Снижение уровня крутильных колебаний валопроводов силовых трансмиссий универсальных тягово-энергетических модулей

Из-за постоянного недофинансирования железнодорожного транспорта в 90-х годах на замену выбывающих основных фондов потребуется около 185 миллиардов рублей, которые нужно инвестировать в локомотивное хозяйство. Если этого не сделать, то к 2005 году 51 процент локомотивов превысит нормативный срок службы. 1].

Проблема модернизации локомотивного парка должна решаться созданием универсальных и надежных конструкций локомотивов. Для парка маневровых и промышленных тепловозов, который не уступает по численности магистральным тепловозам, один из перспективных путей является выпуск универсальных тяговых модулей (УТМ), мощностью 400 — 800 кВт и более[2]. Они предназначены для маневрово-вывозных работ, транспортирования и энергообеспечения путевых машин. Выпуск универсальных тяговых модулей организован на локомотивостроительных и заводах тяжелой путевой техники.

Актуальность исследования. Универсальные тяговые модули (УТМ) предназначены для: маневровых и вывозных работ на железнодорожных станциях и железнодорожных путях промышленных предприятий на маневровом режиме работытранспортирования составов со скоростями до 80 км/час на поездном режиме работыперемещения тяжелых несамоходных путевых машин со сверхнизкими длительными скоростями движения, от 50 метров в час до 1,5 км/час и одновременной выработки электрической, гидравлической или пневматической энергии для них.

По техническим и эксплуатационным условиям работы УТМ обладает следующими свойствами: имеет сравнительно небольшую неподрессоренную массу колесно-моторного блокапроходит кривые малого радиуса за счет малой базы тележекимеет повышенный коэффициент тяги.

Тепловозы с такими характеристиками являются весьма перспективными для железных дорог России, а их применение на железнодорожных путях промышленных предприятий, строительстве и ремонте железных дорог совместно с тяжелыми путевыми машинами позволяет значительно повысить коэффициент использования локомотивов.

Целью диссертационной работы — является разработка методики расчета силовой трансмиссии универсального тягового модуля с учетом динамических нагрузок в зависимости от режимов эксплуатации этого s локомотива. Для достижения этой цели в диссертационной работе решаются следующие задачи: определение параметров возмущений, действующих в валопроводе силовой трансмиссиианализ уровня динамических нагрузок, возникающих в элементах силовой трансмиссии и разработка путей их снижения с использованием математических моделейэкспериментальное исследование динамической нагруженности валопровода силовой трансмиссииразработка рекомендаций по увеличению ее надежностиопределение экономической эффективности, разработанной методики расчета динамических нагрузок в силовой трансмиссии универсального тягового модуля, при ее модернизации.

Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с использованием методов математического моделирования динамических нагрузок, возникающих в валопроводе силовой трансмиссии. Для этого использовались результаты экспериментальных и аналитических исследований, выполненных автором по определению моментов инерции и жесткости деталей силовой трансмиссии, возмущающих и силовых параметров, действующих на нее, а также характерные эксплуатационные режимы работы УТМ.

При реализации разработанных математических моделей на ЭВМ, определены величины динамических нагрузок в деталях силовой трансмиссии на различных режимах эксплуатации тягового модуля. Характер полученных зависимостей динамических моментов в элементах валопровода трансмиссии в зависимости от режимов работы УТМ, подтвержден экспериментальными исследованиями.

Научная новизна. Разработана научно-обоснованная методика определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой трансмиссии универсального локомотива в зависимости от условий его эксплуатации. Созданная методика определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в валопроводе силовой трансмиссии позволила найти эффективные пути снижения повышенных амплитуд крутильных колебаний в валопроводе этой передачи с учетом конструктивных, эксплуатационных и экономических факторов, заключающиеся в замене приводного карданного вала на упругую муфту.

Практическая ценность. Использование, разработанной в диссертационной работе методики определения и прогнозирования величин динамических нагрузок в силовой трансмиссии, на локомотивостроительных заводах, дает возможность научно обоснованно уменьшить динамические нагрузки в этой передаче более чем в три раза, что повышает ее долговечность в эксплуатации не менее 8 раз. Это заметно снижает затраты на ремонтно-восстановительные работы силового привода локомотивов и позволяет получить прибыль от использования модернизированного УТМ при работе со щебнеочистительным комплексом уже в первом году эксплуатации до 50 миллионов рублей.

Разработанная методика прогнозирования величины динамических нагрузок в трансмиссии новых тепловозов позволяет найти экономически обоснованные пути снижения повышенных динамических моментов уже в конструкторских бюро, занимающихся проектированием и модернизацией тяговых приводов универсальных маневровых и промышленных тепловозов.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, приведенные в диссертации, уже использованы при создании новых конструкций универсальных тяговых модулей, изготовляемых на Калужском заводе «Ремпутьмаш» филиале ОАО «РЖД», Людиновском и Камбарском тепловозостроительных заводах, Калужском заводе «Путьмаш».

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены, обсуждены и одобрены: первой и второй научно-практической конференциях Министерства путей сообщения РФ., Департамент пути и сооружений., ГУП Калужский з-д «Ремпутьмаш», 2001 и 2002 годах, заседанием кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» РГОТУПС, Техническим советом ВНИТИ в 2004 г. Публикации. По результатам исследований опубликовано семь печатных работ.

