Влияние изменения сопротивления дросселей на демпфирующие свойства гидромеханических амортизаторов транспортных средств

Одним из необходимых условий инновационного развития российской экономики является опережающее совершенствование транспортной инфраструктуры. В настоящее время готовится целевая федеральная программа «Развитие транспортной системы Российской Федерации 2010— 2015 гг.», в которой акценты делаются не только на строительство и модернизацию автомобильных и железных дорог, но и на обновление и расширение парка всех видов транспортных средств. При этом особое место занимает техническое перевооружение транспорта за счет изделий отечественного производства. Это связано не только с экономической составляющей развития, но и одновременным решением проблем обороны и безопасности, обеспечением технологической безопасности государства.

Отдельно следует выделить потребность в качественном повышении конкурентоспособности российской транспортной системы за счет создания трансконтинентальных железнодорожных и автомобильных путей сообщения, соединяющих не только Европу с Азией, но и Америкой. В этом случае Россия, образно говоря, выходит из исторического застойного угла на столбовую дорогу развития современной цивилизации. Строительство новых современных дорог позволит значительно повысить скорость товародвижения и уменьшить транспортную составляющую в цене продукции. Параллельно могут быть решены вопросы координации работы всех видов транспорта, значительно усилена экономическая составляющая, внедрены инновационные технологии, созданы современные и перспективные типы автомобилей, вагонов, локомотивов и других средств наземного, водного и воздушного транспорта.

Учитывая долгосрочность перспектив строительства хороших дорог на огромной территории страны, а также насущную потребность решения транспортных проблем на малонаселенных территориях Сибири, Севера и Дальнего Востока, значительное внимание сегодня уделяется созданию машин имеющих высокую надёжность, значительную грузоподъемность и грузовместимость, соответствующую экологичность и экономичность в условиях эксплуатации и т. д.

Железнодорожный транспорт занимает особое место в развитии инфраструктуры государства и развития её экономики. Половина всего грузооборота приходится на этот вид транспорта. В настоящее время во всем мире происходит радикальное изменение возможностей железнодорожной системы сообщений, как за счет строительства скоростных монорельсовых путей, так и совершенствованием магистральных локомотивов и вагонов. Принципиально новое техническое решение в (создании) проектировании отдельных элементов и систем составляют интеллектуальную основу создания транспортных средств будущего.

Статистика свидетельствует, что около 90% грузовых и пассажирских перевозок осуществляется автомобильным и железнодорожным транспортом. При этом и поезда, и большегрузные автомобили являются прицепными транспортными средствами, среди огромного многообразия изделий, имеют ряд общих структурно-функциональных свойств, главными их которых является наличие гидравлических гасителей колебаний, устанавливаемых в рессорные комплекты, а также другие виды устройств подобного рода, направленных на повышение плавности хода и улучшение динамики рельсовых и безрельсовых транспортных средств.

Работа выполнялась на базе Орловского государственного технического университета и Елецкого государственного университета им. И. А. Бунина по бюджетной теме «Динамика, прочность и надежность транспортных, строительно-дорожных, сельскохозяйственных машин, а также промышленного стандартного и нестандартного оборудования применительно к Черноземному региону РФ».

Актуальность темы

.

Рост скоростей движения, потребность в повышении надежности и комфортности транспортных средств требуют дальнейшего совершенствования элементной базы. В значительной степени это относится к устройствам системы подвески, в частности, гасителям колебаний.

В настоящее время в подвеске транспортных средств наибольшее распространение получили нерегулируемые гидравлические амортизаторы. Принцип действия их заключается в последовательном перемещении вязкой жидкости поршнем через дроссельные каналы с большим гидравлическим сопротивлением, в результате чего происходит диссипация механической энергии с последующим её рассеиванием в окружающую среду. Несмотря на свою эффективность, такие гасители обладают рядом недостатков, наиболее существенные из которых являются сложность конструкции, обусловленную наличием клапанных устройств, а также невозможность в автоматическом режиме изменять параметры демпфирования в зависимости от режима работы. Весьма перспективным является применение гасителей колебаний с переменным уровнем демпфирования, что особенно актуально для элементов подвески автомобилей, локомотивов и вагонов. В рамках выполнения данной работы был предложен ряд технических решений гидромеханических демпферов поршневого типа, в которых обеспечивается переменный уровень диссипации энергии колебаний в результате изменения поперечного сечения дросселей вследствие угловых перемещений штоков, связанных с элементами составного поршня. Речь идет о разработке принципиально новых устройств адаптивного типа, в которых может быть реализована заданная функция изменения коэффициента демпфирования.

