Обоснование применения полимерных вставок “Tecspak” в поглощающих аппаратах (Теоретическая часть дипломного проекта "Ударно-тяговое (автосцепное) оборудование грузовых вагонов")

Обоснование применения

полимерных вставок “Tecspak”в поглощающих аппаратах.

В течении последних лет в различных организациях железнодорожного транспорта и вагоностроительной промышленности проводятся многочисленные исследования с целью создания более совершенных поглощающих аппаратов.

Работа ведется в основном в следующих направлениях:

1.  Разработка и усовершенствование фрикционных поглощающих аппаратов путем усовершенствования конструкции с использованием передовых технологий, с использованием современных материалов, а также улучшения силовой характеристики применением пары трения ²сталь-металлокерамика²;

2.  Создание гидравлических поглощающих аппаратов различных конструкций;

3.  Внедрение в производство поглощающих аппаратов с использованием полимеров.

Отличительной особенностью фрикционных аппаратов является то, что большинство из них имеют немонотонные, пилообразные силовые характеристики. Силовые характеристики полимерных и  гидравлических аппаратов монотонны. Кроме того, приведенная динамическая жесткость фрикционных аппаратов обратно пропорциональна скорости их сжатия, в то время как у гидравлических ее величина прямо пропорциональна скорости сжатия аппарата. Динамическая жесткость полимерных

поглощающих аппаратов практически не зависит от скорости их ударного сжатия.

В соответствии с этим силы сопротивления поглощающих аппаратов при равном ходе во время  квазистатического их сжатия у фрикционных аппаратов значительно больше, а у гидравлических существенно меньше, чем при их ударном сжатии.

Силы сопротивления полимерных аппаратов при квазистатическом сжатии меньше, чем при их ударном сжатии. Причем, силы сопротивления полимерных поглощающих аппаратов при их ударном сжатии на протяжении всего хода практически пропорциональны соответствующим силам сопротивления при их квазистатическом сжатии и больше последних на постоянную величину коэффициента динамики, величина которого зависит, главным образом , от твердости полимера

Сопоставление между собой величины энергоемкостей поглощающих аппаратов с ‘мягкой’ (выпуклой) и ‘жесткой’ (вогнутой) силовыми характеристиками, изображенными на рисунке, показывает, что при равных величинах силы и хода большую энергоемкость имеют аппараты с мягкой силовой характеристикой. При этом энергоемкость аппарата тем больше, чем больше выпуклость мягкой силовой характеристики, и тем меньше, чем больше вогнутость жесткой.

Важнейшими нормативными показателями, которыми необходимо задаться на стадии проектирования поглощающих аппаратов, являются энергоемкость, полный ход, конечное усилие и форма силовой характеристики.

Форма силовой характеристики оценивается коэффициентом  ее полноты, который показывает во сколько раз площадь данной характеристики отличается от площади так называемой  идеальной (прямоугольной) при заданном нормативном усилии и соответствующем этому усилию ходе аппарата.

Достоинства и недостатки существующих конструкций всех трех типов поглощающих аппаратов надо рассматривать по совокупности важнейших нормативных показателей.

Сравнительная простота и некоторые эксплуатационные достоинства пружинно-фрикционных аппаратов обусловили широкое их распространение.

Энергия, воспринимаемая этим аппаратом при сжатии, затрачивается на работу сил трения и частично превращается в потенциальную энергию упругой деформации пружин и других элементов аппарата. При этом работа сил трения вызывает износ и нагревание деталей и рассеивается в виде тепла, то есть является необратимой, а работа сил упругости пружин превращается в потенциальную энергию последних и обеспечивает возвращение деталей в первоначальное положение после прекращения действия внешней силы.

Одним из основных недостатков фрикционных поглощающих аппаратов является их недостаточная энергоемкость, которая объясняется относительно низким коэффициентом полноты силовой характеристики, особенно у существующих аппаратов с парой трения сталь-сталь, где он составляет всего 0,25-0,27.

