При повышении скоростей движения, осевых нагрузок и жесткости пути исследования вибросостояния узлов экипажной части необходимы при возможно более широком спектре возмущений, и использование упрощенной математической модели колесо-рельс становится недостаточным. При использовании математической модели системы колесная пара-путь с учетом упругости элементов колесной пары (диски, шейки оси) можно выявить высокочастотные процессы при взаимодействии необрессоренной колесной пары и пути. Так, по экспериментальным данным, при прохождении ползуна возникает удар по рельсу, а при определенных скоростях и отрыв колеса от рельса. Ускорения на буксах вагонов при этом достигают 50-60^ с частотой до 1000 Гц.
Таким образом, наблюдается непрерывный спектр частот колебаний, зависящих от упруго-диссипативных свойств верхнего строения пути. Это свидетельствует о существенном влиянии пути на колебательный процесс экипажа.
В настоящее время прослеживаются две тенденции в развитии исследований по динамике подвижного состава’. Во-первых, отход от простейших математических моделей и расчет сложных многомассовых систем с нелинейными характеристиками, более полный учет всех пространственных связей тепловоза и пути с помощью ЭВМ. Во-вторых, учет характеристик пути как одного из важнейших факторов, формирующих математическую модель экипажа и рассмотрение единой динамической системы тепловоз — путь — основание.
Применяют в основном две модели пути: дискретную, по которой характеристики пути учитываются в виде приведенных к колесу сосредоточенных масс, упругости и демпфирования: континуальную, по которой путь моделируется балкой на сплошном упругом основании с распределенными массой и силой трения. Верхнее строение пути рассчитывают как балку бесконечной длины на сплошном упругом основании, поэтому и в динамических расчетах показателей качества экипажных частей тепловозов при учете пути в виде континуальной модели представляется возможным выявить важные особенности колебательного процесса системы тепловоз — путь по сравнению с дискретной моделью и получить результаты, соответствующие реальным условиям взаимодействия тепловоза и пути.
Сопоставим динамические характеристики КМБ с опорно-центровым подвешиванием при учете характеристик пути в виде двух моделей. При учете характеристик пути в виде дискретной модели получены следующие частоты собственных и парциальных колебаний системы в Гц.
Собственная частота…….. 1,24 6,22 11,9 21,6 31,36
Парциальная частота……….. 1,3 6,66 9,75 16,3 30,8
Рис. 20. Амплитудно-частотные характеристики перемещений тепловоза 2ТЭ116 с опорно-центровым подвешиванием при различных моделях пути: а — кузова; б — колесной пары; ¦- -дискретная модель пути,—континуаль ная модель пути
Указанные частоты собственных колебаний найдены для колебательной системы с пятью степенями свободы при учете основных характеристик пути (жесткости, массы, демпфирования) в виде сосредоточенных параметров. В колебательной системе с учетом пути в виде континуальной модели к частотам колебаний, зависящим от сосредоточенных масс, прибавятся частоты, обусловленные наличием распределенных параметров. Влияние характеристик пути на колебательный процесс можно проследить по изменению частот собственных колебаний и сопоставлению АЧХ.
Как видно из рис. 20, а, на котором приведены амплитудно-частотные характеристики колебаний кузова, на частотах 1,24; 6 и 12 Гц имеют место резонансные режимы. При более высоких ча стотах возбуждающих воздействий амплитуды колебаний кузова не возрастают. Для АЧХ кузова результаты расчетов, при дискретной и континуальной моделях пути совпадают. Таким образом, при исследовании низкочастотных колебаний надрессорного строения выбор модели пути для расчетов не имеет существенного значения, и можно использовать обычные расчетные схемы.
По АЧХ 1 крутильных колебаний полого вала и динамическим усилиям в зубьях передачи прослеживаются второй, третий и четвертый резонансные режимы. Характер колебаний на втором и третьем резонансе не зависит от модели пути; на четвертом резонансе характеристика модели пути оказывает заметное влияние: при континуальной модели пути частота колебаний возрастает с 21,6 до 26,7 Гц, а максимум АЧХ снижается в 1,6 раза.
Более заметна взаимосвязь характеристик пути и АЧХ колебаний колесной пары (рис. 20,6). При континуальной модели основания пути четвертый резонанс, так же как и для полого вала, имеет место при частоте 26,7 Гц, однако амплитуда на этой частоте меньше в 2 раза. Пятый резонансный режим, зависящий в Основном от упругости основания, при дискретной модели имеет место при частоте 31,3 Гц и значительно увеличивает динамическое воздействие на путь. При континуальной модели пути резонансные колебания на частоте более 30 Гц не наблюдаются. В этом случае на частоте до 7-10 Гц резонансы АЧХ прогиба рельса и перемещения колеса от действия силы в контакте колеса с рельсом совпадают. Определено влияние учета массы пути как сосредоточенной (приведенной по Релею) или как распределенной на низшую собственную частоту колебаний колесной пары на упругом пути. В первом случае квадрат угловой частоты
во втором случае
coo = U/m0.
Отсюда видно, что при использовании дискретной модели пути расчетная собственная частота колебаний системы получается на 10-12 % выше, чем при континуальной модели. В расчетах, когда требуется количественная оценка выходных параметров, более правильным является учет распределенной массы пути.
На основании проведенных сравнений можно сделать вывод о том, что в расчетах динамического воздействия на путь от колебаний необрессоренных частей колесных пар верхнее строение пути должно учитываться в виде континуальной модели при прохождении плавных неровностей и в виде дискретной для случаев ударного взаимодействия колеса с рельсом. При исследовании колебаний обрессоренных частей экипажа модель верхнего строения пути не оказывает заметного влияния.
Согласно результатам сопоставления экспериментальных данных по воздействию на путь с расчетными по действующей мето дике, а также при учете пути в виде континуальной модели в первом случае расхождение расчетных данных и опытных достигает 29,6%, во втором — до 16,7%. Это подтверждает необходимость совершенствования методики расчета динамических характеристик тепловозов.
Метод расчета АЧХ колебательной системы, состоящей из двух подсистем: с распределенными (верхнее строение пути) и сосредоточенными параметрами (экипаж), — позволяет осуществить исследование двух систем с распределенными параметрами (путь и колесная пара). При этом методы исследования каждой системы могут быть различными: для колесной пары используется теория поперечных колебаний балок конечной длины, для пути — уравнения колебаний балки на сплошном упругом основании.
⇐Колебания тягового привода с учетом упругости колесной пары | Экипажные части тепловозов | Влияние конструкции колесно-моторного блока на динамические качества тепловоза⇒