические основы исследования нелинейных динамических систем рассмотрены в работах /2,9,10,28,35,45,55,70/. Вопросы применения нелинейных связей в подвешивании железнодорожных экипажей нашли отражение в трудах М. Д. Быховского, Л. С. Вашакидзе, Б. С. Завта, Л. А. Кальницкого, В. П. Коцубенко, Г. В. Левкова, С. В. Никитина, Т.В.Селенской/18,29,47 и др./.

В /17, 18/ рассмотрены возможности применения в рессорном подвешивании вагонов нелинейных упругих элементов, разработаны методические вопросы применения методов нелинейной статистической динамики к расчету подрессоривания вагонных конструкций. В /29/ рассматриваются вопросы влияния нелинейности центрального подвешивания на динамические показатели вагонов. Упругая характеристика подвешивания принимается симметричной относительно положения статического равновесия и описывается в виде уравнения полинома нечетной степени. Показаны преимущества нелинейного подвешивания в условиях воздействия детерминированного и случайного возмущения.

В /47,49/ исследовано влияние кусочно-линейных упругих характеристик подвешивания на формирование режимов нагруженное ти несущих элементов тележек. Для моделирования режимов нагружения использован метод статистической линеаризации нелинейных упругих элементов.

Вопросы оценки показателей надежности элементов динамических систем рассматривались в работах /8,20,26,39,49,54,67, 68,72/.

В /20,26,54,67,68/ рассмотрены теоретические основы расчетов параметрической надежности машин. Вопросы исследования параметрической надежности фрикционных устройств рассматривались в /39/.

В работах /46,49/ основное внимание уделялось вопросам обеспечения заданных характеристик элементов подвешивания вагонных тележек без учета влияния отклонений их параметров на динамические показатели вагона. В работах /13,72/сделана попытка рассмотрения характеристик подвешивания как определяющих качество функционирования системы подрессоривания вагона. В /41/ рассмотрены методические вопросы параметрической надежности подвешивания вагона при детерминированном воздействии со стороны рельсового пути. В /42/ для оценки надежности подвешивания при случайном возмущении использованы положения теории выбросов.

Несмотря на широкое привлечение методов статистической динамики и теории вероятностей к описанию режимов нагружения элементов вагонных конструкций вероятностная трактовка основных динамических показателей вагонов в настоящее время разработана недостаточна. Это приводит к определенным трудностям при сопоставлении результатов исследований различных авторов и использовании их для расчетов надежности с учетом фактического стохастического режима эксплуатации вагонов.

Недостаточно глубоко исследованы вопросы формирования режимов нагруженноети в динамических системах с нелинейными амортизирующими устройствами при случайных воздействиях.

Практически не рассматривались вопросы исследования надежности и оптимизации систем подрессоривания в нестационарных условиях фактического режима эксплуатации вагонов.

В связи с этим сформулируем цель диссертационной работыразработка методики параметрической оптимизации и надежности линейных и нелинейных систем рессорного подвешивания с учетом нестационарности условий эксплуатации рефрижераторных вагонов.

Достижение этой цели предполагает решение ряда задач. Необходимо: I) разработать математическую модель динамической системы «вагон-путь», учитывающей особенности рефрижераторных вагонов, для оценки эффективности рессорного подвешивания- 2) провести экспериментальное исследование динамических качеств и особенностей функционирования рессорного подвешивания тележки 327 для рефрижераторных вагонов- 3) обосновать выбор модели возмущающих воздействий и на основании данных экспериментального исследования решить задачу идентификации ее параМетров- 4) рассмотреть возможность применения нелинейного подвешивания. Это требует: а) анализа возможности проведения исследований нагруженноети нелинейных динамических систем методами статистической динамики-б) разработки методики расчетно-экспериментального исследования динамических качеств нелинейных систем подрессоривания-в) проведения специального экспериментального исследования по изучению преобразования законов распределения входных воздействий нелинейными динамическими системами-г) экспериментальной проверки существования оптимальных по критерию минимума усталостной повреждаемости параметров нелинейных систем подрессоривания-д) разработки методики расчетной оценки относительной усталостной повреждаемости элементов конструкции вагона с нелинейным подвешиванием-5) разработать критерии параметрической надежности рессорного подвешивания и методику ее расчетной оценки, выполнить расчеты параметрической надежности существующего подвешивания тележки 327 рефрижераторного вагона- 6) обосновать выбор критериев для оптимизации параметров подвешивания, разработать методику оптимизации параметров подвешивания с учетом фактического стохастического режима эксплуатации вагонов.

7. ОБЩЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1.В результате экспериментального исследования определены показатели нагруженности подрессоренных элементов конструкции рефрижераторного вагона и опытной тележки 327, при этом установлено, что основное влияние на уровень действующих сил оказывают колебания кузова в продольной вертикальной плоеноети (подпрыгивание и галопирование). Колебания боковой качки кузова незначительно увеличивают динамическую нагруженноеть надрес-сорной балки тележки. Применение в подвешивании тележек 327 В, 327Б сочлененного гасителя колебаний приводит к перераспределению расчетных сил сопротивления в порожнем и груженом режимах движения. Выявлена нелинейная зависимость диссипативных сил подвешивания от прогиба рессорного комплекта.

2. Разработана математическая модель грузового рефрижераторного вагона для оценки нагруженности подрессоренных элементов конструкции вагона и тележки. Показана возможность анализа режимов динамической нагруженности подрессоренных элементов кузова и тележки с помощью упрощенной расчетной схемы без учета колебаний неподрессоренных масс тележек и инерционных свойств пути. Потеря точности расчетов за счет такого упрощения не превышает 15%,.

3. Поставлена и решена задача идентификации параметров модели возмущающего воздействия. Полученные параметры модели возмущений позволяют для плоских расчетных схем колебаний рефрижераторного вагона учесть колебания боковой качки.

4. Исследованы особенности формирования режимов нагруженности в системах с нелинейными упругими характеристиками. Показана необходимость введения дополнительных ограничений при исследовании нагруженности нелинейных динамических систем методами статистической линеаризации. Расчетно-экспериментальным путем выполнено исследование преобразований законов распределения динамических сил в нелинейных динамических системах. Установлена асимметричность законов распределения мгновенных значений сил на выходе нелинейной системы при нормальном законе входного возмущающего воздействия. Показана неприменимость схематизации процессов динамической нагруженности нелинейных систем с несимметричной упругой характеристикой по методу «максимумов». Схематизация по «размахам» мгновенных значений динамических сил на выходе нелинейной системы приводит к функции распределения близкой к закону Релея. При этом оценка усталостной повреждаемости соответствует фактической долговечности деталей, режим нагруженности которых формируется нелинейной системой подрессоривания. Показано, что применение нелинейного подвешивания тележек вагонов позволяет значительно изменять режим нагруженности конструкции.

5. Разработаны критерии и методика оценки параметрической надежности рессорного подвешивания вагонов. Выполнен анализ факторов, вызывающих рассеивание характеристик подвешивания. Установлено первостепенное влияние нестабильности параметров гасителя колебаний в условиях эксплуатации. Получено статистическое распределение сил трения сочлененного гасителя колебаний.

6. Исследованы показатели параметрической надежности подвешивания по коэффициенту динамики и ускорениям кузова в условиях нестационарного режима эксплуатации вагонов, характеризуемого различными скоростями движения и различным состоянием пути. Показано первостепенное влияние на показатели надежноети изменения жесткости подвешивания. Уменьшение жесткости подвешивания от С = 6000 кБ/м до С = 4500 кН/м при^тр = 20 кН приводит к уменьшению вероятности отказов в 1,8 раза по коэффициенту динамики и в 1,7 раз по ускорениям кузова вагона. Изменение среднего значения силы трения в подвешивании (при С -= 4500 кЦ/м) в диапазоне 20.34 кН приводит к изменению вероятности параметрических отказов не более, чем в 1,4 раза по коэффициенту динамики и в 1,1 раза по ускорениям кузова.

Показана эффективность критерия параметрической надежности дня оценки качества функционирования подвешивания.

7. Уточнена методика многопараметрической многокритериальной оптимизации параметров подвешивания с учетом фактического режима эксплуатации вагонов рефрижераторной секции.

Для различных типов характеристик рессорного подвешивания и с учетом условий фактического режима эксплуатации вагонов получены регрессионные модели основных критериев эффективности.

8. Выполнены расчеты оптимальных параметров линейной и нелинейных характеристик подвешивания.

Оптимальные параметры линейного подвешивания обеспечивают снижение на 80 $ величины усталостных повреждений надрессорной балки тележки и на 15 $ вероятности параметрического отказа подвешивания по коэффициенту динамики и ускорениям кузова.

Среди нелинейных упругих характеристик лучшие показатели динамических качеств обеспечивает кусочно-линейная характеристика. Ее применение в подвешивании обеспечивает снижение максимальных значений коэффициентов динамики и среднеквадратичес-ких отклонений ускорений кузова вагона более, чем на 20 $, и уменьшение относительной усталостной повреждаемости надрессорной балки тележки в 24 раза. Параметрические отказы подвешивания с кусочно-линейной характеристикой практически отсутствуют.

9. Разработанная методика и полученные научные результаты исследования могут быть использованы при проектировании систем рессорного подвешивания других типов вагонов и транспортных машин.