ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЕМПФИРОВАННОГО МАТЕРИАЛА «МЕТАЛЛОРЕЗИНА» В КОНСТРУКЦИЯХ ТЕПЛОВОЗОВ

ТЭМ-1, ТЭМ-2, 2ТЭ25К И 2ТЭ25А

 

Васюков Е.С.¹, Козин В.А.¹, Ермаков А.И.², Пономарев Ю.К.², Котов А.С.²

(УК БМЗ ¹, г. Брянск, РФ, СГАУ ², г. Самара, РФ)

 

Results of many years cooperation of Bryansk machine-building plant and Samara Aerospace University for development of vibration protection systems with high-damping MR (Metal Rubber) material for diesel locomotives are presented in this article.

 

В марте 1967 года Брянский машиностроительный завод столкнулся с проблемой повышенных вибраций силовых установок тепловозов ТЭМ-1, а позднее и ТЭМ-2. Силовая установка тепловозов представляла собой дизель-генератор, состоящий из дизеля ПД1М и тягового генератора постоянного тока ГП-300БУ2, якорь которого жестко соединен с коленчатым валом дизеля [1]. Дизель-генератор устанавливался на раму тепловоза двумя опорами на 16 платиков и двумя лапами генератора на две пружины. Платики диаметром 90 мм обрабатывались в одной горизонтальной плоскости и были расположены в два ряда симметрично продольной оси тепловоза. Для устранения зазоров между опорными поверхностями дизеля и платиками устанавливались регулировочные прокладки. Было замечено, что наличие больших зазоров увеличивает напряжения на раме дизеля и способствует повышению общей вибрации тепловоза.

Следует отметить, что процедура устранения зазоров довольно трудоемка и занимает много времени. Кардинальное решение проблем вибрации дизель-генератора и снижение затрат на установку дизель-генератора на раму тепловоза было найдено с помощью замены металлических регулировочных прокладок на упругодемпфирующие из материала МР. К этому времени появилось сообщение, что в Куйбышевском авиационном институте (КуАИ) создан уникальный упругодемпфирующий материал из опрессованной проволоки. Письмом БМЗ № 242/ОКТ от 03.03.67, посланным начальником ОКТ Ароновым, была запрошена информация  «о новых амортизационных материалах, изготавливаемых из витых спиральных проволочек («резина» из металла)». 16 марта 1967 года руководителем лаборатории № 1 КуАИ профессором Сойфером А.М. были отправлены подробные материалы по изготовлению деталей из материала МР и началось плодотворное сотрудничество. Сначала для двух опытных тапловозов ТЭМ2-522 и 523 были изготовлены упругодемпфирующие элементы в виде шайб с наружным диаметром 90 мм и внутренним диаметром 32 мм. Высота шайб составляла величину от 14,2 до 16,3 мм. Вес одной шайбы составлял 0,3 кгс с плотностью 3,54 г/см³, проволока имела диаметр 0,2 мм, диаметр спирали – 2 мм и материал проволоки – Х18Н10Т. Упругодемпфирующие шайбы устанавливались между опорными поверхностями дизеля и платиками того же диаметра, что и шайбы. Применялась равномерная затяжка гаек на фундаментных шпильках крутящим моментом 6,0…7,5 кГм.

До применения материала МР на тех же тепловозах апробировался вариант установки дизель-генератора на резиновые прокладки. Вибрация дизеля составляла величину от 0,8 до 2,0 мм. При этом в зимнее время вибрации увеличивались вследствие изменения характеристик резины от температуры. Имело место и заметное старение резины со временем эксплуатации. После установки силовой установки на упругодемпфирующие шайбы из материала МР вибрации на раме и лапах дизеля не превышали 0,12 мм (рис. 1).

 

Рисунок 1 - Амплитудно-частотная характеристика дизель-генератора тепловоза ТЭМ2-522, снятая  в вертикальном направлении

Рисунок 2 - Внешний вид виброизолятора, созданного для тепловозов 2ТЭ25К и 2ТЭ25А

 

В 2005 году ОАО «ВНИКТИ» и БМЗ приступили к совместному проектированию новых магистральных тепловозов «Пересвет» 2ТЭ25К и «Витязь» 2ТЭ25А. Учитывая прошлый успешный опыт применения материала МР на маневровых тепловозах, было принято решение привлечь СГАУ к разработке и оснащению дизель-генераторных установок этих тепловозов перспективными виброизоляторами из материала МР [2 – 6]. Для виброизоляции была принята схема, состоящая из двух конусных втулок и представленная на рис. 2.

Созданию виброизолятора предшествовала большая теоретическая работа по разработке методики расчета упругогистерезисных характеристик. Рассмотрим одну из этих методик, посвященную процессам радиального деформирования виброизолятора, конструктивно состоящего из двух конусных втулок, соединенных корпусом в двойной упруго-гистерезисный упор.

Обозначим параметры верхней и нижней втулки индексами 1 и 2 соответственно.

