Пневмоприводной стенд для испытаний гидравлических гасителей колебаний подвижного состава железных дорог
УДК 621-755.001.3
К.Ф. Боряк, д.т.н., М.А. Манзарук
Одесская государственная академия технического регулирования и качества
А.Л. Разумовский
Частное малое предприятие «КОМПРО», Одесса, Украина
Пневмоприводной стенд для испытаний гидравлических гасителей колебаний подвижного состава железных дорог
Исследователей интересует влияние закона изменения внешней нагрузки, прикладываемой к гидравлическому гасителю колебаний на его демпфирующую характеристику. Авторами предлагается новый подход к получению демпфирующей характеристики гидравлического гасителя колебаний на испытательном стенде марки «ИГК-90.1» украинского производства фирмы «КОМПРО». Рассматриваются отличительные особенности предлагаемого пневмоприводного испытательного стенда от известного гидроприводного стенда.
Дослідників цікавить вплив закону зміни зовнішнього навантаження, що прикладається до гідравлічного гасителя коливань на його демпфіруючу характеристику. Авторами пропонується новий підхід до отримання демпфіруючої характеристики гідравлічного гасителя коливань на випробувальному стенді марки «ІГК-90.1» українського виробництва фірми «КОМПРО». Розглядаються відмінні риси пропонованого пневмопривідного випробувального стенду від відомого гідропривідного стенду.
Researchers interested in the impact of the law changes in the external load applied to the hydraulic shock absorber on its damping characteristics. The authors propose a new method to obtain the damping characteristics of the hydraulic shock absorber on the test bench mark "IUC-90.1" Ukrainian production company "compromise." Discusses the distinctive features of the proposed test bed pneumatically from known hydraulically stands.
При помощи гасителя колебаний кинетическая энергия колебания тележки кузова локомотива преобразовывается в тепловую энергию нагрева вязкой жидкости, которая затем рассевается за счет теплообмена корпуса гасителя с воздухом. Принцип работы гидравлических гасителей колебаний (рис.1) 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 [1].
Рис.1 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.
Назначение гидравлического гасителя колебаний как поглотителя механической энергии определяется свойствами вязкой несжимаемой жидкости. Распространение механических воздействий в такой жидкости происходит практически мгновенно (со скоростью звука) и с этой точки зрения можно провести аналогию со свойствами твердого тела. Поэтому для предотвращения деформации конструкции гасителей колебаний от воздействия на них ударных нагрузок в поршневую систему встраивают предохранительные клапана.
С другой стороны, в силу своего функционального предназначения гаситель колебаний должен быть минимально инерционным. Иначе говоря, оперативно реагировать на ситуацию, которая возникла в конкретный момент времени, мгновенно «забывая» о предыстории событий.
Гидравлические гасители колебаний не воспринимают статические нагрузки, а только развивают силы сопротивления во время относительных перемещений кузова, рамы тележки и буксы[2]. Сила сопротивления гидравлических гасителей колебаний, применяемых в настоящее время в тележках пассажирских вагонов, пропорциональна скорости перемещения поршня, то есть, равна . Коэффициент сопротивления зависит от вязкости рабочей жидкости гасителя, площади сечения дроссельных отверстий клапанов, через которые проходит жидкость, и диаметра рабочей поверхности поршня. Оптимальную величину для пассажирских вагонов рекомендуется определять по формуле:
,
где – доля критического сопротивления гасителя, при котором колебания близки к гармоническим;
– критическое значение параметра сопротивления, при котором колебания отсутствуют.
Заметим, что для сил сопротивления гидравлических гасителей существуют также и более общие модели вида [3]:
,
причем от их выбора существенно зависит достоверность расчета подвески.
Вязкая несжимаемая жидкость имеет инфинитезимальную (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 [4]. Установлено, например, что гаситель типа КВЗ 45.30.045М даже при небольшой (около 10%) потере жидкости становится неработоспособным вследствие попадания в рабочий цилиндр воздуха.
На основании этого можно утверждать, что закон изменения нагрузки при испытании гидравлических гасителей колебаний не имеет значения. Для определения демпфирующей характеристики требуется всего лишь построить зависимость между силой сопротивления и скоростью перемещения поршня в достаточно представительном диапазоне. Если принять это за основу, то можно предложить новый подход к испытанию гидравлических гасителей колебаний.
В силу оговоренных свойств жидкости при разных законах механического нагружения должна получаться одна и та же демпфирующая характеристика гасителя колебаний. Следовательно, в противном случае (то есть, когда характеристики отличаются) амортизатор имеет какие-то дефекты. Эти научные допущения послужили основой для создания специалистами фирмы «КОМПРО» конструктивно нового стенда, под названием «ИГК-90.1», для проведения испытаний гидравлических гасителей колебаний с использованием пневматического привода (рис.2).
Рис.2. Внешний вид стенда марки «ИГК-90.1» производства фирмы «КОМПРО», установленного в локомотивном депо Котовск Одесской ж.д.
