Что такое собственные колебания вагона

Виды колебания кузова вагона

Во время движения по рельсовому пути кузов вагона испытывает сложные колебательные движения. Эти колебания возбуждаются динамическими усилиями и обусловливаются неровностями пути, наличием зазоров на стыковых рельсовых соединениях, коничностью поверхности катания колесных пар, а также наличием неровностей на этой поверхности, непостоянством физических свойств материалов пути и колесных пар, типом рессорного подвешивания, изменением скорости вагона и друрими.

Рессорное подвешивание и гасители колебаний, применяемые в вагонах, уменьшают влияние динамических усилий и обеспечивают более плавное движение вагона. Однако действие этих усилий (вертикальных, поперечных и продольных) настолько существенно, что обрессоренные массы вагонов приходят в колебательное состояние.

При изучении колебаний кузова вагона он рассматривается в пространственной системе координат (рис. 1, а) как твердое тело. Под влиянием действующих на вагон сил могут возникать следующие виды главных колебаний.

Рис. 1 – Главные виды колебаний

Подпрыгивание, когда обрессоренные части вагона перемещаются вверх и вниз параллельно первоначальному положению по оси z–z на величину ±z (рис. 1, б), возникает под действием вертикальных динамических сил, вызывающих одинаковые ускорения по концам кузова.

Продольная качка или галопирование – обрессоренные части вагона совершают вращательное движение относительно оси у–у на некоторый угол ±θ (рис. 1, в) – возникает от ударов колес на стыках, наличия выбоин на одной колесной паре или от неуравновешенности кузова. Галопирование вагона обычно возникает одновременно с подпрыгиванием.

Колебания поперечного относа – кузов и тележка вагона перемещаются вдоль оси у–у (рис. 1, г). Этот вид колебаний возникает совместно с колебаниями боковой качки (рис. 1, д) под действием горизонтальных боковых сил, параллельных оси.

Виляние, когда кузов вращается вокруг вертикальной оси на некоторый угол ±ψ (рис. 1, е), вызывается коничностью поверхности катания колес, неправильной установкой колесных пар, неодинаковой величиной диаметра колес, извилистостью пути.

Подергивание (рис. 1, ж) – перемещение вагона вдоль оси х–х. Оно появляется при трогании поезда с места, торможении вследствие неуравновешенности поступательно движущихся масс локомотива.

Названные колебания могут проявляться отдельно и совместно с другими видами, поэтому вагон совершает сложное движение. Зная причины появления колебаний и их характер, можно определить условия устойчивого и безопасного движения вагона, подобрать рациональные параметры его рессорного подвешивания и поглощающих аппаратов автосцепного устройства. К динамическим характеристикам вагона относятся периоды различных видов колебаний, коэффициенты динамики и критические скорости. В динамике вагонов различают собственные колебания, которые происходят от начального толчка без воздействия в дальнейшем на надрессорное строение каких-либо внешних сил, и вынужденные колебания, возникающие под влиянием периодически меняющейся силы, которую обычно называют возмущающей.

Частота собственных колебаний υc зависит от массы надрессорных частей вагона и жесткости рессорного подвешивания. Частота вынужденных колебаний υв, равна частоте изменений возмущающей силы.

При равенстве частот υв и υc, т. е. при υв:υc = 1, амплитуда колебаний значительно возрастает, наступает явлениерезонанса колебаний, т. е. совпадение периодов свободных колебаний с периодом проявления возмущающей силы. Явление резонанса колебаний характеризуется большими амплитудами или, если применяются ограничивающие колебания устройства, чрезмерно большими силами.Эти силы и перемещения вызывают повышенный износ, а также поломки деталей вагонов и угрожают безопасности движения. Явление резонанса происходит при определенной скорости, которая называется критической. Для гашения колебаний и предотвращения явлений резонанса предусматривается рессорное подвешивание с необходимой величиной коэффициента относительного трения, при которой обеспечивается условие ненарастания колебаний.

где φ – коэффициент относительного трения в рессорном подвешивании;

fст – статический прогиб рессорного подвешивания;

Источник

Виды колебаний

При расчете колебаний вагонов координаты определяющие положение отдельных тел элементов вагона относят к системе координат х₀, y₀, z₀ с центром О (на оси пути).

Колебания тел поступательные:

По оси х₀ – подергивание;

Повороты тела определяют по отношению к системе координат х₁, y₁, z₁ , связанной с центром масс О₁, неподвижны по отношению к основной инерциальной системе координат.

Углы поворота характеризуют угловые колебания

φ_z – виляние кузова.

Все виды колебаний взаимосвязанные, однако их можно рассматривать и по отдельности, для этого они делятся на три группы:

1. Вертикальные (по осям z и y);

2. Продольные (по оси х);

Установившиеся колебания являются условным видом при условии движения вагона с постоянной скоростью по прямым участкам пути без перелома профиля.

