Деформации: d_u¹=U₂-U₁=b₁q₅-0=1,018(м); d_u²=U₂-U₁=-b₁q₅-0=1,018(м);

d_v=V₂-V₁=0; d_w¹=W₂-W₁=-l₁q₅-0=5(м); d_w³=l₃q₅-0=5(м).

Силы упругости: P_u=C_ud_u=42,9510⁵1,018=43,72310⁵(Н);

P_w¹=C_wd_w¹=-C_w l₁=42,9510⁵5=214,7510⁵(Н).

Реакции:

X=0; r₁₅=0;Y=0; r₂₅=0;

Z=0; r₃₅+P_w¹+P_w²-P_w³-P_w⁴=0; r₃₅=0 (вагон симметричный);

M_x=0; r₄₅-P_w¹h_c^*-P_w²h_c^*+P_w³h_c^*+P_w⁴h_c^*=0; r₄₅=0 (вагон симметричный);

M_y=0; r₅₅-P_u¹b₁-P_u²b₂-P_u³b₃-P_u⁴b₄-P_w¹l₁-P_w²l₂-P_w³l₃-P_w⁴ l₄=0;

r₅₅=4P_ub+4P_wl=443,72310⁵1,018+4214,7510⁵5=447,310⁶(Нм);

M_z=0; r₆₅+P_u¹h_c^*-P_u²h_c^*+ P_v³h_c^*-P_u⁴h_c^*=0; r₆₅=0 (вагон симметричный).

Рисунок 5.7 - Схема нагруженности от q₆

Деформации: d_u=U₂-U₁=h_cq₆-0=2,044(м); d_v¹=d_v²=V₂-V₁=l₁q₆-0=5(м);

d_v³=d_v⁴=V₂-V₁=l₃q₆-0=5(м).

Силы упругости: P_u=C_ud_u=42,9510⁵2,044=87,77710⁵(Н);

P_v=C_vd_v=410⁶5=210⁷(Н).

Реакции:

X=0; r₁₆=4C_uh_c=442,9510⁵2,044=351,110⁵(Н);

Y=0; r₂₆-P_v¹-P_v²+P_v³+P_v⁴=0; r₂₆=0 (вагон симметричный);

Z=0; r₃₆=0;

M_x=0; r₄₆+P_v¹b₁-P_v²b₂-P_v³b₃+P_v⁴b₄= 0; r₄₆=0 (вагон симметричный)

M_y=0; r₅₆-P_u¹b₁+P_u²b₂-P_u³b₃+P_u⁴b₄=0; r₅₆=0 (вагон симметричный);

M_z=0; r₆₆-P_u¹h_c^*-P_u²h_c^*-P_u³h_c^* -P_u⁴h_c^* -P_v¹l₁-P_v²l₂-P_v³l₃-P_v⁴l₄=0;

r₆₆=487,77710⁵2,169+4210⁷5=476,110⁶(Нм).

5.3 Математическая модель виброзащитной системы вагона

На кузов вагона действует система реакций сил упругости, обусловленная колебаниями . Реакции в связях по направлению координатных осей от .суммируются, образуя в узле вектор реактивных усилий:

(5.12)

где - матрица коэффициентов жесткости несимметричного вагона:

,(5.13)

- вектор перемещений центра масс кузова вагона.

6 Внешняя нагруженность динамической системы

6.1 Физическая модель нагруженности вагона

Рисунок 6.1 - Схема для расчета перемещения колесных пар

Нагруженность характеризуется силами упругости в рессорном подвешивании и реакциями сил упругости в центрах масс тел . Динамическая система получает гармонические возмущения от неровности пути через колесные пары по схеме рисунок 6.1. За начало отсчета принимаем систему координат кузова . Перемещения колес первой тележки по отношению к центру масс кузова имеют опережения, а второй - отставание по фазе, учитываемые углами сдвига фаз :

,(6.1)

где - углы сдвига фаз в перемещениях колесных пар:

,(6.2)

- амплитуда и длина волны вертикальной неровности пути;

- частота вынужденных кинематических возмущений,

(6.3)

При средней скорости движения вагона получим:

Перемещения буксовых узлов равны перемещениям точек контакта колес с рельсами (рисунок 6.1):

(6.4)

Из схем перемещений боковых рам находим перемещения нижних опорных поверхностей рессорных комплектов:

(6.5)

Деформации и силы упругости в виброзащитных связях при значениях перемещений (6.5) составляют:

(6.6)

(6.7)

Рисунок 6.2 - Расчетная схема для определения возмущающей нагрузки

6.2 Математическая модель внешних возмущающих нагрузок

Изначально силы упругости (6.7) в рессорном подвешивании на схемах (рисунок 6.2) положительны.