Стенд фирмы «КОМПРО» имеет ряд существенных отличий от других известных производителей аналогичного оборудования:
1. 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 имеющейся деповской магистрали воздуха, 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 КМ Украины концепции «Энергетической стратегии Украины до 2030 года».
2. 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 штока 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÷240мм). Конструкция стенда выполнена таким образом, что в ходе испытаний позволяет определить для каждого конкретного испытуемого гасителя его «реальный» максимальный ход поршня. Это очень важно, поскольку только на максимальных ходах поршня при испытаниях можно выявить наличие или отсутствие воздуха в цилиндре гасителя, и соответственно нормируемый уровень демпфирующей жидкости (масла). Кроме того, очень часто после сделанного ремонта длина рабочего хода поршня гасителя уменьшается (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.
К сожалению, остается загадкой тот факт, почему ремонтные предприятия и заводы-производители гасителей колебаний проводят их испытания на одинаковых стендах с ограниченным (фиксированным) ходом перемещения поршня гасителя. Например, всем известный российский производитель ОАО «Петуховский литейно-механический завод» проводит проверку механических характеристик гасителей колебаний (демпферов) типа 45.30.045М с максимальным ходом поршня 195мм на перемещении всего в 50мм (рис.3).
Рис.3. Вид протокола испытаний гасителя колебаний типа 45.30.045М (производитель ОАО «Петуховский литейно-механический завод») на стенде СИЛ-02-01 «ЭНГА» (Россия).
Если принять на веру, что контроль качества на этом предприятии осуществляется одинаково хорошо на всех промежуточных этапах производства, то еще можно принять такие условия испытаний для новых изделий. Но вот для побывавших в ремонте гасителей колебаний, проводить испытания уже точно необходимо на максимальном рабочем ходе поршня. К сожалению, в ремонтных депо не придают этому должного значения и проводят испытания гасителей на фиксированной и существенно ограниченной длине перемещения поршня (например, для гасителей типа 45.30.045М на ходе до 100мм). Причина неясна, или неверно эксплуатируют оборудование рабочие, или не предусмотрено самой конструкцией, имеющегося в депо испытательного оборудования.
3. Автоматизация процесса проведения испытаний, удобная визуализация процесса в режиме реального времени на экране монитора, наличие встроенной базы сохранения проведенных испытаний и информационно справочной нормативно-технической базы, все это в комплексе позволяет повысить не только качество ремонта гасителей, но и персональную ответственность рабочего персонала за свою работу (рис.4).
Рис.4. Диаграммы испытаний гасителя колебаний на стенде «ИГК-90.1» в режиме реального времени.
4. Удобная и понятная для проведения анализа визуализация информации на экране монитора результатов, полученных при испытании гасителей колебаний (рис.5), возможности распечатки протокола испытаний на бумаге и записи информации на портативный «флеш-носитель» (рис.6), позволит работникам ревизорского аппарата повысить контроль качества ремонта, проводимого в депо.
Рис.5. Расчетные графики зависимость между силой сопротивления и скоростью перемещения поршня в достаточно представительном диапазоне.
Рис.6. Вид протокола испытаний гасителя колебаний типа 45.30.045М (производства ОАО «Петуховский литейно-механический завод») на стенде «ИГК-90.1» (Украина).
5. Универсальность – на одном стенде можно проводить испытания всех четырех типов гасителей колебаний, которые эксплуатируются на электровозах серии ВЛ80с, ВЛ40у, ЧМЭ3, 2ЕЛ5 та 2ЭС5К на Одесской железной дороге, что избавляет ремонтные депо от необходимости закупать несколько стендов под разные типы гасителей колебаний и позволяет экономить материальные средства.
6. Встроенная система самотестирования позволяет контролировать рабочее состояние исполнительных узлов в конструкции стенда и их соответствие паспортным техническим характеристикам.
Испытания гидравлических гасителей колебаний на стенде «ИГК-90.1» выполняются в соответствии с инструкцией [1]. Новая конструкция стенда «ИГК-90.1» для проведения испытаний гасителей колебаний позволяет набрать статистику протоколов для каждого из четырех типов гасителей и после соответствующей обработки полученной информации создать встроенную систему диагностики технического состояния гасителей. Наличие такой встроенной системы диагностирования существенно облегчит поиск причин неисправностей и преждевременного выхода из строя гасителей колебаний на подвижном составе.
В конце 2011 года по заказу службы локомотивного хозяйства Одесской ж.д. такие стенды были установлены в двух локомотивных депо: Знаменка и Котовск, в которых специалисты фирмы совместно с работниками локомотивных депо продолжат работы над усовершенствованием технологии ремонта на основании анализа результатов, проводимых на стенде испытаний гасителей колебаний.
Список литературы:
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. Челноков И.И. Гидравлические гасители колебаний пассажирских вагонов. – М.: Транспорт, 1975. – 72 с.
3. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. – Л.: Машиностроение, 1976. – 320 с.
4. Трусделл К. Первоначальный курс рациональной механики сплошных сред. – М.: Мир, 1975. – 592 с.
