Ефимов Н.А., Ефимов И.Н.
Самарский Государственный университет путей сообщения
РАСЧЁТ ЖЁСТКОСТИ
ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЭЛАСТИЧЫХ ТОРООБРАЗНЫХ АМОРТИЗАТОРОВ
Эффективность работы железнодорожных
транспортных средств в значительной степени зависит от конструкции и параметров
системы подвешивания ходовой части. Для
улучшения динамики ходовой части подвижного состава предлагается устройство
универсального кольцевого эластичного амортизатора с круглым поперечным
сечением, то есть торообразного из эластичного материала – резины, полиуретана.
Данный упругодемпфирующий эластичный элемент (ЭЭ), аналогичный «модулю
Дергачёвых», является универсальным амортизатором и выполняет плавное
возрастание жёсткости при увеличении воздействия сжимающей нагрузки. В
настоящее время «модуль Дергачёвых» нашёл применение в конструкциях
железнодорожных вагонов, где главными критериями являются надёжность составов,
безопасность и комфорт для пассажиров [1]. Эффективное использование и полная
реализация всех ценных физико-механических свойств ЭЭ могут быть достигнуты
лишь при условии правильного обоснования их конструкции, конструктивной
жесткости, рациональных параметров и выборе соответствующего материала.
В связи с этим были проведены численные
исследования напряжено-деформированного состояния универсального кольцевого
амортизатора по оптимизации его геометрических параметров из полиуретана ЭЛУР 10-50, так как в настоящее время в опорах и подвесках
транспортных средств ЭЭ заменяются полиуретановыми. Ресурс полиуретановых
деталей выше резиновых в 4-5 раз и более. При исследованиях применялся
многоцелевой конечно-элементный программный комплекс ANSYS Multiphysics.
Результаты исследований показали, что жесткость торообразных эластичных амортизаторов
при повышении нагрузки начинает круто возрастать при единично допустимых для
эластомеров деформациях от 30 до 40%. Это может обеспечить нормативные
перемещения элементов конструкции ходовой части, улучшение динамических
свойств, повышение плавности движения подвижного состава и надёжность данных
амортизирующих устройств [2].
В результате данных исследований была выведена
формула для определения жёсткости торообразного эластичного амортизатора в
зависимости от его осевой деформации сжатия:
C=ЕS/(d
–Δd)=ЕπDср b/(d
–Δd)=ЕπDср sin[arccos(1–
где S – площадь нагружения,
м;
Е – статический модуль упругости, Н/м2;
Dср = (Dн+Dвн)/2 – средний диаметр
торообразного амортизатора, м;
b=a+Δ a=a
(1+
d –
диаметр эластичного амортизатора, м;
Δd – абсолютная деформация сжатия, м;
[arccos(1–
При
этом увеличение площади контакта за счёт растекания эластомера принималось
равным величине относительной деформации сжатия
Для установления адекватности данной формулы
были проведены экспериментальные исследования зависимости жёсткости от осевой
деформации сжатия торообразных эластичных амортизаторов. В исследованиях
применялись три опытных образца с различными типоразмерами и механическими
характеристиками: №1-твердостью 85 ед., №2-62 ед. и №3-30 ед. по Шору А. Резиновые
образцы подвергались трёхкратному нагружению-сжатию на прессе до
фиксируемых индикатором часового типа относительных осевых деформаций от 5% до
40% со снятием значений усилия пресса. По расчетным и экспериментальным данным
были построены графические зависимости жесткости опытных амортизаторов от
относительной осевой деформации сжатия. В качестве примера приводится для образца
№3, рис 1.
Рис. 1. Зависимости жесткости от
относительной деформации амортизатора№3 с размерами Dн•d = 52•6,5: ○- расчёт;
∆ - эксперимент
Сравнение результатов экспериментальных значений
жесткости с соответствующими значениями, рассчитанными по выведенной
аналитической формуле, показало удовлетворительную сходимость в 6-11%. При этом расчётные данные лежат в
пределах доверительного интервала, что даёт основание рекомендовать данную
формулу для практического применения при проектировании и внедрении эластичных
универсальных торообразных амортизаторов для эффективности и эксплуатационной
надёжности подвижного состава.
CПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дергачёв
Э.П., Дергачёв Э.Э. Снижение динамической нагруженности подвагонного
оборудования // Железнодорожный транспорт.–2005.– №10.–С.60-62.
2. Ефимов Н.А., Андрончев И.К., Ефимов И.Н. Численные
исследования жёсткости перспективных амортизирующих устройств ходовых частей
подвижного состава железных дорог // Вестник транспорта поволжья. Вып.3(27). -
Самара:СамГУПС, 2011,с. 9-14.