Можно констатировать отсутствие теоретических и экспериментальных исследований в этой области, что во многом определяет актуальность данной работы. Приоритетность исследований в данной области подтверждается соответствием её содержания проблемным темам Плана НИР и ОКР ОАО «РЖД» на 2006 г. (раздел 6 — «Программа скоростного и высокоскоростного движения», раздел 7 — «Программа локомотивного хозяйства» и раздел 8 — «Программа вагонного хозяйства»), а также договорами о творческом содружестве на период 2005;2010 г. г. ЕГУ им И. А. Бунина с Управлением ЮВЖД филиала ОАО «РЖД» на тему «Разработка рекомендаций по повышению качества эксплуатационной работы, а также надёжности и экономичности использования подвижного состава в грузовом и пассажирском движении на Юго-Восточной железной дороге» и Елецким отделением ЮВЖД на тему «Разработка практических рекомендаций по повышению надёжности, технико-экономических и эксплуатационных показателей подвижного состава и другого стандартного и нестандартного оборудования используемого на предприятиях Елецкого отделения ЮВЖД».

Цель и задачи исследования

.

Цель работы заключается в выявлении закономерностей работы нового типа демпфирующего устройства, в котором диссипация энергии колебаний происходит за счёт комбинации гидравлических эффектов и упругих угловых перемещений штоковразработке инструментария проектирования, включающего математическую и программную модели, а также методику расчета гидромеханических гасителей колебаний с переменным демпфированием.

Достижение цели предполагало решение следующих задач:

1. Проведение сравнительного анализа существующих демпфирующих устройств транспортных средств и обоснование необходимости использования разработанных на уровне изобретений перспективных технических решений.

2. Разработка обобщенной математической модели и программы расчета характеристик гидромеханического демпфера с составным поршнем, снабжённым «Г"-образной формы каналами и упругими аксиально расположенными штоками.

3. Выполнение комплекса теоретических и экспериментальных исследований по оценке влияния изменения гидравлического сопротивления дросселей вследствие угловых перемещений штоков и турбулентных течений рабочей жидкости на диссипативные свойства гидромеханического демпфера.

4. Согласование динамических качеств разработанных гидромеханических демпферов транспортных средств с установленными значениями величин вертикальных и горизонтальных ускорений кузова и показателя плавности хода. Сравнение указанных параметров с нормативными значениями, используемыми в международной практике локомотиво-, вагонои автомобилестроения;

5. Обобщение и дополнение конструкторско-технологических и эксплуатационных принципов обеспечения работоспособности и надёжности деталей и узлов гидромеханических демпферов поршневого типа в условиях широкого варьирования амплитудно-частотного спектра воспринимаемых колебаний от динамического воздействия со стороны неподрессоренных масс транспортных средств;

6. Разработка методики практического расчёта перспективных саморегулируемых гасителей колебаний применительно к соответствующим типам железнодорожного и автомобильного транспорта.

7. Проведение систематизации демпфирующих устройств с учетом появления нового класса гидромеханических демпферов поршневого типа с изменяемым уровнем диссипации энергии колебаний.

Научная новизна диссертационной работы заключается в выявлении закономерностей функционирования и разработке инструментария проектирования, включающего математическую и программные модели, нового типа гидромеханического амортизатора транспортных средств, в котором рассеяние энергии колебаний имеет переменный характер в результате изменения гидравлических сопротивлений при угловых перемещениях стержневых элементов.

Научные положения, выносимые на защиту:

По специальности 01.02.06 — Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры:

1. Разработана математическая модель гидромеханического амортизатора, в котором диссипация энергии колебаний имеет переменный характер и происходит за счёт комбинации гидравлических эффектов в каналах с изменяемым гидравлическим сопротивлением и угловых перемещений штоков, основанная на совместном решении уравнений теории колебаний, гидромеханики и теории упругости, позволяющая определить коэффициенты демпфирования, а также установить силовое нагружение элементов конструкций гасителей колебаний.

2. На основании формулы Блазиуса получено расчётное соотношение для определения коэффициента демпфирования гидромеханического амортизатора поршневого типа с переменным уровнем диссипации энергии колебаний, отличающееся возможностью учета влияния турбулентности течения потока жидкости в дроссельном канале, гидравлических потерь местных сопротивлений, а также изменения поперечного сечения канала.

3. Получены закономерности влияния геометрических, упругих, силовых и термодинамических характеристик, а именно, диаметров дросселей и поршня, жесткости штоков, вязкости рабочей жидкости, гидравлических сопротивлений, факторов силового и кинематического возбуждения на динамические свойства гидромеханических амортизаторов транспортных средств.

