МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПЕРСПЕКТИВНОГО АМОРТИЗАТОРА УДАРА АВТОСЦЕПКИ С УПРУГИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Говоров В.В., Халаев А.А., Болдырев А.П. (БГТУ, г. Брянск, РФ)

 

Modelling and calculating of the promising automatic coupler cushioning device are carried out on the base of elastic elements made of modern polymer material Hytrel 5556. Efficiency of its work is evaluated for basic operative conditions.

 

Современные условия эксплуатации подвижного состава характеризуются интенсификацией сортировочных и маневровых операций из-за увеличения скоростей соударений вагонов, повышением их грузоподъемности. Это ведет к росту продольной нагруженности и повреждаемости железнодорожных транспортных средств. Актуальными являются исследования, направленные на совершенствование устройств, защищающих вагоны от продольных воздействий, в частности амортизаторов удара (поглощающих аппаратов).

Существует много различных конструкций амортизаторов удара автосцепного устройства железнодорожного вагона, и у всех есть свои достоинства и недостатки. Фрикционные аппараты дают различные значения силы удара при одинаковых повторных экспериментах, также они требуют приработки. В резинометаллических амортизаторах силовая характеристика может меняться с течением времени из-за старения резины, а также под влиянием различного рода механических факторов. Гидравлические поглощающие аппараты также чувствительны к внешним условиям. Так как гидроамортизатор представляет изделие высокой точности, то затраты на его производство гораздо больше, чем на фрикционные и полимерные амортизаторы удара. Эластомерные аппараты обладают такими же недостатками, как и гидроамортизаторы.

В последнее время широкое применение получили полиэфирные термоэластопласты (ТЭП), которые подвергаются большим упругим деформациям, при этом они не восприимчивы к концентраторам напряжений. Также они могут подвергаться переработке, что имеет большое значение для охраны окружающей среды. ТЭП марки Хайтрел 5556 является одним из представителей данной группы материалов, поэтому он был выбран в качестве объекта исследования.

На основе понятий гиперупругости (1) была разработана математическая модель материала.

(1)

где,  - тензор напряжений,

 - тензор деформации,

 - плотность энергии деформации,

 - упругий потенциал, отнесенный к единице объема  недеформированного тела

Для проверки адекватности математической модели материала были изготовлены образцы (рис. 1), и проведен ряд статических испытаний полимерных элементов различной формы.

Испытания приводились в лаборатории кафедры ДПМ БГТУ на прессе ПММ-250 (рис. 2).

Образец 2 устанавливался на стол 3 пресса ПММ-250. Ход элемента измерялся реохордом 6, а сила, нагружающая образец, с помощью силомера 4. Затем данные обрабатывались программным пакетом Norma. Проводилось семь прожатий элемента, после которых происходила запись силовой характеристики.

На рисунке 3 показана силовая характеристика цилиндрического образца № 5 (см рис. 1).

Расхождение расчетных и экспериментальных силовых характеристик составило от 1,5 % – 5,36 %, что говорит о правильности разработанной модели (рис. 4).

На стенде-горке ПК БСЗ-БИТМ были проведены динамические испытания комплекта полимерные элементов из Хайтрела 5556 общей высотой 386 мм.

В программном пакете MSC.Marс 2008 были просчитаны силовые характеристики полимерных элементов для поглощающего аппарата

Проведена проработка конструкции амортизатора удара (рис. 5). Аппарат состоит из корпуса 1, крышки 2, полимерных элементов 3, промежуточных пластин 4, направляющей 5, болтов 6, нажимной крышки 7.

Был выбран оптимальный размер полимерного элемента, который обеспечивал требуемую энергоемкость при допустимой деформации элемента.

В программном пакете MSC.Marс 2008 были проведены расчеты на прочность элементов конструкции аппарата (рис. 6). По результатам расчета было установлено, что эквивалентные напряжения в корпусе аппарата не превышают условный предел текучести равный 550 МПа для стали 18ХГТ, из которой предполагается отливать корпус аппарата АПГ-115.

При моделировании сертификационных соударений вагонов были получены следующие показатели поглощающего аппарата:

·        Максимальная сила – 2,63 МН;

·        Конструктивный ход аппарата – 115 мм;

·        Номинальная энергоемкость – 75 кДж;

·        Максимальная энергоемкость – 93 кДж.

Таким образом разработанный аппарат соответствует классу Т1 и может быть рекомендован к внедрению на железнодорожном транспорте.