Силы упругости (6.7) вызывают в связях центрально-координатного узла кузова реакции возмущающих нагрузок (рисунок 6.2). Из равновесия кузова вектор кинематических возмущающих нагрузок равен:

,(6.8)

где .

При значениях сил (6.7) и (6.4) реакции (6.8) принимают значения:

(6.9)

(6.10)

(6.11)

В несимметричном вагоне возмущающие усилия вызывают колебания . Поскольку колебания через реакции связаны с , а последние через реакции с (5.12 ), то возникают все колебания кузова . Кузов испытывает сложные вынужденные колебания.

В симметричном вагоне при линейные реакции (6.9) не меняются, а угловые - (6.10), (6.11) становятся равными:

(6.12)

Возмущающие реакции вызовут в системе колебания и . Колебание возникает вследствие взаимосвязи через реакции . Если реакции малы , то будем иметь только два вида колебаний - и .

В реакциях возмущения от колесных пар сдвинуты по фазе (), что создает некоторые затруднения в решении задачи. Для упрощения решения сложим составляющие гармонических возмущений в этих реакциях. Сложение выполним графическим способом, используя интерпретацию вращающихся векторов и их проекций на горизонтальную ось .

Рисунок 6.3 - Векторная диаграмма

Для сложения функций в реакции (6.9), проведем радиусом, равным амплитуде кинематического возмущения , окружность и в соответствии с углами сдвига фаз , отложим последовательно амплитуды возмущений по колесным парам (рисунок 6.3). Сложим векторы амплитуд , и , в тележках и получаем значения .

Выполнив сложение векторов по тележкам, находим эквивалентную амплитуду вектора возмущений для вагона - , которая соответствует колебанию .

Из векторной диаграммы определяем: .

Проекция вектора на горизонтальную ось дает функцию суммарного возмущения на вагон:

(6.13)

Эта функция заменяет выражение, стоящее в фигурных скобках (6.9). Значение суммарной возмущающей реакции на вагон теперь равно:

(6.14)

где - амплитуда возмущающей силы по колебанию подпрыгивания, .

Аналогично изложенному производим сложение возмущающих функций в реакции . Знак минус во второй квадратной скобке учитывается изменением направления вектора на обратный.

Суммарное значение возмущающей функции по колебанию галопирования равно:

,(6.15)

где - амплитуда возмущающей силы по колебанию галопирования.

Выводы:

1. Наибольшие значения сил вертикальных возмущений получим, если векторы амплитуд возмущений по тележкам будут совпадать. Это произойдет в случае равенства базы вагона длине волны неровности. При этом реакция возмущений по шестому колебанию становится бесконечно малой, .

2. Наибольшего значения реакция достигает, когда совпадают векторы амплитуд колебаний . Это происходит в случае, когда база вагона равна половине длины неровности пути . Однако в этом случае реакция возмущений по колебанию подпрыгивания обращается в ноль, .

6.3 Математическая модель динамики вагона на рессорах

Математической моделью является система дифференциальных уравнений, описывающая колебания вагона в функции времени.

Уравнения колебаний получаем из уравнения динамического равновесия реакций в центрально-координатном узле кузова, суммируя реакции по блок-моделям силовых подсистем: инерционной, виброзащитной, внешних возмущений. Для несимметричного вагона, с центрально-главными осями система уравнений колебаний равна:

(6.16)

Уравнения колебаний системы в матричном представлении:

· в развернутой форме:

(6.17)

· в сокращенной форме записи:

(6.18)

Для симметричного вагона, из-за отсутствия многих побочных реакций, получаем независимые уравнения колебаний:

(6.19)

и взаимосвязанные уравнения боковых колебаний:

(6.20)

Уравнения колебаний (6.16 - 6.20) описывают совместные свободные и вынужденные колебания вагона. Рассмотрим динамику свободных и вынужденных колебаний.