 

Рисунок 3 - Расчетная схема втулки из материала МР при радиальном деформировании

 

Зададим  перемещение вибратора с амплитудой А в виде гармонического закона некоторой вспомогательной переменной a  изменяющейся в диапазоне [0, 2p]:

                              .                                            (1)

Будем описывать текущее состояние упругодемпфирующего элемента с помощью коэффициента загрузки демпфера, который определяется выражением:

                                                                 (2)

Тогда для элемента dF  расположенного под углом j  (рис.3)  коэффициент загрузки можно описать выражением:

                                                                                        (3)

При перемещении цапфы вдоль горизонтальной оси на величину x нормальные смещения q_i выделенных элементов для первой и второй втулок будут соответственно  равны:

                                                        (4)

Тогда смещения площадок dF относительно вибратора в тангенциальном направлении составят:

                                                                                              (5)

Амплитудное значение нормальных смещений вдоль вертикальной оси будет определяться выражением:

                               (6)

Амплитудное значение смещения площадок dF относительно вибратора в тангенциальном направлении:

                                          (7)

При подстановке (4) и (6) в выражение, определяющее изменение относительной плотности

                                      ,                                                (8)

найдем текущее изменения относительной плотности  и , а также  амплитудные значения изменения относительных плотностей  и .

Тогда элементарные нормальные силы, действующие со стороны элементарных столбиков с площадями поверхности контакта dF, будут определяться в виде [2]:

         .                         (9)

Для сил трения, с учетом предварительных смещений, реализованных в виде зависимости коэффициента трения f от величины взаимного проскальзывания , запишем:

  .                                (10)

Силы трения направлены противоположно взаимному проскальзыванию вибратора относительно упругодемпфирующих элементов (рис. 4).

Приняв во внимание направление сил трения, введя регулятор знака в виде множителя , спроецируем нормальные и касательные силы на ось x:

                                             (11)

                                  а                                                           б

Рисунок 4 - Выбор направления сил трения при нагружении (а) и разгружении втулок (б)

 

С учетом (10), выражение (11) можно записать:

            (12)

Окончательно, для элементарной суммарной силы сопротивления упругодемпфирующего элемента для каждой из конических втулок можно записать:

                            (13)

                     (14)

Интегрируя по всей поверхности соприкосновения вибратора с упругодемпфирующими элементами из материала МР, получим суммарные силы сопротивления втулок в виде:

             (15)            Суммарная сила сопротивления демпфера получится суммированием сил сопротивления втулок:

.                                          (16)

По данной методике были рассчитаны нагрузочные характеристики виброизоляторов, устанавливаемых на серийно выпускаемые тепловозы «Пересвет» и «Витязь» (рис. 5), используемые для расчета динамики дизель-генераторной установки.

 

Рисунок  5 -  Нагрузочная характеристика виброизолятора, показанного на рис. 1

 

На рис. 6 показаны записанные сигналы ускорений на лапах дизель-генератора и раме тепловоза. Условно сигналы разнесены для сравнительного анализа уровней. Из этого рисунка видно, что с помощью виброизоляторов на основе материала МР удалось снизить амплитуды ускорений, а, следовательно, и вибронагрузки приблизительно в пять раз.

Время, c

 

Рисунок 6 - Сравнительный анализ уровней виброускорений на раме тепловоза 2ТЭ25К (вверху) и  лапах дизель-генератора (внизу)

 

Литература

1. Тепловоз ТЭМ2У. Руководство по эксплуатации и обслуживанию. -М., Транспорт, 1988.

2. Ponomarev, J.K. Account of the elastic and damping characteristics for pipelines support using MR material (metallic rubber)/J.K. Ponomarev, Gunin W.A., A.S. Kotov, M.V. Mednikow//IV International Congress: Mechanical Engineering Technologies 04: сб. статей/ Варна: Болгария, изд-во Болгарской академии наук и международного конгресса по машиностроительным технологиям, 2004.- С. 232-235.

3. Пономарев Ю.К., Ермаков А.И., Котов А.С. и др. Разработка математической модели виброизолятора с шаровым упругодемпфирующим элементом из материала МР/ //Вестник СГАУ «Проблемы и перспективы развития двигателестроения»:  сб.науч.тр. /Самара: РИО СГАУ, 2006.- ч. 1.- С. 392-397.

4. Пат. 2295455 РФ, МПК В60К 5/00, В61F 1/14. Способ установки дизель-генератора на раму тепловоза/ Петров В.Ф., Волохов Г.М., Пономарев Ю.К., Котов А.С. и др.- № 2006105442/11; заявлено 21.02.06,  опубл. 20.03.07. Бюл. № 8.

5. Котов А.С. Разработка и исследование характеристик пространственного цельнометаллического виброизолятора с упругим элементом из материала МР/ //Международная научно-техническая конференция «Рабочие процессы и технология двигателей»: тез. докл./ Казань: Казанский гос.техн.ун-т, 23-27 мая 2005.- С.92-94.

6. Котов А.С., Пономарев Ю.К., Паровай Ф.В.. Исследование количественных характеристик технологии изготовления изделий из материала МР/ //Вестник СГАУ «Проблемы и перспективы развития двигателестроения»: сб.науч.тр.  /Самара: РИО СГАУ, 2006.- ч.2.- С. 397-401.