Неустановившиеся колебания возникают в переходных режимах движения:

1. Проход одиночных неровностей пути

2. Вход в кривую и выход из неё

3. Трогание и разгон, изменение скорости движения

4. Переход в переломах профиля.

Возмущения вызывающие колебания:

1. Кинематические – геометрические неровности пути и неровности на поверхности катания колеса.

2. Силовые – вызваны действием приложенных сил.

Выбор параметров рессорного подвешивания и оценку колебаний выполняют с использованием кинематического возмущения.

Силовые возмущения используют для решения задач виброизоляции агрегатов.

Влияние параметрического возмущения проявляется в изменении жесткости пути по его длине.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Собственные и вынужденные колебания вагона. Явление резонанса. Сравнительная оценка собственных частот груженого и порожнего вагона.

Вынужденные колебания— колебания, протекающие в системе под влиянием внешнего периодического воздействия.

Свободные (или собственные)— это колебания в системе под действием внутренних сил после того, как система выведена из состояния равновесия

Наложение колебаний вынужденных на собственные. Источником вынужденных колебаний являются неровности.

Резонанс–совпадение собственных и вынужденных колебаний.

Перечислите основные задачи исследования (изучения) динамической нагруженности вагонов.

1. Изучение процессов движения и колебаний, вызванных взаимодействием вагона и пути. Выбор наилучших параметров подвешивания.

2. Установление условий безопасного движения вагона (мах допустимые скорости, режимов торможения, устойчивость вагона и колес).

3) Определение мер для спокойного хода вагона (комфорт пасс, сохранность груза)

4) Определение продольных усилий при движении вагона в составе при маневровых соударениях.

5) Определение выявления неисправности и несовершенств вагона и пути на их взаимодействие.

Назовите основные этапы расчета кузовов вагонов при использовании методов строительной механики и метода конечных элементов.

Расчет производится по 1 и 3 режиму для грузовых вагонов, 1 – вертикальные нагрузки, 3 самоуравновешивающие нагрузки.

При расчете методом конечно элементного анализа: предпроцессорная обработка (построение объекта проектирование, построение сетки конечных элементов, задание закреплений и нагрузок.

Построцессорная обработка: собственно сам расчет, анализ напряженно деформированного состояния.

Анализ уровень деформации, принятие решения о том, что можно ли запускать чертежи для строительства объекта.

Испытания вагонов и порядок приемки новых конструкций к серийному производству.

Перечислите виды испытаний вагонов. По результатам каких испытаний определяются показатели качества хода вагона. Назовите основные показатели характеризующие качество хода вагона.

Виды испытаний вагонов

– Лабораторные и стендовые испытания;

– Динамические и поездные испытания;

– Динамические испытания вагонов на продольные ударные силы;

– Статические испытания вагонов на прочность;

Динамические (ходовые) испытания вагонов являются одним из основных этапов отработки конструкции вагона и оценки его динамических и прочностных качеств, а также воздействия вагона на железнодорожный путь.

Датчики и измерительная аппаратура, применяемая при испытаниях.

Для измерения деформаций, сил, ускорений, перемещений, давления наиболее часто применяются электрические методы, при которых измеряемая величина преобразуется в пропорциональное изменение соответствующей электрической величины (сила тока, напряжение, частота и т.п.) с помощью проволочных, фольговых или полупроводниковых тензодатчиков или преобразователей.

Основные характеристики тензодатчиков: чувствительность, номинальное сопротивление и база (наиболее распространенная 20мм).

Чувствительность тензодатчика – это отношение относительного измерения сопротивления проводника к его относительному удлинению. При измерениях деформаций и напряжений с помощью тензодатчиков применяется мостовая измерительная схема (мост Уитстона). Давление измеряют месдозой.

Дата добавления: 2018-05-12 ; просмотров: 738 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Колебания вагона на рессорном подвешивании

Колебания вагонов, как известно, возникают потому, что колесные пары при своем движении по рельсам и стрелочным переводам совершают сложные пространственные перемещения и тем самым заставляют колебаться на рессорном подвешивании рамы тележек, раму кузова, кузов и сам путь. Таким образом, колебания вагона начинаются с колесной пары и передаются всем остальным деталям вагона и пути. Поэтому и следует рассмотреть вопрос о том, почему зарождаются колебания колеса.

Рассмотрим, прежде всего, вертикальные колебания одной колесной пары.