7 Свободные колебания вагона на рессорах

7.1 Уравнения свободных колебаний вагона

Свободные колебания наблюдаются при прекращении действия возмущающих сил или при изменении силовых характеристик динамической системы.

Уравнения свободных колебаний кузова вагона, в системе главных, центрально-координатных осей:

· для несимметричного вагона по реакциям сил упругости:

в развернутой форме:

,(7.1)

в развернуто-матричной форме:

,(7.2)

· для симметричного вагона по реакциям сил инерции и упругости:

(7.3)

(7.4)

7.2 Определение частот свободных колебаний

Решениями однородных уравнений (7.1 - 7.4) являются тригонометрические функции:

(7.5)

Или в общем виде:

(7.6)

Вторые производные являются ускорениями колебаний тела:

,(7.7)

где - амплитуда свободных колебаний;

- частота свободных колебаний.

Подставляя и в уравнения свободных колебаний (7.1 - 7.4), получаем уравнения колебаний в алгебраической форме:

,(7.8)

,(7.9)

(7.10)

В полученных уравнениях амплитуды колебаний не равны нулю, поскольку система колеблется. Чтобы тождества удовлетворялись, необходимо равенство нулю определителей составленных из коэффициентов при неизвестных амплитудах, то есть:

· для несимметричного вагона

,(7.11)

· для симметричного вагона

(7.12)

(7.13)

Полученные уравнения (7.11 - 7.13) являются уравнениями частот. Из решения уравнения (7.12), находим частоты свободных колебаний, 1/с:

(7.14)

Раскрывая определитель (7.13), получаем выражение вида

(7.15)

После преобразования (7.15) приходим к характеристическому уравнению:

,(7.16)

где - частотный параметр, .

Из уравнения (7.16) корни равны:

7.3 Формы колебаний вагона

Частными решениями для симметричного вагона являются функции:

· для независимых колебаний:

(7.19)

· для взаимосвязанных боковых колебаний:

(7.20)

Частным решениям (7.19) отвечают формы колебаний подергивания, подпрыгивания, виляния, галопирования. Решениям уравнений (7.20) соответствуют колебания боковой качки I и II рода.

8 Вынужденные колебания вагона на рессорах

8.1 Резонансные колебания кузова вагона

При движении по гармонической неровности пути реактивные усилия в симметричном вагоне вызывают колебания подпрыгивания и галопирования, которые описываются уравнениями (6.19):

(8.1)

(8.2)

Уравнения (8.1) и (8.2) однотипны. Проследим решение одного из уравнений, например, колебания подпрыгивания. Другое будет решаться аналогично первому.

Общее решение уравнения (8.1) складывается из частного решения однородного уравнения (без первой части) и частного решения неоднородного уравнения (с правой частью):

(8.3)

Частное решение отвечает свободным колебаниям системы (рис.8.1,б), а частное решение - вынужденным (рис. 8.1,а).

Произвольные постоянные являются амплитудами свободных и вынужденных колебаний.

Если подставим частные производные , соответственно в однородное и неоднородные уравнения, то найдем

 (8.4)

Общее решение (8.3) представится теперь в виде:

(8.5)

Возможны следующие случаи колебаний системы:

· нерезонансный, когда ;

· резонансный, когда ;

· случай близкий к резонансному, .

Резонансным случаем (режимом) колебаний считают тот, когда различия между частотами составляет не более 15%.

Колебания в нерезонансной области

При отклонении вагона от положения статического равновесия на величину , вагон совершает гармонические колебания, определяемые первым членом уравнения (8.5). При воздействии на вагон только возмущающих нагрузок вагон совершает гармонические колебания с частотой и амплитудой . Закон колебаний определяется вторым членом уравнения (8.5). В случае воздействия на вагон одновременно начальных возмущений и возмущающих нагрузок движения вагона определяются общим уравнением (8.5).

Из-за наличия в системе сил трения, свободные колебания с течением времени затухают и движение системы определяется вторым членом уравнения (8.5).

Колебания вагона в резонансном и близким к резонансу режимах

Считаем, что частоты возмущений близки к частоте свободных колебаний:

(8.6)

где - бесконечно малая величина.

Динамика вагона определяется законом движения (8.5) с учетом значений параметров (8.4).

Произвольные постоянные в решении (8.5) найдем из начальных условий движений системы. Полагаем, в начальный момент движения перемещение и скорость были равны нулю, то есть:

(8.7)

Из решения системы (8.7) находим:

(8.8)

Общее решение (8.5) с учетом (8.8) и последующим ее преобразованием через тригонометрические функции половинных углов принимает вид:

(8.9)

Периоды тригонометрических функций равны:

(8.10)

Рисунок 8.1 - График колебаний биения

Период , поскольку - бесконечно малая величина. Закон колебаний системы по условию (8.9) показан на рисунке 8.1. Колебания заданного вида называют колебаниями биения.

При более близком совпадении частот, в выражении (8.9) можно принять . Тогда закон колебаний подпрыгивания при учете значения (8.8) будет выражен функцией:

(8.11)

Колебания пропорциональны времени и нарастают с течением времени (рисунок 8.2).

Рисунок 8.2 - График колебаний

За время одного цикла колебаний происходит приращение амплитуд колебаний на величину:

,(8.12)

Аналогично изложенному можно решить уравнение колебаний галопирования (8.2) и найти параметры колебаний:

(8.13)

Выводы:

Колебания динамической системы без сил трения опасны тем, что в резонансном и околорезонансном режимах происходят значительные нарастания амплитуд колебаний. Возникает обезгрузка колесных пар и потеря их устойчивости против вкатывания на головку рельса. Возможны саморасцепы вагонов.

Уровень колебаний определяется величиной возмущающих нагрузок , а последние соотношениями:

· длины базы вагона и неровности пути;

· частот вынужденных и свободных колебаний ().

3. Для снижения колебаний необходимо ввести в рессорное подвешивание диссипативные силы: вязкого или сухого трения.

8.2 Определение параметров гасителей колебаний

Параметры гасителей сухого трения

Необходимые значения сил трения гасителей в первом приближении определим из условия энергетического принципа.

Работа сил трения гасителей за один период колебаний должна равняться приращению потенциальной энергии рессорного подвешивания вагона за тот же период:

(8.14)

где - число гасителей и рессор в вагоне.

- работа сил трения и приращение потенциальной энергии в рессорном комплекте при колебании по оси .

Работу сил сухого трения фрикционного гасителя найдем по площади гистерезисной петли силовой характеристики гасителя (рис.8.3, а):

,(8.15)

а приращение потенциальной энергии - по работе сил упругости (рис. 8.3,б):

,(8.16)

где - силы трения при сжатии и растяжении гасителя в среднем положении;

- амплитуда деформаций рессор и гасителя;

- приращение деформаций рессор за период колебаний;

- силы упругости в начале и в конце периода колебания рессорного комплекта:

,(8.17)

- вертикальная жесткость рессорного комплекта.

Рисунок 8.3-Работа сил трения

Для вагона условие энергетического баланса имеем равное:

(8.18)

Откуда требуемые значения сил трения, при допущении в виду малости, получаем равным:

(8.19)

Приращение вертикальных деформаций рессор находим по приращению амплитуд колебаний подпрыгивания и галопирования:

(8.20)

где - полубаза вагона.

Принято силы трения оценивать через удельные характеристики - коэффициенты относительной сил трения при сжатии и растяжении .

(8.21)

где - сила упругости в рессорном подвешивании от статических нагрузок.

(8.22)

и тогда выражение (8.19) представим как

(8.23)

Или

(8.24)

где - средняя требуемая величина коэффициента относительного трения гасителя колебаний.

Таким же образом можно получить параметр . По колебаниям подпрыгивания и галопирования выбирают наибольшее. Значение принятого коэффициента относительного трения для расчета гасителей колебаний является приближенным и в последующих исследованиях уточняется в динамических системах с сухим трением в рессорном подвешивании.

На основании энергетического способа могут быть определены параметры гасителей вязкого трения.

Работа сил трения гидравлического гасителя колебаний равна:

(8.25)

Откуда на основании энергетического принципа:

(8.26)

Литература