По специальности 05.02.02 — Машиноведение, системы приводов и детали машин.

4. Предложена расширенная классификация демпфирующих устройств, отличающаяся присутствием нового класса гидромеханических демпферов поршневого типа с изменяемым уровнем диссипации энергии колебаний, основанная на комплексе новых технических решений, в которых переменные демпфирующие свойства обеспечиваются изменением гидравлических сопротивлений в результате упругих угловых смещений штоков под действием гидродинамических сил.

5. Разработана методика и программа расчета гидромеханических амортизаторов поршневого типа с переменным уровнем демпфирования, позволяющая определить рациональные геометрические и рабочие параметры, удовлетворяющие требуемым характеристикам транспортных средств.

Методы и средства исследования. Теоретические зависимости, используемые в математической модели гидромеханического амортизатора, базируются на фундаментальных законах, определяющих физические процессы сохранения, превращения и взаимосвязи.

При выполнении работы использован метод системного анализа, математического моделирования и взаимного влияния кинематических и динамических параметров гидромеханического амортизатора, численные методы, в том числе аппарат дифференциальных и алгебраических уравнений с применением традиционных способов их решения на базе разработанных алгоритмов, компьютерной программы и базы данных.

Достоверность результатов обеспечена корректностью постановки задач исследования, обоснованностью используемых теоретических построений, принятых допущений, применением апробированных аналитических и численных методов анализа, а также подтверждена качественным и количественным согласованием полученных результатов с собственными аналитическими и экспериментальными данными, в том числе полученными другими исследователями, и возможным внедрением в практику структурами ОАО «РЖД» и промышленными предприятиями автомобилестроения.

Практическая ценность.

1. Проведённая общая оценка известных мировой практике гидравлических демпферов и обоснование конструктивных особенностей предложенных технических решений, способных в автоматическом режиме регулировать силы сопротивления при прямом и обратном ходе поршня позволяют выполнить:

— качественное ознакомление с результатами систематизации известных технических решений в области повышения плавности хода рельсовых и безрельсовых транспортных средств, примерами их конструктивного исполнения и рациональный выбор конструктивной схемы разрабатываемого гидравлического гасителя колебаний с соответствующим упрощением конструкции, снижением финансовых и временных затрат на его проектирование, доводку выходных параметров и эксплуатациюустановление конструкционных недостатков существующих гидравлических демпфирующих устройств, препятствующих ограничению амплитуд основных видов вынужденных колебаний, вызывающих перемещения кузовов экипажей и с использованием предложений, представленных патентных разработок повысить плавность хода их с более низким порогом динамического нагружения конструкционных элементов подобного класса машин.

2. Систематизированы в единый комплекс: методика оценки нагруженности штоков демпфера, имеющих сплошное круглое и полое кольцевое сечения, а также деталей сопряжения их с половинами поршняаналитические соотношения для оценки динамических нагрузок, воздействующих на систему «колесо — демпфер — кузов» для их сопоставления с ожидаемыми при варьировании конструктивными характеристиками гидромеханического демпферанаучно обоснованные рекомендации по расширению воспринимаемых частот колебаний экипажа гидромеханическим демпфером при движении транспортных средств со скоростями более 150 км/ч, исключая резонансные явления в системе «колесо — демпфер — кузов"-наборы расчётных соотношений, необходимых для оценки кинематических и геометрических параметров гидромеханических демпферов, предназначенных для различных моделей подвижного состава.

Указанный комплекс обеспечивает несущую и качественную способность гидромеханического демпфера за счёт распределения сил сопротивления между перемещаемой поршнем вязкой рабочей жидкостью и упругими угловыми деформациями сплошного и полого штоков с соответствующим рассеиванием энергии в окружающую среду.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы внедрены и используются службами ЮВЖД при разработке конструкторской документации при создании новых поколений локомотивов и вагонов, (акт внедрения прилагается).

В настоящее время проводится НИР совместно с Институтом транспортной техники и организации производства Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ), тематика которой направлена на совершенствование конструкций рессорного подвешивания рельсовых транспортных средств, промежуточные результаты исследования в виде экспресс-отчетов депонированы во ВИНИТИ 2008;2009 г. г.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на научно-технических и научно-практических конференциях различного уровня: Ежегодная научно-практическая конференция преподавателей, докторантов, аспирантов, студентов. (Елец 2003 г.) — Школа молодых учёных области. «Актуальные проблемы технических наук и их преподавание» (Липецк, 2005) — Первая межрегиональная конференция Липецкого регионального отделения Российского союза молодых учёных. «Молодёжь в науке: проблемы и перспективы» (Липецк, 2006) — 2-я Всероссийская научно техническая конференция «Состояние и перспективы развития сервиса» (Самара, 2006) — 3-й международный симпозиум «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (Орел, 2006) — Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения. Основы проектирования и Детали машин — 21 век».