Фактическая траектория движения колеса определяется геометрическими формами рельса, в частности, его остаточным изгибом, неровностями на поверхности катания, зазорами между рельсами и шпалами, шпалами и балластом и т.п. Образец фактического продольного профиля пути, снятого весьма точной нивелировкой с определением высот точек на поверхности головки рельса приведен на рис. 1. Однако в системе таких неровностей всегда имеются, так называемые, «единичные» неровности, вызванные такими причинами, как одиночно просевшая шпала, крестовина на стрелочном переводе, пробоксовина (местный износ из-за боксования) на рельсе, зимой местное вспучивание пути (пучинa) и т. п. Кроме того, на пути имеются, так называемые «регулярные» неровности. К ним, прежде всего, относятся неровности, возникающие в рельсовых стыках.

При движении вагона по звеньевому пути, т.е. пути, состоящему из отдельных рельсов, соединенных в стыках накладками, всегда возникают соударения колес с рельсами.

Рассмотрим схематически этот процесс. Из-за того, что изгибная жесткость накладок, соединяющих концы рельсов, меньше изгибной жесткости рельса, прогиб пути в стыке под нагрузкой всегда больше прогиба в средней части рельсового звена. Поэтому, если колесо движется со скоростью v, то оно в последний момент движения по рельсу №1, не доходя до его конца, начинает вращаться вокруг точки А, как вокруг мгновенного центра вращения; при этом вектор скорости v₁ направлен перпендикулярно линии АО (рис.2).

В момент контакта колеса в точке В мгновенный центр вращения сразу же скачком (за время dt) перемещается в точку В и вектор скорости колеса v₂ получает направление, перпендикулярное линии ОВ. Таким образом, колесо мгновенно изменяет скорость с v₁ на v₂, т.е. изменение скорости равно вектору

(1.1)

Если масса колеса равна т, то значит за какой-то отрезок времени dt количество движения колеса изменится на величину .

Из теоретической механики известно, что изменение количества движения тела за время dt равно импульсу сил, сообщенному телу за то же время, т. е.

(1.2)

где S(t) — мгновенный ударный импульс;

Р — сила, возникающая при этом импульсе.

Таким образом, в стыке всегда возникает дополнительная динамическая сила Р, передаваемая и пути и вагону. Для вагона она является источником возникновения колебаний, а для пути — источником повышения просадок шпал в балласте.

В результате возникновения этих просадок продольный профиль пути приобретает вид, показанный на рис. 3.

Совершенно очевидно, что при таком продольном профиле пути колесо вынуждено неравномерно во времени перемещаться в пространстве, что приводит к силам инерции колеса, передаваемым через связи колеса с тележкой другим элементам вагона и пути. Естественно, что это также является одной из причин возникновения колебаний вагонов. К этому следует добавить, что ударные процессы возникают на каждом колесе одной колесной пары не одновременно из-за различного износа стыков, различия в их прогибах и сдвижке стыков друг относительно друга по длине пути.

Траектории движения колес одной колесной пары по просевшим стыкам различны потому, что остаточные просадки разных стыков не одинаковы. Поэтому наряду с вертикальными перемещениями каждого колеса колесная пара из-за различия в этих перемещениях совершает угловые перемещения (рис. 4). Соответствующая неровность рельсового пути носит название «перекос».

Помимо вертикальных неровностей, рельсовый путь также характеризуется горизонтальными неровностями: уширением колеи и отклонением средней линии от оси пути.

Колебания вагона возникают и из-за неравномерного износа поверхности катания колеса (рис. 5) или эксцентричного его положения на оси (рис. 6). В самом деле, при качении изношенного колеса, имеющего различные радиусы качения в разных точках, центр колеса О будет совершать непрерывные колебания, передаваемые кузову вагона. Совершенно аналогичную картину наблюдают и при движении колеса, установленного на оси с эксцентриситетом е.

Рис. 5

Рис. 6

Одной из причин колебаний вагона является его виляние (извилистое движение). Как известно, между гребнями колес и рабочими гранями рельсов существуют зазоры, за счет вторых колесная пара при своем движении может постепенно переходить от контактирования гребнем правого колеса с правым по ходу рельсом к контактированию гребнем левого колеса с левым рельсом.

Характеристики колесной пары:

Для обеспечения безопасности движения поездов и снижения сил взаимодействия колеса и рельса относительное расположение рельсов должно отвечать особенностям конструкции ходовых частей подвижного состава. Расположение колесной пары в рельсовой колее показано на рис. 8.

Подуклонка рельсов. Поскольку поверхности катания новых колес имеют уклон 1/20, то и рельсы устанавливаются с наклоном внутрь колеи равным 1/20. Этим достигается большая центрированность опирания бандажа на головку рельса, и за счет этого некоторое снижение напряжений в рельсе и уменьшение пластических деформаций в его головке.

Рис. 8. Схема расположения колесной пары в рельсовой колее

Колесная колея – расстояние между поверхностями гребней колесной пары, измеренное на расстоянии 18 мм от их вершины.

