УДК 629.4.028.86
, ,
РАСЧЕТНО-экспериментальные исследования
полимерного амортизатора удара
Приведены результаты статических и динамических испытаний полимерного поглощающего аппарата автосцепки. Дано сравнение экспериментальных и расчетных силовых характеристик комплекта полимерных элементов.
Ключевые слова: полимерный поглощающий аппарат, конечноэлементная модель, статические испытания, динамические испытания.
Согласно «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной Правительством РФ в 2008 году, к 2030 году прогнозируется увеличение погрузки на% по сравнению с показателями докризисного 2007 года, грузооборота – на% [1] .
Повышение массы подвижных единиц и увеличение скоростей их движения, интенсификация маневровой работы для ускорения процесса формирования поездов предъявляют особые требования к эффективности межвагонных амортизирующих устройств. Исследованию эффективности поглощающих аппаратов и их основных компонентов – полимерных упругих элементов посвящена данная статья.
В 2010г. сотрудниками кафедры «ДПМ» БГТУ был спроектирован прототип полимерного поглощающего аппарата класса Т1ТЭП1(рис.1). Основу этого аппарата составил комплект из 9 полимерных элементовDUREL, разделенных стальными пластинами толщиной 5 мм. Проектный чертеж полимерного элемента и его общий видпредставлены на рис.2.
 |
На первом этапе исследования была подготовлена конечноэлементная модель полимерногоэлемента [2; 3]. Конфигурация параметров конечноэлементной модели основана на результатах экспериментов, проводимых в лаборатории кафедры «ДПМ» (полимерный элемент сжимался до рабочего хода в 17 мм). На рис. 3 представлены экспериментальная и расчетная (с использованием МКЭ) силовые характеристики полимерного элемента.
Основные показатели представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты первого нагружения
Характеристика | Полнота | Энергия, кДж | Максимальная сила, кН |
Экспериментальная | 0,407 | 2,08 | 300 |
Расчетная | 0,432 | 2,05 | 279 |
Расхождение | 6,2% | -1,4% | -7,1% |
После серии нагружений в ходе испытаний у элемента наблюдается усадка. Изменяются его форма и габаритные размеры, стенки центрального отверстия теряют форму цилиндра с прямой образующей. В связи с этим была создана и рассчитана конечно-элементная модель элемента после усадки (рис. 4).
Путём варьирования свойств материала и коэффициента трения были получены значения, при которых расчётная силовая характеристика практически идентична экспериментальной характеристике.
 |
 |
На рис. 5 представлены силовые характеристики, полученные путём моделирования в пакете MSCMarc и при нагружении образца силой до 1710 кН, что соответствует номинальной силе при работе аппарата. Основные параметры силовых характеристик представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты исследования
Характеристика | Полнота | Энергия, кДж | Максимальная сила, кН |
Экспериментальная | 0,247 | 10,53 | 1700 |
Расчетная | 0,241 | 10,51 | 1710 |
Расхождение | -2,2% | -0,2% | 0,6% |
Максимальный ход составил 25 мм.
Расхождения по коэффициенту полноты, энергии и максимальной силе не превысили 2,5%, что свидетельствует о достаточной адекватности модели и о возможности использовать её в дальнейших расчётах.
На втором этапе исследования сиспользованием полимерных элементовDURELбыл изготовлен полимерный аппарат ТЭП1 класса Т1.
В табл.3 приведеныожидаемые и расчетные характеристикиаппарата.
Таблица 3
Характеристики аппарата
Параметр | Значение | |
Ожидаемое | Расчетное | |
Максимальный рабочий ход, мм | 9 | 93,5 |
Номинальная сила для достижения Wn, МН | 2,0 | 2,0 |
Сила начальной затяжки, кН | 140 | |
Сила обратного хода при полном восстановлении рабочего хода (при X=0 ), кН | ≥15 | 61 |
Сила при максимальном рабочем ходе, МН | 1,5 - 3,0 | 1,7 |
Статическая энергоёмкостьпри максимальном рабочем ходе (скорость тестирования – 2 мм/с),кДж | >20 | 76 |
Окончание табл. 3
Параметр | Значение | |
Ожидаемое | Расчетное | |
Номинальная энергоёмкость при силе Fn=2,0 MН, кДж | >70 | >70 |
Максимальная энергоёмкость при силе Fmax=2,4 MН при незакрытом аппарате, кДж | >90 | >92 |
Энергоемкость в состоянии поставки без | >50 | >50 |
Коэффициент абсорбции энергии | 0,7 - 0,95 | >0,7 |
Экспериментальные исследования полимерного поглощающего аппарата включали два этапа: статические и ударные динамические испытания.
Статические испытания поглощающего аппарата проводились в «Бежицкая сталь». Подпорный полимерный комплект включал в себя 9 ранее подвергавшихся нагружению полимерных элементов. В процессе испытаний полимерный поглощающий аппарат был нагружен 4 раза с периодом между нагружениями 5 мин. Результаты испытаний представлены на рис.6 и в табл.4. Испытания проводились при температуре 10 ˚С.
 |
Таблица 4
Результаты статических испытаний полимерного аппарата
Ход, мм | Сила, кН (1-е нагружение) | Сила, кН (2-е нагружение) | Сила, кН (3-е нагружение) | Сила, кН (4-е нагружение) |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
20 | 391 | 327 | 263 | 208 |
40 | 547 | 412 | 391 | 327 |
60 | 795 | 652 | 530 | 442 |
80 | 1010 | 943 | 789 | 602 |
100 | 1230 | 1244 | 1061 | 817 |
120 | — | 1517 | 1418 | 1146 |
140 | — | — | 1739 | 1650 |
На рис. 7 показаны силовые характеристики, полученные расчетным путём в пакете MSCMarc, экспериментальным путем, а также характеристика, предоставленная фирмой DUREL.
Энергоемкость аппарата составила 87 кДж, что соответствует ОСТ 32.175–2001[4].
Динамические ударные испытания полимерного поглощающего аппарата ТЭП1 проводились на стенде-горке «Бежицкая сталь». На рис. 8 представлена типичная силовая характеристика при ударе. Параметры полученных силовых характеристик сведены в табл. 5.
Таблица 5
Таблица 5
Результаты динамических испытаний полимерного аппарата
Скорость, м/с | Полнота | Коэффициент | Максимальный ход, мм | Максимальная сила, кН | Энергия, кДж |
0,65 | 0,548 | 0,346 | 21,7 | 614 | 7,31 |
0,88 | 0,581 | 0,429 | 35,9 | 934 | 19,5 |
1,05 | 0,558 | 0,456 | 45,0 | 1130 | 28,4 |
1,30 | 0,602 | 0,502 | 49,5 | 1287 | 38,3 |
1,65 | 0,530 | 0,592 | 62,9 | 1549 | 51,6 |
1,75 | 0,481 | 0,574 | 72,3 | 1692 | 58,9 |
Окончание табл. 5
Скорость, м/с | Полнота | Коэффициент | Максимальный ход, мм | Максимальная сила, кН | Энергия, кДж |
1,87 | 0,487 | 0,597 | 82,9 | 1835 | 74,1 |
2,05 | 0,508 | 0,701 | 91,8 | 1966 | 91,7 |
2,44 | 0,503 | 0,685 | 108,2 | 2107 | 114,7 |
2,60 | 0,401 | 0,822 | 123,3 | 2807 | 139,0 |
0,65 | 0,510 | 0,590 | 43,5 | 471 | 10,4 |
0,88 | 0,510 | 0,631 | 57,2 | 691 | 20,2 |
1,05 | 0,476 | 0,664 | 71,0 | 897 | 30,3 |
1,30 | 0,462 | 0,686 | 83,6 | 1063 | 41,0 |
1,56 | 0,433 | 0,682 | 95,2 | 1251 | 51,5 |
1,75 | 0,430 | 0,752 | 109,0 | 1443 | 68,1 |
1,87 | 0,347 | 0,736 | 115,5 | 2041 | 81,8 |
2,05 | 0,247 | 0,772 | 113,7 | 3544 | 99,4 |
Заключительным этапом исследования полимерного поглощающего аппарата было изучение влияния данного поглощающего аппарата на подвижной состав при переходных режимах движения поезда. Были рассмотрены трогание поезда, экстренное торможение и полное служебное торможение. На рис. 9, 10 представлены распределения сил при трогании и экстренном торможении однородного состава, оборудованного различными поглощающими аппаратами.
По полученным данным видно, что полимерный поглощающий аппарат дает достаточно низкие силы по составу и по этому показателю сопоставим с более дорогими эластомерными и фрикционно-эластомерными поглощающими аппаратами.
Итак, в результате исследований спроектирован и испытан полимерный поглощающий аппарат автосцепки. Полученныехарактеристики аппарата соответствуют классу Т1. Полимерный поглощающий аппарат ТЭП1 рекомендуется к внедрению на железнодорожном транспорте РФ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правительство Российской Федерации. О стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года: распоряжение от 17.06.08.
2. Оден, Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред/Дж. Оден.-М.: Мир, 1972. – 463 с.
3. Черных, теория упругости в машиностроительных расчетах / . – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. – 336 с.
4. ОСТ 32.. Аппараты поглощающие автосцепного устройства грузовых вагонов и локомотивов. Общие технические требования.
Материал поступил в редколлегию 18.01.13.
