УДК 629.4.018
ОЦЕНКА РАБОТЫ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА «ИГК-90.1» И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ГАСИТЕЛЕЙ КОЛЕБАНИЙ
К.Ф. Боряк /д.т.н./, М.А. Манзарук
Одесская государственная академия технического регулирования и качества
Анализируются полученные эмпирическим путем графические зависимости между параметром сопротивления и скоростью перемещения поршня для различных четырех типов гидравлических гасителей колебаний, которые сегодня устанавливаются на локомотивах Одесской железной дороги. Поскольку параметр сопротивления для гидравлического гасителя является определяющим параметром для оценивания его технической исправности, то полученные эмпирическим путем значения (графические зависимости) параметра сопротивления от скорости вполне могут служить критерием при диагностировании технического состояния гасителей. Для этого надо установить численные значения (границы) доверительного интервала погрешности измерений параметра сопротивления и форму кривой, для разных режимов работы (растяжения и сжатия), соответствующую технически исправному гидравлическому гасителю. Такая возможность проведение технической диагностики гидравлических гасителей колебаний появилась благодаря новой конструкции испытательного стенда марки «ИГК-90.1».Приводятся первые положительныерезультаты работы испытательного стенда марки "ИГК-90.1", конструкция которого выполнена на основе предложенного авторами нового подхода к получению демпфирующей характеристики (параметра сопротивления) испытуемого гидравлического гасителя колебаний.
Ключевые слова: гидравлический гаситель, испытательный стенд, параметр сопротивления
На Одесской железной дороге эксплуатируются электровозы серии ВЛ80т/с, ВЛ40у, 2ЭЛ5, 2ЭС5К, тепловозы серии ЧМЭ3, на которых установлены, четыре основных типа гидравлических гасителей колебаний: КВЗ 45.30.045, ТЕ 1-10А, 677.000-01 и 678.000. Общее количество установленных на тяговом подвижном составе Одесской железной дороги гидравлических гасителей колебаний составляет 7742 штук, причем наибольшее количество их приходится на электровозы серии ВЛ80 и тепловозы серии ЧМЭ3. Проблема с эксплуатацией гасителей колебаний всегда остро стояла на Одесской железной дороге. Проблема приобрела более серьезную актуальность в последние годы, когда тепловозы серии ЧМЭ3 начали массово эксплуатироваться в качестве «диспетчерских» на полигонах плеч обслуживания. Недостаточная оснащенность технологическим оборудованием ремонтной базы в депо для проведения ремонта гидравлических гасителей колебаний, а главное отсутствие возможности проводить на должном уровне их испытание, привело к ситуации, когда на один тепловоз ЧМЭ3 приходилось в среднем лишь 50% исправных гасителей колебаний. В результате, из-за наличия вертикального галлопирования кузова тепловоза их эксплуатация со скоростями более 50 км/ч (при конструктивной 95 км/ч) стала не возможной. А это влечет за собой снижение участковых скоростей движения поездов и, как следствие, уменьшение общей пропускной способности железной дороги.
Учитывая то обстоятельство, что на приобретаемых сегодня Укрзализныцей новых электровозах марки 2ЭЛ5 та 2ЭС5К, количество гасителей колебаний в 2,5 раза увеличено, в сравнении с электровозами ВЛ80, возникает острая необходимость в организации в локомотивных депо отдельной позиции для проведения диагностики технического состояния гасителей колебаний, как того требует ведомственный технический регламент [1]. Неотъемлемой частью технического освидетельствования гасителей колебаний является процедура их испытания на специальных стендах. С этой целью локомотивными депо Котовск и Знаменка были приобретены современные испытательные стенды марки «ИГК-90.1» отечественного производства (рис.1).