Так, аппараты типа Ш-1-ТМ, которыми оборудованы в настоящее время четырехосные вагоны, при продольной силе 200 т имеют энергоемкость всего 3000 кгс.м. Не удовлетворяют техническим требованиям и аппараты типа Ш-2Т, которые временно применяют на восьмиосных вагонах.

Другим существенным недостатком фрикционных аппаратов является нестабильность их работы, связанная с высокой чувствительностью аппаратов к изменению коэффициента трения.

Это, с одной стороны, проявляется  в изменении энергоемкости по мере приработки поверхности трения; с другой стороны, в аппарате с хорошо приработанными поверхностями возникает заклинивание при прямом и обратном ходе, а начальная жесткость аппарата (начальная сила) становиться недопустимо большой. Кроме того, как правило, появляется скачкообразное изменение силы.

Применение полимеров “Tecspack” позволит проектировать поглоща-ющие аппараты простой конструкции, малых габаритов и массы со сравнительно высокой энергоемкостью при хорошей их стабильности.

По своим свойствам упруго деформироваться под действием  усилий полимерные материалы напоминают твердые тела, но резко отличаются от других конструкционных материалов пределами практически обратимых относительных деформаций, которые для резины в 20-30 раз, а для полимеров “Tecspack” в 30-40 раз шире, чем для стали . Другой особенностью полимеров при деформациях от действия внешних усилий являются резко выраженные релаксационные вопросы.

Для полимерных амортизаторов основными свойствами являются упругость, прочность, способность гасить механическую энергию, а также возможность крепления к другим материалам.

Характеристики упругости полимерных и резиновых изделий при сжатии являются наиболее сложными и менее изучены, чем характеристики при других видах деформации. Однако именно на сжатие работает значительная часть полимерных амортизаторов. В настоящее время в технических условиях на полимеры, к сожалению, редко указываются характеристики при сжатии. Эти характеристики  приходится определять косвенным путем по другим свойствам или проведением испытаний полимерных изделий или образцов полимеров.  

Разработка поглощающих аппаратов на основе полимерных вставок “Tecspack” позволит получить конструкцию простую в изготовлении. В таких аппаратах  практически отсутствуют трущиеся пары, а следовательно, и износ, в связи с чем их силовые характеристики значительно стабильнее и межремонтный срок в 5-7 раз больше, чем у серийных фрикционных. Планируемое получение снижения веса поглощающих аппаратов на основе полимерных вставок “Tecspack” в среднем 20-30%, по сравнению с серийными фрикционными. По предварительным подсчётам ход такого аппарата должен составить 90 мм при затяжке 10 мм

 Как показали исследования лаборатории ГУП „ПО Уралвагонзавод”, проведённые 22.03.02, силовые характеристики поглощающего аппарата ”MINER” производства США, в течении времени практически не отличались от первоначальных, что говорит об устойчивости материала “Tecspack” старению, кроме того определить величину удельной нагрузки при разрушении не удалось, т.к. даже при нагрузке в 100 тс образец полимерной вставки “Tecspak” полностью расплющился, но не сломался.

Проведенные ВНИИЖТом в 1994-95 годах стендовые испытания фрикционных поглощающих аппаратов Ш-1-ТМ и Ш-2-В с элементами “Tecspack” фиры ²Miner² показали, что их использование вместо пружин обеспечивает  возможность увеличения жесткости упругого элемента и хода аппарата, а также снижение передаточного отношения клиновой системы аппарата, что позволяет реализовать следующие преимущества:

l   значительное повышение энергоемкости аппарата в состоянии поставки;

l   увеличение энергоемкости после приработки;

l   снижение возможности заклинивания;

l   увеличение срока службы аппарата за счет снижения износов корпуса;

l   исключения разрушения пружины;

l   снижение массы  аппарата.

Исходя из этих новых качеств применения полимера было принято решение сконструировать  принципиально новый поглощающий аппарат с применением полимерных элементов “Tecspack”.