Структура диссертации. В первом разделе в соответствии с целью работы проведен краткий обзор литературных данных, посвященных анализу конструкций существующих приводов колесных пар локомотивов, наиболее приемлемых для маневровых и промышленных тепловозов, а также универсальных тяговых модулей. Этот анализ показал, что одним из перспективных приводов является карданный привод колесных пар с электрической тяговой передачей мощности в особенности для тягово-энергетических модулей и маневрово-промышленных тепловозов промышленного транспорта. Однако, в отечественной и зарубежной научно-технической литературе нет данных по силовым карданным приводам, применяемым на тягово-энергетических модулях, не исследованы динамические нагрузки, возникающие в них при различных режимах эксплуатации и различных вариантах отбора мощности.

Во второй главе на основе уравнений Лагранжа второго рода разработана математическая модель карданного привода тягово-энергетической модуля, как многомассовой разветвленной механической системы. Получены зависимости возмущений, воздействующие на трансмиссию, а также значения ее жесткостных и инерционных параметров и основные характеристики силового и вспомогательного оборудования тягово-энергетической модуля. При помощи универсальной системы MathCAD разработана методика, позволяющая моделировать динамические процессы, происходящие в карданном тяговом приводе энергетической модуля.

В третьем разделе представлены результаты расчетов динамических, нагрузок в карданном тяговом приводе энергетической модуля их анализ и предложения по их снижению. Определен срок службы силового карданного привода тягово-энергетического модуля.

В четвертом разделе приведена программа и методика экспериментальных исследований опытной конструкции карданного привода, представлены результаты экспериментов и их сравнительный анализ, а также данные опытной эксплуатации модернизированного привода.

В пятой главе представлены результаты экономических исследований эффективности научных разработок автора, с учетом современных рыночных отношений в промышленности.

В заключении работы приведены основные выводы и предложения по работе, список научных трудов и приложения.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Основным показателем, определяющим долговечность силовой трансмиссии локомотивов, является величина динамических нагрузок, действующих на ее валопровод, которые необходимо учитывать при проектировании подобных передач мощности.

2. Установлено, что на величины значений резонансных зон силовой трансмиссии влияют инерционные и жесткостные параметры трансмиссии и кинематические возмущения, зависящие от углов излома шарниров карданной передачи. Для не модернизированной трансмиссии установлено, что частоты вращения 762 и 1745 об/мин (79 и 183 рад/с) являются резонансными, они попадают в рабочий диапазон угловых скоростей работы дизеля, а одна из них близка к его постоянной частоте вращения. Это приводит к появлению двух зон повышенных значений динамического момента в валопроводе силового привода УТМ, что ограничивает его моторесурс до 30 часов эксплуатационной работы.

3. Расчеты показывают, что практически на всех эксплуатационных режимах работы УТМ динамические нагрузки в валопроводе силовой трансмиссии превышают предельные более чем в три раза, а это значительно снижает ее долговечность.

4. Разработанная научно-обоснованная методика определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой трансмиссии универсального локомотива, позволяет найти рациональные пути снижения высоких динамических нагрузок в силовом карданном приводе с наименьшими экономическими затратами, а именно: подобрать оптимальные параметры упругой муфты в валопроводе силовой трансмиссиивывести одну резонансную частоту из диапазона рабочих частот вращения дизеля и отдалить ее от постоянной частоты вращения дизеляснизить динамические нагрузки в валопроводе силовой трансмиссии более чем в три раза, что позволило увеличить ее долговечность в 6 раз по сравнению с не модернизированным вариантом.

5. Применение методики определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой трансмиссии универсального локомотива в зависимости от условий его эксплуатации позволяет получить прибыль от эксплуатации модернизированного УТМ только на ремонтных путевых работах, уже в первом году его эксплуатации до 50 миллионов рублей.

Основные выводы по работе.

1. Основным показателем, определяющим долговечность силовой трансмиссии локомотивов, является величина динамических нагрузок, действующих на ее валопровод, которые необходимо учитывать при проектировании подобных передач мощности.

2. Установлено, что на величины значений резонансных зон силовой трансмиссии влияют инерционные и жесткостные параметры трансмиссии и кинематические возмущения, зависящие от углов излома шарниров карданной передачи. Для не модернизированной трансмиссии установлено, что частоты вращения 762 и 1745 об/мин (79 и 183 рад/с) являются резонансными, они попадают в рабочий диапазон угловых скоростей работы дизеля, а одна из них близка к его постоянной частоте вращения. Это приводит к появлению двух зон повышенных значений динамического момента в валопроводе силового привода УТМ, что ограничивает его моторесурс до 30 часов эксплуатационной работы.

3. Расчеты показывают, что практически на всех эксплуатационных режимах работы УТМ динамические нагрузки в валопроводе силовой трансмиссии превышают предельные более чем в три раза, а это значительно снижает ее долговечность.

4. Разработанная научно-обоснованная методика определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой трансмиссии универсального локомотива, позволяет найти рациональные пути снижения высоких динамических нагрузок в силовом карданном приводе с наименьшими экономическими затратами, а именно: подобрать оптимальные параметры упругой муфты в валопроводе силовой трансмиссиивывести одну резонансную частоту из диапазона рабочих частот вращения дизеля и отдалить ее от постоянной частоты вращения дизеляснизить динамические нагрузки в валопроводе силовой трансмиссии более чем в три раза, что позволило увеличить ее долговечность в 6 раз по сравнению с не модернизированным вариантом.

5. Применение методики определения и прогнозирования величины динамических нагрузок в новой трансмиссии универсального локомотива в зависимости от условий его эксплуатации позволяет получить прибыль от эксплуатации модернизированного УТМ только на ремонтных путевых работах, уже в первом году его эксплуатации до 50 миллионов рублей.