Рисунок 1. Внешний вид стенда ИГК-90.1, установленного в локомотивном депо Котовск
Одесской железной дороги
В конструкцию испытательного стенда марки «ИГК-90.1» авторами заложен новый подход к получению демпфирующей характеристики (параметра сопротивления) для испытуемого гидравлического гасителя колебаний. Суть нового подхода подробно изложена в работе авторов [2] и заключается в допущении того, что функция параметра сопротивленияβ гасителя колебаний не зависит от вида закона механического нагружения гасителя Fи может быть получена эмпирическим путем, как зависимость между силой сопротивления P и скоростью перемещения поршня ν, если испытания проводятся в достаточно широком диапазоне. Допущения авторов базируются на том основании, что вязкая несжимаемая жидкость имеет инфинитезимальную (бесконечно короткую) память. Бесконечно короткая память – не просто одно из главных свойств вязкой несжимаемой жидкости – это ее определяющее свойство.Жидкость реагирует только на деформации, которым она подвергается в рассматриваемый момент времени, и полностью забывает те деформации, которым она подвергалась любое конечное время тому назад, сколь бы недавно это ни происходило. Таким образом, можно допустить, что гидравлическая компонента гасителя колебаний является безинерционной и практически мгновенно реагирует на изменение воздействий дорожного полотна. Запаздывание может обусловливаться лишь сжимаемостью присутствующего в цилиндре гасителя колебаний воздуха и объективной инерционностью срабатывания его механических элементов (клапанов). Это подтверждается как практикой эксплуатации спортивных автомобилей, так и положениями о жидкостях [3].
Стенд имеет ряд существенных отличий от аналогичного оборудования других известных производителей. В конструкции стенда используется пневматический привод (встроенный компрессор) малой электрической мощности 2,2 кВт, который обеспечивает механическое возвратно-поступательное перемещение штока гасителя при испытаниях по синусоидальному закону. В случае использования для пневмопривода стенда магистрали воздуха имеющейся в депо, потребление электроэнергии стендом можно снизить до 0,7 кВт. Известные аналоги гидроприводных стендов имеют мощность 22 кВт. Это позволяет отнести стенд «ИГК-90.1» к классу энергосберегающего технологического оборудования, что отвечает принятой Кабинетом министров Украины концепции "Энергетической стратегии Украины до 2030 года".
Вторым преимуществом является экологическая чистота пневмопривода и рабочего места, на котором отсутствует загрязнение маслом от гидропривода и его соединений в конструкции, что тоже немаловажно для условий эксплуатации стенда в ремонтных депо. В приводном механизме для перемещения поршня гасителя отсутствует промежуточный кривошипно-шатунный узел, что упрощает передачу нагрузки от привода к испытуемому гасителю колебаний и позволяет проводить испытания гасителя во всем рабочем диапазоне перемещения поршня (0…240 мм). Конструкция стенда выполнена таким образом, что в ходе испытаний позволяет определить для каждого конкретного испытуемого гасителя его "реальный" максимальный ход поршня. В ходе ремонта длина рабочего хода поршня гасителя может уменьшаться, из-за возникающих дефектов приварки штока к крышке защитного кожуха, либо из-за изгибных деформации при установке. Выявить такие дефекты штока гасителя можно только путем испытания по максимальному рабочему ходу поршня. Это очень важно, поскольку только на максимальных ходах поршня при испытаниях можно выявить наличие или отсутствие воздуха в цилиндре гасителя, и определить уровень демпфирующей жидкости (масла) в цилиндре, от которого зависит нормальная работа гасителя в целом. Например, в ходе эксплуатации было установлено, что гаситель типа КВЗ 45.30.045 становится неработоспособным вследствие попадания в рабочий цилиндр воздуха даже при небольшой потере жидкости (≈10 %).
Фиксированный объем жидкости является одним из самых главных составных элементов любого гидравлического гасителя колебаний, обеспечивающего демпфирование по его назначению. Назначение гидравлического гасителя колебаний как поглотителя механической энергии определяется свойствами вязкой несжимаемой жидкости. Принцип работы гидравлических гасителей колебаний (рис. 2) заключается в последовательном перемещении вязкой жидкости из одной полости цилиндра в другую через специальные дроссельные отверстия в поршневой системе под внешним воздействием растягивающих или сжимающих сил [4].