Размеры колесной колеи с учетом допусков на изготовление и износ для колесных пар грузовых/пассажирских вагонов меняются в пределах, указанных в таблице.

Примечание. Разница в заштрихованных ячейках появляется только для колесных пар, предназначенных для скорости более 33,0 м/с (120 км/ч).

Рельсовая колея – расстояние между головками рельсов, измеренное в плоскости, лежащей па 13 мм ниже плоскости, проходящей через верхнюю точку поверхности катания рельсов. Стандартный размер ширины колеи после сужения, мм – (1516 – 1526), до сужения – (1522 – 1530).

В кривых для обеспечения свободного прохода многоосных экипажей ширина колеи больше, чем в прямых (если ). Максимальная ширина колеи в кривых – 1541 мм (до сужения было – 1546 мм).

Определим величину зазоров между рабочими гранями гребней и боковыми гранями головок рельсов для прямых участков пути.

Минимальный зазор 1516-1509=7 мм (1522-1509=13 мм).

Номинальный зазор 1520-1506=14 мм (1524-1506=18 мм).

Максимальный зазор 1526-1487=39 мм (1526-1487=43 мм).

Вследствие изгиба оси и отжатия головки рельса под действием поперечных сил величина зазора может быть больше приведенных величин. Дополнительное уширение колеи за счет отжатия рельса может достигать 3 – 5 мм. За счет изгиба оси колесной пары зазор между гребнями колес и головками рельсов увеличивается на 1 – 2 мм.

За счет конической поверхности катания при движении по прямой колесная пара описывает синусоиду (извилистое движение). При этом она касается гребнем рельса с одной стороны.

В кривых, очевидно, колесная пара прижимается гребнем к наружному рельсу под действием ускорения. При прижатии гребень трется о рельс.

Поскольку колесная пара при движении непрерывно перемещается поперек колеи (в пределах указанного выше зазора), то ось колесной пары при конической форме колес совершает угловые колебания (см. рис. 4) вокруг оси х (угол j), шейки оси то поднимаются, то опускаются на некоторую величину z. Эти колебания также передаются затем другим элементам вагона.

Колебания вагонов вызываются также действием сил, возникающих при входе вагона в кривые участки пути и в стрелочные кривые, от порывов ветра, аэродинамических толчков воздуха в боковую поверхность вагонов при встрече поездов по некоторым другим причинам.

Виды колебаний вагона в заданной системе координат. Основные понятия.

Расчетную схему вагона с двухступенчатым подвешиванием можно представить в виде, показанном на рис.. Колебания кузова по обобщенным координатам – виды колебаний – имеют следующие общепринятые названия:

– подергивание – линейные смещения ЦМ кузова вдоль оси ;

– боковой относ – линейные смещения ЦМ кузова вдоль оси ;

– подпрыгивание – линейные смещения ЦМ кузова вдоль оси ;

– галопирование – угловые смещения кузова относительно оси ;

– боковая качка – угловые смещения кузова относительно оси ;

– виляние – угловые смещения кузова относительно оси .

Без индекса координаты относящиеся к кузову, с индексом – к тележке и индексом колесной паре.

Рис. Расчетная схема вагона с двухступенчатым подвешиванием

Напомним вначале некоторые основные понятия из теории колебаний. В линейных колебательных системах известны два вида колебаний: собственные и вынужденные.

Собственные колебания происходят в изолированных колебательных системах вследствие какого-либо начального возмущения; в процессе самих собственных колебаний никакие внешние дополнительные возмущения на систему не действуют.

Обычно собственные колебания из-за наличия сопротивлений среды с течением времени затухают (прекращаются). Системы, в которых энергия колебаний расходуется на преодоление сопротивлений среды, называют диссипативными, а системы, у которых энергия в окружающую среду не рассеивается — консервативными.

Вынужденные колебания в колебательных системах возникают тогда, когда на систему все время действуют возмущающие силы.

Полнее всего изучены, так называемые, гармонические колебания систем, которые описываются обычно уравнением

где z — величина перемещений в колебательном процессе;

A — амплитуда колебаний;’

vt+a — фаза колебаний;

v — угловая частота колебаний;

a — начальная фаза колебаний.

Напомним, что периодом колебаний Т (в сек) называют промежуток времени, за который какой-то элемент системы совершает полный цикл колебаний, после которого движение повторяется. Очевидно, это будет тогда, когда фаза колебаний изменяется на 2p, т. е. v(t + T) + a = vt + a + 2p.

(1.4)

Таким образом, угловой частотой колебаний называется угол (в радианах), на который изменяется фаза за время одного периода. Иногда рассматривают линейную частоту колебаний, т. е. количество периодов колебаний, происходящих в одну секунду, или

(1.5)

Из формул (1.4) и (1.5) следует, что

(1.6)

Дата добавления: 2016-12-27 ; просмотров: 3268 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник