Обоснование скорости нарастания давления в тормозных цилиндрах грузовых вагонов из условий уменьшения продольных динамических усилий

15 октября 2020

Для улучшения динамики управления поездом и повышения безопасности его движения специалистами АО МТЗ ТРАНСМАШ и РУТ (МИИТ) были проведены исследования и выработаны рекомендации по обоснованию параметров тормозной системы при торможении из условий минимизации продольных нагрузок в составе грузового поезда. В [1] были представлены результаты исследований по обоснованию статических параметров воздухораспределителя – максимальные давления в тормозных цилиндрах (ТЦ) на порожнем и среднем режиме торможения.

В данной статье рассмотрены динамические параметры – скорости нарастания давления в ТЦ при торможении из условий минимизации продольных осевых нагрузок в составе.

Постановка задачи и исходные данные


Исследования проводились на основе разработанной модели продольной динамики 100-вагонного грузового поезда неблагоприятного формирования при торможении [1]. Начальная скорость состава при торможении обосновывалась из условий проявления глобального максимума продольных реакций. Базовые значения давлений в ТЦ: 1,4 кгс/см2 при порожнем режиме, 3,0 кгс/см2 при среднем режиме. В качестве вариативных принимались максимальные давления в ТЦ как на порожнем, так и на среднем режиме торможения. Динамические параметры менялись за счет изменения отверстий наполнения ТЦ при торможении воздухораспределителя.

Расчеты выполнялись для следующих схем разрядки магистрали:
– вариант 1 – с одной точкой разрядки (в голове состава);
– вариант 2 – с двумя симметричными точками разрядки (в голове и в хвосте);
– вариант 3 – с двумя несимметричными точками разрядки (в голове и на расстоянии 1/3 вагонов от хвоста состава);
– вариант 4 – с тремя симметричными точками разрядки (в голове, в середине и в хвосте);
– вариант 5 – с тремя несимметричными точками разрядки (в голове, на расстоянии 2/5 от головы и на расстоянии 4/5
от головы состава).

Исследования проводились поэтапно.

На I этапе изучались продольные динамические усилия (ПДУ) при изменении отверстия наполнения ТЦ. На II этапе изменялись максимальные давления в ТЦ и отверстия их наполнения. На III этапе оценка ПДУ осуществлялась при изменении максимальных давлений в ТЦ. Динамические характеристики воздухораспределителя в этом случае моделировались за счет переменных отверстий при наполнении ТЦ.

В качестве допускаемых значений в соответствии с нормами [2] принимались следующие: из условия усталостной прочности
автосцепки – 100 тс (1 МН); из условия устойчивости от выжимания при действии сжимающих сил (для порожних вагонов) – 50 тс (0,5 МН).

Оценка максимальных ПДУ для нормативных значений давления и изменении скорости наполнения ТЦ


На рисунке 1 представлены характеристики изменения наименьших максимальных сжимающих продольных усилий (Rmax) в составе при торможении в зависимости от диаметра отверстия наполнения ТЦ груженых вагонов при различных схемах разрядки магистрали. Анализ зависимостей показывает, что использование распределенной разрядки магистрали – вариантов 2 и 4 – дает определенный эффект по уменьшению ПДУ при торможении по сравнению с вариантом 1.

Данный эффект наблюдается для отверстий ТЦ до 2,5-2,6 мм, далее он теряется, а при дальнейшем увеличении отверстия максимальные ПДУ для вариантов 2 и 4 становятся выше, чем для варианта 1. Следует отметить, что для схемы, предусматривающей разрядку с головы состава, снижение максимальных ПДУ осуществляется при изменении диаметра отверстия ТЦ до 3,0 мм.

На рисунке 2 показаны те же зависимости, но в диапазоне отверстий 1,7-2,5 мм. Из рисунка видно, что для варианта 2 минимум максимальных продольных усилий наступает для меньших отверстий, чем для других схем.



На рисунках 3 и 4 представлены аналогичные зависимости, но сгруппированные по количеству точек разрядки. Из рисунков
видно, что симметричные схемы имеют лучший результат по сравнению с несимметричными применительно к рассматриваемому составу.



На рисунке 5 представлены минимальные значения максимальных сжимающих продольных усилий для различных схем разрядки и диаметр отверстия, при которых эти значения реализуются. Отметим, что наименьшее значение продольных реакций для варианта 1 достигает 87 тс. Чуть выше для варианта 2 (88 тс), остальные превышают 90 тс. В целом все значения максимальных продольных сжимающих усилий превышают норму.



В ходе исследования влияния динамики наполнения ТЦ груженых вагонов для всех схем разрядки магистрали при торможении было установлено, что увеличение диаметра отверстия наполнения ТЦ на среднем режиме торможения у груженых вагонов приводит к определенному эффекту в плане снижения ПДУ. Для разных схем разрядок получены следующие выводы.

Для варианта 1:
– происходит практически линейное уменьшение максимальных ПДУ со стабилизацией в районе диаметра 3,0 мм;
– диапазон изменения продольных усилий составляет от 162 тс (1,7 мм) до 87 тс (3,0 мм);
– значение наименьших достигаемых усилий в этом случае составляет 87 тс (3,0 мм);
– для всего процесса торможения наблюдаются только усилия сжатия.