Рисунок 2. Конструктивная схема гидравлического гасителя колебаний:
1 – шток; 2 – направляющая втулка; 3 – корпус; 4 – рабочий цилиндр; 5 – резервуар; 6 – поршень; 7 – верхний клапан; 8 – нижний клапан
К сожалению, в действующем ведомственном нормативном документе [1] отсутствуют четкие рекомендации относительно критериев выбора испытательного оборудования для гидравлических гасителей колебаний и предъявляемых к ним технических требований, что порождает разные подходы к проведению самих испытаний. Отсутствие единства, приводит к тому, что эксплуатационные транспортные предприятия и производители гидравлических гасителей колебаний проводят свои испытания на различных испытательных стендах, которые отличаются не только по конструкции, но и по принципу работы. Например, известный всем российский производитель ОАО "Петуховский литейно-механический завод", который производит гасители колебаний (демпферов) типа КВЗ 45.30.045М, проводит проверку механических характеристик своих гасителей (с максимальным ходом поршня по паспорту в 195 мм) на перемещении поршня всего в 50 мм (рисунок 3).
Рисунок 3. Фрагмент протокола испытаний гасителя колебаний типа КВЗ 45.30.045М
на стенде "ЭНГА" типа СИЛ-02-01
Если принять на веру, что контроль качества на этом предприятии осуществляется одинаково хорошо на всех промежуточных этапах производства гасителя колебаний, то еще можно принять такие условия испытаний для новых изделий. Но вот для побывавших в эксплуатации гасителей колебаний, проводить испытания уже точно необходимо на максимальном рабочем ходе поршня. К сожалению, во многих эксплуатационных транспортных депо не придают этому должного значения и проводят испытания гасителей на фиксированной и существенно ограниченной длине перемещения поршня (например, для гасителей типа КВЗ 45.30.045 на ходе до 100 мм). Причина этому явлению очевидна – отсутствие в нормативном документе единства требований, предъявляемых к самой методике проведения испытаний и к техническим возможностям испытательного оборудования. Это еще одна проблема, которая требует скорейшего разрешения, но она выходит за рамки настоящей статьи.
Стенд оснащен встроенной системой самотестирования, что позволяет контролировать рабочее состояние исполнительных узлов в конструкции стенда и их соответствие паспортным техническим характеристикам перед началом проведения испытаний. Процесс проведения испытаний полностью автоматизирован и визуализируется на экране монитора в режиме реального времени (рис. 4).
Рисунок 4 – Диаграммы испытаний гасителя колебаний на стенде ИГК-90.1
в режиме реального времени:
1 ÷ 13- чувствительные сенсорные элементы на экране монитора для интерактивного управления процессом испытаний оператором в «ручном» режиме
Визуализация на экране монитора информации о результатах проведенных испытаний формируется в виде графических зависимостей между силой сопротивления Р, параметром сопротивленияβи скоростью перемещения поршня ν (рис. 5). Для проведения анализа и принятия решения о техническом состоянии гасителя колебаний протокол с результатами испытаний распечатывается на бумаге, а также можно записать на портативный «флеш-носитель».
Рисунок 5 – Вид на экране монитора, получаемых при испытаниях графических зависимостей между силой сопротивления Р и скоростью перемещения поршня ν, ипараметром сопротивленияβ и скоростью перемещения поршня ν:
1 – сенсорная клавиша для вывода графической информации; 2 – график изменения величины силы, прикладываемой к гасителю; 3 – график изменения параметра сопротивления
Гидравлические гасители колебаний не воспринимают статические нагрузки, а только развивают силы сопротивления во время относительных перемещений кузова, рамы тележки и буксы [4]. Сила сопротивлениягидравлических гасителей колебаний пропорциональна скорости перемещения поршня:
P= β·ν, (1)
где Р - сила сопротивления, кН;
ν – скорость перемещения поршня, м/с;
β – параметр сопротивления (коэффициент сопротивления), кН·с/м.
Параметр сопротивления β зависит: от вязкости рабочей жидкости гасителя, площади сечения дроссельных отверстий клапанов, через которые проходит жидкость и диаметра рабочей поверхности поршня. Оптимальное значение β рекомендуется определять по формуле:
β = k · βкр (2)
где k– поправочный коэффициент (при k≤0,2 – доля критического сопротивления, при котором колебания гасителя близки к гармоническим);
βкр – критическое значение параметра сопротивления, при котором колебания гасителя отсутствуют.
Заметим, что для сил сопротивления гидравлических гасителей существуют также и более общие модели вида [5]:
, n≥1,
причем, от их выбора существенно зависит достоверность расчета подвески.
Нами был проведен анализ, полученных при испытаниях графических зависимостей между силой сопротивления Ри скоростью перемещения поршня ν, имежду параметром сопротивления β и скоростью перемещения поршня ν для четырех типов разных гасителей колебаний (рис.6;7).
а) б)
Рисунок 6. Полученные при испытаниях графические зависимости между силой сопротивления Ри скоростью перемещения поршня ν, имежду параметром сопротивления β и скоростью перемещения поршня ν для четырех типов разных гасителей колебаний:
а) КВЗ 45.30.045; б) ТЕ 1-10А
Было установлено, что указанная в соотношении (1) зависимость силы сопротивления Р от скорости ν имеет разную зависимость для каждого из типов гасителей. Так, в режиме «сжатия» в диапазоне значений скоростей 50÷250 м/с, а также в режиме «растяжения» в диапазоне значений скоростей 100÷300 м/с для исправных гасителей колебаний типа КВЗ 45.30.045 графическая зависимость (рис.6а) имеет явно выраженный линейный характер, при этом значение силы сопротивления в указанном диапазоне, практически, не изменяется от скорости. Это может служить в дальнейшем, как показатель технически исправного гасителя колебаний. Тоже можно сказать в режиме растяжения (рис.6б) и для гасителя типа ТЕ 1-10А. Однако для пограничных значений скоростей в диапазоне 250÷300 м/с в режиме «сжатия» и в диапазоне 50÷100 м/с в режиме «растяжения» имеет место явно выраженная нелинейность функциональной зависимости.
Для двух других типов гасителей 677.000-01 и 678.000 можно также констатировать сохранение характера линейности и нелинейности в указанных диапазонах и режимах (рис.7).
б) в)
Рисунок 7. Полученные при испытаниях графические зависимости между силой сопротивления Ри скоростью перемещения поршня ν, имежду параметром сопротивления β и скоростью перемещения поршня ν для четырех типов разных гасителей колебаний:
а) 677.000-01; б); в) 678.000
Но в отличие от двух предыдущих типов КВЗ 45.30.045 и ТЕ 1-10А, значение силы сопротивления в указанных диапазонах не имеет постоянства, несмотря на то, что техническое состояние гасителей 677.000-01 и 678.000 полностью удовлетворяет требованиям нормативного документа [1]. Если на этом показателе качества оценивать работу всех четырех типов гасителей колебаний, то в наиболее выигрышном положении окажутся типы КВЗ 45.30.045 и ТЕ 1-10А, которые обеспечивают постоянство значения силы сопротивления в достаточно широком диапазоне скоростей, по сравнению с типами 677.000-01 и 678.000. Чем положе графическая зависимость Р от ν и чем шире сам диапазон, тем комфортнее будет поездка для пассажиров и машиниста на транспортном средстве. Но, это выходит за рамки обзора результатов работы испытательного оборудования и принятой методике проведения испытаний.
Распространение механических воздействий в вязкой несжимаемой жидкости происходит практически мгновенно (со скоростью звука) и с этой точки зрения можно провести аналогию со свойствами твердого тела. Для предотвращения деформации конструкции гасителя колебаний от воздействия на них ударных нагрузок в поршневую систему встраивают предохранительные клапаны для экстренного перепускания жидкости. Точки, в которых наблюдается резкое изменение графической зависимости Р от ν (характерно для типов 677.000-01 и 678.000) соответствуют моменту срабатывании клапанов, т.е моменту перехода из дроссельного режима работы гасителя в клапанный (рис.7). Это может служить информацией для определения момента срабатывания клапанов и в дальнейшем использоваться в регулировочных работах при ремонте гасителей.
В своей технической документации производители гасителей колебаний указывают только значения силы сопротивления Р, привязанные к конкретной скорости и не указывают значение параметра сопротивления, поскольку заранее не известна искомая функция зависимости β от ν, а существующие на заводах испытательные стенды не позволяют получать указанную зависимость эмпирическим путем (рис. 3).
Новая конструкция стенда «ИГК-90.1» позволяет набрать статистику протоколов для каждого из четырех типов гасителей и после соответствующей обработки полученной информации установить аналитическое выражение функции зависимости β от νили определить поправочные коэффициенты k для полученных значений параметра сопротивления. Сбор статистической базы протоколов испытаний открывает возможности по созданию встроенной в испытательный стенд «ИГК-90.1» экспертной системы диагностирования, которая на основании анализа полученных результатов сможет независимо от влияния человеческого фактора определять техническое состояние испытуемых гасителей колебаний при регламентированном обслуживании локомотивов. Однако для этого нужно провести дополнительные экспериментальные исследования, которые и послужат фундаментом для создания экспертной системы.
1. ЦТ-0062 "Інструкція по утриманню, ремонту та випробуванню гасителів коливань локомотивів і моторвагонного рухомого складу", утвержденной Главным управлением локомотивного хозяйства УКРЗАЛІЗНИЦІ (приказ №53-ц от 27.02.2003).
2. Боряк К.Ф.,Манзарук М.А., Разумовский А.Л. Пневмоприводной стенд для испытаний гидравлических гасителей колебаний локомотивов // Научно-технический и производственный журнал «Вибрация машин: измерение, снижение, защита». - Донецк., 2012. - № 3(30). – С. 31–35.
3. Трусделл К. Первоначальный курс рациональной механики сплошных сред. – М.: Мир, 1975. – 592 с.
4. Челноков И.И. Гидравлические гасители колебаний пассажирских вагонов. – М.: Транспорт, 1975. – 72 с.
5. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. – Л.: Машиностроение, 1976. – 320 с.
Performance evaluation stand "ИГК-90.1" test operating shock absorber
К. Boryak /d.t.s./, М. Manzaruk
Odessa State Academy of Technical Regulation and Quality
(65020, Odessa, ul.Kuznechnaya, 15, Ukraine, email: odivt@mail.ru; ndi_pssem@mail.ru)
(65020, Odessa, ul.Kuznechnaya, 15, Ukraine, email: odivt@mail.ru; ndi_pssem@mail.ru)
Analyzes the empirical relationship between the graphic option of resistance and speed of movement of the piston to the four different types of hydraulic shock absorbers, which are now set at the Odessa railway locomotives. Since the option of resistance to hydraulic shock absorber is a determining parameter for the assessment of its technical integrity, the resulting empirical values (depending on graphics) on the rate of resistance parameter may well serve as a criterion for diagnosing the technical condition of the absorbers. To do this, set the numerical values of the (border) of the confidence interval of measurement error parameters of resistance and shape of the curve for the different modes (tension and compression), corresponding to a technically perfect hydraulic absorber. Such a possibility is a technical diagnosis of hydraulic shock absorbers has been seen as a test bed of new design brand "ИГК-90.1." Provides the first positive results of the test stand marks "ИГК-90.1", the construction of which is made on the basis proposed by the authors of a new approach to getting damping characteristics (resistance parameter) of the subject of hydraulic shock absorber.
Keywords: hydraulic damper, test bench, the damping characteristic
Статья поступила 14.12.2012 г. © К.Ф. Боряк, М.А. Манзарук, 2012