Орёл, 2007) — Липецкий областной профильный семинар «Школа молодых ученых» по проблемам технических наук (Липецк, 2008) — Областная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы технических наук» (Липецк, 2009).

Работа была заслушана, одобрена и рекомендована к защите на заседании кафедры теоретической механики и мехатроники Курского государственного технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных трудов, включая 6 статей в научных сборниках и журналах и 7 патентов РФ на изобретения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований решена научно-техническая задача по разработке методов расчета и принципов проектирования гидромеханических гасителей колебаний, устанавливаемых в подвесках транспортных средств, и установлена конкретная область их использования на современных транспортных машинах. Такое направление позволило получить следующие научные результаты:

1. Разработана обобщенная математическая модель гидромеханического демпфера с составным поршнем, снабжённым «Г"-образной формы каналами и упругими аксиально расположенными штоками, позволяющими обеспечивать требуемый уровень диссипации.

2. Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по оценке влияния изменения гидравлического сопротивления дросселей вследствие угловых перемещений штоков на диссипативные свойства гидромеханического демпфера.

3. Предложены и обоснованы способы регулирования и управления переходными процессами при рассеивании механической энергии упругими штоками, осуществляемыми в автоматических режимах их нагружения.

4. Разработаны расчетные схемы по изучению силового нагружения и колебаний предложенной перспективной конструкции гидромеханического демпфера и методики, позволяющие па современных подходах создания математических моделей провести аналитические исследования с обоснованием рациональных геометрических и кинематических параметров. Результаты расчетов показали, что эффективность демпфирования колебаний транспортных машин достигается за счет комплекса действующих сил сопротивления, возникающих в процессе поступательного движения поршня и угловых поворотов упругих штоков сплошного и полого сечений, способствующих созданию механических и гидравлических составляющих сил сопротивления их движению.

5. На основании проведенных аналитических исследований с целью упрощения расчетов вышеуказанных параметров демпферов для различного типа транспортных машин, а также анализа полученных результатов на первом этапе проектирования гасителей, разработан алгоритм для ЭВМ, созданный на базе пакета прикладных программ «MathCAD».

6. Разработаны макетные образцы предложенных гидромеханических гасителей колебаний применительно к моделям отечественных автомобилей УАЗ 451 М, ЗИЛ-131 В и пассажирскому цельнометаллическому купированному вагону длиной 24,6 м и проведена серия сравнительных их испытаний в стендовых условиях с существующими конструкциями гасителей, широко используемых в практике.

7. Анализ проведенных аналитических и экспериментальных исследований показал удовлетворительную сходимость полученных результатов. Причем % ошибки в среднем составляет (15−18%).

8. Расчетно-эксперимептальные исследования позволили подтвердить корректность полученных результатов, сформулированной математической модели и, в частности установить, что последняя в достаточной степени отвечает реальным конструкциям демпферов, устанавливаемых в рессорное подвешивание различных транспортных машин, и позволяет дать оценку таким техническим решениям при синтезе основных конструкционных их элементов, как на стадии проектирования, так и конструирования.

9. Полученные результаты исследования процессов, протекающих в структуре взаимодействия деталей демпфирующего устройства, позволяют разрабатывать подобные конструкции не только для рельсовых и безрельсовых транспортных средств, но и для других устройств, используемых, например, в летательных аппаратах, а также в различном промышленном стандартном и нестандартном оборудовании. Это дает возможность проектировать узлы и агрегаты различных технических средств, использующих гидромеханические гасители колебаний с заранее заданными функциональными свойствами.

10. Разработан комплекс научно-обоснованных, взаимосвязанных рекомендаций и принципов проектирования гидравлических гасителей колебаний с выдачей практических рекомендаций, которые переданы службе технической политики управления ЮВЖД ОАО «РЖД» с целью возможности создания опытных конструкций предложенных гасителей для современного железнодорожного подвижного состава и ВСНТ, а также испытания их в стендовых и эксплуатационных условиях. Акт передачи результатов исследований передан заказчику совместно с экспресс отчетом по данной тематике.

11. Предложена расширенная классификация демпфирующих устройств, отличающаяся присутствием нового класса демпферов поршневого типа с переменными свойствами.