Для варианта 2:
– при отверстии 1,8 мм появляются растягивающие усилия, возрастающие при увеличении диаметра отверстия;
– максимальная величина растягивающих усилий достигает 60 тс при отверстии 3,0 мм;
– значение сжимающих усилий в зависимости от диаметра отверстий изменяется в диапазоне от 130 тс до 90 тс;
– зависимость изменения ПДУ от диаметра отверстия наполнения ТЦ имеет устойчивый минимум в районе от 1,9 мм до 2,0 мм.

Для варианта 3:
– при отверстии 2,0 мм появляются растягивающие усилия, возрастающие при увеличении диаметра отверстия;
– максимальная величина растягивающих усилий достигает 40 тс при отверстии 3,0 мм;
– ПДУ имеют увеличение и падение сил с отдельными всплесками, что указывает на более сложный характер их изменения, чем для симметричной схемы;
– изменение продольных усилий сжатия происходит в диапазоне от 140 тс до 90 тс;
– выраженный минимум усилий сжатия наблюдается в районе диаметров отверстий 2,1-2,2 мм.

Для варианта 4:
– при отверстии 1,8 мм появляются растягивающие усилия, возрастающие при увеличении диаметра отверстия;
– максимальная величина растягивающих усилий достигает 45 тс при отверстии 3,0 мм;
– значение сжимающих усилий в зависимости от диаметра отверстий изменяется в диапазоне от 120 тс до 90 тс.
– зависимость изменения ПДУ от диаметра отверстия наполнения ТЦ имеет устойчивый минимум в районе 2,0-2,2 мм.

Для варианта 5:
– при отверстии 1,8 мм появляется небольшой всплеск (до 5 тс) растягивающих усилий;
– для диаметра отверстия 1,9 мм растягивающие усилия приобретают устойчивое проявление (12 тс) в некотором отрезке
времени (1,5 с);
– максимальная величина растягивающих усилий достигает 45 тс при отверстии 3,0 мм, а их проявление наблюдается в диапазоне от 2,8 с до 7,8 с;
– изменение продольных усилий сжатия происходит в диапазоне от 145 тс до 91 тс;
– ПДУ имеют неустойчивый характер изменения, выражающийся в знакопеременных нагрузках, только при отверстии
3,0 мм в диапазоне времени от 7,5 с до 8,0 с, что указывает на большую устойчивость характеристики, чем для несимметричных схем;
– выраженный минимум усилий сжатия наблюдается в районе диаметров отверстий 2,0-2,2мм.

Сравнительная оценка показывает, что с точки зрения уменьшения сжимающих ПДУ наилучшие результаты у схемы с одной точкой разрядки при отверстии диаметром 3,0 мм и симметричной с двумя точками разрядки с отверстием диаметром 1,9 мм.

Главным является тот факт, что для всех рассмотренных схем полученные наименьшие ПДУ практически в 2 раза превышают допускаемые по нормативам значения. Поэтому изменение динамических характеристик за счет варьирования диаметра отверстия наполнения ТЦ не приводит к получению ожидаемого эффекта.

Оценка максимальных ПДУ при изменении конечных давлений в ТЦ и скорости их наполнения


На основании проведенных исследований [1] был сделан вывод, что наиболее эффективной является симметричная схема с двумя точками разрядки, поэтому вариант 2 был взят за основу для дальнейших исследований.

Оценка ПДУ проводилась для отверстия наполнения ТЦ диаметром 1,9 мм, когда получаем наименьшие динамические усилия. Также изменялось максимальное давление в тормозном цилиндре для порожнего режима с 1,4 кгс/см2 до 1,0 кгс/см2. Данная схема была принята для исследований, в которых моделировалось одновременное влияние изменения давления в ТЦ порожнего вагона и диаметра отверстий.

На рисунке 6 представлены гистограммы минимальных продольных усилий при торможении для различных максимальных давлений на порожнем режиме и отверстия наполнения ТЦ диаметром 1,9 мм. Из рисунка видно, что уменьшение максимального давления в ТЦ на порожнем режиме торможения на 0,4 кгс/см2 снижает максимальные ПДУ на 54,9 тс, то есть практически на 67%, что подтверждает высокую чувствительность ПДУ к изменению максимального давления на порожнем режиме.

Выводы


Комплексные мероприятия по уменьшению ПДУ дают определенный эффект. Имеет место высокая чувствительность ПДУ к изменению максимального давления на порожнем режиме.

Уменьшение максимального давления в ТЦ на порожнем режиме торможения на 0,4 кгс/см2 снижает максимальные ПДУ на 54,9 тс, то есть практически на 67%.

Наилучшие результаты получены для разрядки по симметричной двухточечной схеме (вариант 2) с максимальным давлением в ТЦ на порожнем режиме 1,0 кгс/см2 и с отверстием наполнения ТЦ на среднем режиме диаметром 1,9 мм. При таких характеристиках воздухораспределителя максимальное продольное усилие составляет 37,8 тс. В результате исследований теоретически найден диаметр отверстия, через которое происходит наполнение ТЦ, позволяющее максимально сократить продольные усилия в грузовом поезде.





Вернуться в Архив новостей