Первые|Начало внедрения|Реконструкция тяги|Новые решения|Литература|Страница автора
Измеров О.В.
КЛАССИФИКАЦИИ ТЯГОВЫХ ПРИВОДОВ
Недостатки существующих классификаций тяговых приводов.
ПО ДИНАМИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ
ДЛЯ ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕЛЬСОВЫХ ЭКИПАЖЕЙ
В последние полвека неоднократно предпринимались попытки создания классификаций тягового привода рельсовых транспортных средств. Наиболее совершенными из них можно считать две, предложенные в работе [1].
Первая из них представляет собой классификацию базовых вариантов индивидуальных приводов с односторонними передачами, не имеющими упругих элементов. Авторы делят приводы на три класса, определенные ими как «степени динамического совершенства»:
класс I – с опорно-осевыми двигателями и редукторами, характеризуемый «высоким уровнем всех основных динамических показателей»;
класс II – с опорно-рамными двигателями и опорно-осевыми редукторами; по утверждению авторов, «в зависимости от конкретной схемы приводы этого типа могут приближаться по динамическим свойствам к приводам класса I или III»;
класс III – с опорно-рамными двигателями и редукторами, характеризуемый авторами, как имеющий «наиболее благоприятные динамические показатели».
Поскольку вышеприведенная классификация охватывает наиболее распространенные в 70-80-е годы тяговые привода отечественных локомотивов, авторы [1] предлагают более полную классификацию «по динамическим свойствам приводов», охватывающую как индивидуальные, так и групповые привода, разделяя их на группы по семи признакам:
1 признак - степень развития замкнутого контура кинематической цепи привода (индивидуальный привод с односторонней передачей, индивидуальный с двусторонней, групповой);
2 и 3 признаки – степень подрессоривания соответственно корпусов двигателя и редуктора, «определяющая их расположение; на оси или на раме тележки (кузова)»;
4-й признак – степень связи поворота централи редуктора в пространстве с вертикальным перемещением колесной пары, определяющий степень влияния перемещения колесной пары на динамические моменты в валопроводах привода;
5-й признак – чувствительность привода к возмущениям, вызываемым крутильными колебаниями, т.е. степень связи поворота централи редуктора с поворотом якоря ТЭД;
6-й и 7-й признаки характеризуют связь нагруженности элементов компенсирующих муфт привода с расцентровкой валов привода.
Данная классификация охватывает основную часть известных конструктивных схем тяговых приводов и может быть расширена за счет дальнейшей классификации муфт. Тем не менее и ей присущи определенные недостатки.
Основной методологический недостаток классификации состоит в том, что, как в первой, так и во второй классификации в качестве признаков фактически используются не сами динамические свойства, а конструктивные решения, влияющие на реализуемые динамические параметры привода. Так, например, степень подрессоривания двигателя в классификации фактически определена лишь местом расположения двигателя (подвеска на оси или на раме тележки), хотя подвеска на раме тележки является не устранением причины возникновения динамических усилий и моментом (т.е. устранения возмущения от пути), а способом упругого подвешивания тягового двигателя на оси колесной пары посредством буксового подвешивания и рамы тележки. Таким образом, по умолчанию полагается, что буксовая ступень подвешивания является более высокой степенью обрессоривания двигателя, чем, например, опорно-центровое подвешивание, хотя в реальной конструкции, например, в тележке путевой машины или легкорельсового транспорта с буксовым подвешиванием Меги это условие может и не выполняться.
С точки зрения накопленного научного задела по динамике и прочности тяговых приводов основным недостатком классификации является то, что в классификации используются несколько признаков, отражающих динамические свойства привода при воздействии неровностей пути, в то время как совершенно отсутствуют признаки, отражающие степень нагруженности деталей привода при воздействии других динамических факторов, например, автоколебаний в режиме боксования или воздействие зубцовых возмущений. При попытке же ввести такие признаки в классификацию выясняется, что понятие динамического совершенства в реальном приводе является условным и противоречивым. Так, в приводе с опорно-рамным двигателем и редуктором надежность тягового двигателя может оказаться хуже, чем в приводе с опорно-рамным двигателем и опорно-осевым редуктором из-за воздействия зубцовых возмущений на элементы двигателя и изгиба вала от изгиба вала под действием реакции ведущей шестерни на валу ТЭД, а касательные напряжения в оси при боксовании могут достичь значений, которые в эксплуатации могут привести к поломке оси.
С точки зрения практики проектирования железнодорожного экипажа основным недостатком классификации является то, что авторы рассматривают только динамические качества тягового привода, как такового, в то время как для потребителя важны надежность и снижение эксплуатационных расходов на всю систему «экипаж-путь». При этом стремление к динамическому совершенству привода может входить в противоречие со стремлением к динамическому совершенству всего экипажа. В частности, размещение тяговых двигателей на раме, снижая необрессоренную массу локомотива, одновременно ведет к увеличению момента инерции тележки и ухудшению воздействия на путь обрессоренных масс локомотива в вертикальной плоскости (например, за счет увеличения галопирования), ухудшения прохождения крутых кривых и стрелок на боковой путь и т.п. Известно, например [2], что у тепловоза ТЭП75 с приводом с опорно-рамным двигателем и редуктором при испытаниях на скорости 160 км/ч горизонтальные и вертикальные ускорения кузова оказались существенно выше, чем у тепловоза HS4000 Kestrel с опорно-осевым приводом.
В результате изложенного можно сделать вывод, что существует необходимость в создания классификации тяговых приводов, специально ориентированной на задачи проектирования железнодорожных экипажей.
Методические подходы к построению новой классификации.
Принятие в качестве основной сферы использования классификации именно задач проектирования локомотива означает, что понятие динамического совершенства должно применяться в первую очередь к тележке и экипажу в целом, и что проектировщик может пойти на допустимое ухудшение отдельных динамических показателей привода (например, динамического момента в валопроводах) в целях улучшения динамики экипажа в целом. Основной динамической характеристикой тягового привода по отношению к тележке рельсового экипажа является соотношение обрессоренных и необрессоренных масс привода. С одной стороны, увеличение конструкционной скорости рельсового экипажа может потребовать ограничения необрессоренной массы; с другой стороны, увеличение обрессоренных масс тележки может потребовать увеличения сопротивления повороту тележки для снижения виляния в прямых, что, в свою очередь приведет к ухудшению динамических показателей в кривых и т.п. Выбирая тяговый привод, проектировщик фактически в первую очередь выбирает приемлемое отношение обрессоренных и необрессоренных масс. Отсюда следует, что базовым признаком новой классификации привода должна быть степень необрессоренности масс привода.
Что касается других динамических свойств привода (динамический момент в валопроводах, ускорение элементов привода и т.п.), то в настоящее время в мировой практике основным путем решения проблем, связанных с этими свойствами, является в первую очередь совершенствование технологии изготовления, а также введение упругих элементов, снижающих напряжения и деформации элементов конструкции от воздействия динамических факторов до уровня, соизмеримого с воздействием тяговых моментов (применение асинхронных ТЭД, косозубых и шевронных передач, конических роликоподшипников, замена цилиндрических резинометаллических шарниров сферическими и т.п.). Это позволяет на период, пока внедрение новых технологий является выгодным для производства железнодорожных экипажей, исключать из классификации признаки, связанные с чувствительностью элементов привода к воздействию неровностей пути, кинематическим несовершенством муфт и т.п. Несомненно, такое допущение ограничивает время актуальности классификации, однако, в отличие от естественных наук, в технике актуальность классификаций, как правило, сохраняется на определенный период развития техники (в данном случае это период выхода отечественного железнодорожного машиностроения на передовые рубежи мировых технологий).
В связи с тем, что в групповых приводах кинематическая цепь привода при движении рельсового экипажа не является строго замкнутой вследствие наличия упругого скольжения колеса по рельсу, а, с другой стороны, абсолютное большинство тяговых приводов содержат замкнутый контур кинематической цепи из-за того, что правый и левый колесный центры связаны осью, признаком степени развития замкнутости контура кинематической цепи привода в новой классификации можно пренебречь и полагать, что выбор между индивидуальным и групповым приводом диктуется в данное время в основном не стремлениями получить определенные динамические свойства, а имеющейся на предприятиях корпорации технологической базой и возможностями и целесообразностью закупки комплектации.
Наконец, еще одним важным моментом в построении новой классификации является то, что она должна представлять собой не просто разделение совокупности известных конструкций тягового привода по определенным формализованным признакам, а подобие алгоритма перехода от базовых динамических свойств привода в составе рельсового экипажа к конкретным конструкциям, что позволяет проектировщику не только дополнять классификацию какой-либо вновь найденной конструкцией привода, а активно использовать данную классификацию для поиска новых способов решения технической задачи.
Рассмотрим практическую реализацию данных методических предпосылок в виде классификации – алгоритма.
Построение классификации.
Схема классификации показана на рисунке:
Группировка тяговых приводов в зависимости от их необрессоренной массы наиболее просто может быть произведена разбиением их на три группы:
- необрессоренные тяговые приводы, т.е. такие приводы, в которых долю массы узлов и деталей, относящихся к обрессоренным массам, можно для практических задач считать пренебрежимо малой;
- частично обрессоренные тяговые приводы, т.е. такие, в которых практически значимой величиной является как масса, которую можно отнести к необрессоренной, так и масса, которую можно отнести к обрессоренной;
- обрессоренные тяговые приводы, т.е. такие, в которых долю массы узлов и деталей, относящихся к необрессоренным массам, можно для практических задач считать пренебрежимо малой.
Таким образом, все мыслимые конструктивные решения приводов делятся на три группы и четвертой в принципе быть не может: либо практически весь привод необрессоренный, либо практически весь обрессоренный, либо нечто промежуточное. Поэтому первый, базовый уровень классификации уже не зависит ни от развития технологии, ни от изменения потребительских функций рельсового экипажа.
Однако базовый уровень классификации сам по себе не дает представления о конкретном техническом решении тягового привода и практической информации по его выбору и созданию новых схем. Поэтому в классификацию введены уровни перехода от базового свойства привода к конкретному решению.
Второй уровень классификации – это принцип технического решения.
Для полностью необрессоренного привода принцип решения самоочевиден, поскольку все значимые в весовом отношении элементы привода должны жестко опираться на ось либо быть связаны с ней непосредственно либо через другие элементы, также относящиеся к необрессоренным массам. Это определяет переход на третий уровень - уровень конструктивной схемы (непосредственный опорно-осевой привод), а от него – на уровень примеров технических решений (например, привод электровоза линии Балтимор-Огайо 1895 года).
Отметим сразу, что в классификации не обязательно перечисление всех примеров решений, и при использовании классификации для той или иной практической задачи одни массивы примеров могут быть опущены, а в других, наоборот, могут быть введены низшие подклассы технических решений. Это позволяет избежать попыток «объять необъятное» в данной классификации и вообще избежать ее чрезмерно громоздкости; классификация подстраивается пользователем под решаемую задачу.
Чтобы получить частично обрессоренный привод, необходимо тем или иным способом выделить в нем часть привода (детали, узлы, их части), которая будет относиться к необрессоренным массам, и часть привода, которая будет относиться к обрессоренным. Таким образом, для частично обрессоренного привода общим принципом технического решения является разделение привода на обрессоренную и необрессоренную массы. На втором уровне выделено четыре известных способа разделения масс привода:
- разделение якоря и остова, что на уровне конструктивной схемы соответствует известному решению «остов на раме, якорь на оси», и на уровне примеров – приводу Батчелдера;
- разделение точек подвеса привода (часть массы привода опирается на ось непосредственно, другая – через раму тележки), что на уровне конструктивных схем соответствует классическому опорно-осевому приводу, и на уровне примеров – приводу с жестким зубчатым колесом и траверсой, к приводу с упругим зубчатым колесом и жесткой подвеской и т.п;
- разделение передачи и ТЭД, что на уровне конструктивных схем соответствует опорно-рамному приводу с опорно-осевым редуктором и на уровне примеров – приводу с внешним карданом, с двойной муфтой, с карданом в полом якоре и т.п.;
- разделение колес передачи, соответствующее на уровне конструктивных схем двум разным схемам; первое из них – привод без передаточного механизма (например, предложенный в [3] Л.Н. Решетовым), а другое – привод гибкой связью (клиноременный привод трамвая Сименса, цепной привод)
В приводе, элементы которого полностью обрессорены, при технической реализации существует единая техническая задача – каким образом связать этот привод с необрессоренными массами, чтобы передать на них тяговое усилие. Таким образом, здесь общим принципом технического решения является нахождение способа связи привода с необрессоренными массами, и приводы разбиваются соответственно по найденным способам связи. Выделено три известных способа такой связи:
- связь компенсирующим механизмом, что соответствует двум возможным конструктивным схемам: компенсирующим механизмом с соосными валами (поперечной муфтой, полым карданным валом и т.п.) и механизмом с несоосными валами (поперечно-кривошипные приводы с наклонным дышлом, с рамой Кандо и т.п.);
- связь упругой опорой, что соответствует конструктивной схеме опорно-центрового привода (с кольцевой опорой, с опорой из отдельных элементов и т.п.);
- связь электромагнитным полем, что соответствует линейному электродвигателю (с одинарным, с двойным зазором и т.п.).
Как видно из приведенного, новая классификация способна охватить все тяговые приводы, включая экспериментальные и редко используемые. В новой классификации выявлены направления конструкторского поиска не только на уровне тривиальных идей (например, использование иной карданной муфты и т.п.), но и на уровне создания новых семейств приводов за счет изобретения нового способа разделения масс привода или нового способа связи колесной пары и привода.
Хотя в представленной классификации и не были включены признаки динамических свойств, задача оптимизации которой является подчиненной по отношению к задаче оптимизации экипажа в целом (ускорения остова ТЭД, динамический момент в валопроводах и т.п.), это ограничение вызвано прежде всего двумерной схемой классификации и в дальнейшем может быть снято без изменения ее структуры, путем перехода к трехмерной и многомерной схеме.
Выводы.
1. Изучение существующих классификаций тягового привода железнодорожных экипажей показывает необходимость создание классификации тягового привода, специально ориентированной на задачи проектирования.
2. В качестве базового признака новой классификации предлагается взять степень необрессоренности масс привода.
3. Установлено, что основными принципами реализации требуемой степени необрессоренности масс привода в конструктивной схеме привода являются способы разделения масс привода (в частично обрессоренных приводах) и сособы связи привода с колесной парой (в полностью обрессоренных).
4. Предложенная классификация способна охватить все известные решения тяговых приводов и определяет направления поиска новых.
Литература.
1. И.В. Бирюков, А.И. Беляев., Е.К. Рыбников. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог. М., Транспорт, 1976 – 256 с.
2. Повышение надежности экипажной части тепловозов. А.И. Беляев, Б.Б. Бунин, С.М. Голубятников и др. Под ред. Л.К. Добрынина. М., Транспорт, 1984 - 248 с.
3. Л.Н. Решетов. Самоустанавливающиеся механизмы. Справочник.- 2-е изд., перераб. и доп. - М., Машиностроение, 1985 - 272 с.
