Совершенствование конструкций кузовов пассажирских вагонов. Виброзащита вагонов, страница 2

Для защиты кузова от вибраций, вызванных работой энергетического и другого оборудования, а также для защиты измерительной аппаратуры от вибрации кузова в вагоне устанавливают упругие элементы – амортизаторы (пружины, рессоры, резиновые и резинометаллические блоки, прокладки из пробки и т.п.). Деформация амортизатора всегда сопровождается некоторым рассеиванием энергии за счет его внутреннего трения. Если постановкой амортизатора не достигается необходимый эффект, то применяют гасители колебаний, которые работают параллельно упругим элементам. Амортизируемый объект с массой m, упругие элементы с жесткостью с, гасители колебаний с силами неупругого сопротивления F и основание (кузов) вагона образуют виброзащитные системы, условно подразделяемые на две группы:

-  пассивные, в которых динамические воздействия вызываются перемещениями (колебаниями) кузова Zk(t). Упругие элементы в этом случае защищают амортизируемый объект (например, измерительную аппаратуру) от инерционных сил, возникающих при вынужденных колебаниях;

-  активные, в которых возмущающая сила Р непосредственно приложена к амортизируемому объекту (например, электрогенератору). Назначение упругих элементов в этом случае состоит в защите (виброизоляции) основания системы (например кузова вагона) от действия возмущающих сил.

Задача  расчета таких сил состоит в подборе параметров с и Fамортизаторов. Поскольку масса кузова во много раз больше массы расположенных в вагоне амортизируемых объектов, справедливо считать, что процессы их колебаний в пассивной системе не влияет на процессы колебания кузова, который сам расположен на упругих элементах – рессорном подвешивании. Поэтому перемещением кузова на рессорном подвешивании в этом случае будет являться для  амортизируемого объекта возмущающим фактором.  В простейшем случае такая пассивная система, в которой силы неупругого сопротивления отсутствуют (F=0), будет иметь Zр – перемещение амортизируемого объекта (прибора) с массой m, Zk, (t) – вертикальные перемещения кузова вагона в месте расположения прибора. Согласно принципу Даламбера процесс колебаний амортизируемого объекта описывается дифференциальным уравнением

Полагая, что колебания кузова вагона в точке размещения амортизируемого объекта имеют

гармонический характер вида:

,

Решение этого условия для вынужденных колебаний Z₁, можно записать в виде:

, где

 - коэффициент передачи амплитуд.

Здесь V² = С/m; r =w/V.

Полученное выражение для коэффициента передачи позволяет исследовать изменение амплитуды колебаний амортизирующего объекта в зависимости от жёсткости С упругого элемента и частоты w колебаний кузова вагона.

Наиболее опасным случаем является колебание объекта в резонансном режиме при совпадении частоты его собственных колебаний с частотой возмущающей силы (w=V; r=1), когда амплитуда перемещения массы m неограниченно нарастает. В переделах дорезонансной (w<n) и после резонансной (w>n) зон амплитуда колебаний массы m имеет конечные значения, увеличиваясь с ростом величины r в первой зоне и уменьшаясь во второй зоне.

Выбор жёсткости С упругого элемента определяется допустимой величиной перемещения амортизируемого объекта. Так, для жёсткого элемента при С®¥,

собственная частота n®¥, а отношение частот r®0. в этом случае коэффициент передачи c®1 и колебания массы амортизируемого объекта и кузова будут одинаковыми. Если же r²®2, , то c®-1, что означает равенство отношений массы амортизируемого объекта и кузова при колебаниях в противоположных направлениях. При других значениях жёсткости С, когда 0< r²<2 и ½c½>1, амортизируемый объект будет колебаться с амплитудой, большей, чем амплитуда колебаний кузова, и, следовательно, упругость подвески объекта вызывает увеличение воздействий на него динамических сил. Положительный эффект от упругой подвески объекта достигается только при малой жёсткости упругого элемента, которой во время движения вагона с наибольшей эксплуатационной скоростью соответствует процесс колебаний в зарензонансной области  и . Однако, при меньших скоростях движения, например, при разгоне поезда, при малой жёсткости упругого элемента будут возникать резонансные колебания амортизируемого объекта. В таком случае для предотвращения чрезмерного нарастания амплитуд в систему подвески наряду с упругостью необходимо вводить делепфирование (неупругое сопротивление). Иногда упругий элемент делают резиновым, обладающим упругими и вязкими свойствами одновременно. Считая силы неупругого сопротивления пропорциональными первой степени скорости относительного пер6емещения, перепишем дифференциальное уравнение  в ряде:

где

b - коэффициент сопротивления гасителя.

Здесь, как и выше, Z_K принимаем по формуле:

,

тогда решением данного дифференциального уравнения будет:

коэффициент передачи запишем в виде:

, где

; .

Согласно этому выражению при наличии гасителей в системе амплитуды колебаний при возмущениях с любой частотой будут ограниченными. Коэффициент передачи c=1 также при условии r=0 и . В промежутке между этими значениями амплитуды колебаний растут. В зарезонансной зоне () значение c<1.         В случае, когда требования к жёсткости упругого элемента подвески  не может быть выполнено вследствие мягкости рессор вагона (w мало), применяют повышение делепфирование  или упругую подвеску с большей жёсткостью, для которой n>w (по нормам n³2w). Правильно выбранные параметры элементов амортизации различных приборов, эксплуатируемых в вагонах, способствуют увеличению срока службы и стабильности их работы. В некоторых случаях для надёжной работы прибор ограничивают ускорение в соответствии с техническими условиями его эксплуатации. В этом случае ускорение вычисляют по формуле: , и сравниваются допускаемыми, в зависимости от которых рассчитываются характеристики амортизаторов: коэффициенты жёсткости и показатели демпфирования. Наряду с защитой различных приборов и устройств в вагонах от колебаний кузова, сам кузов должен быть изолирован от вибрационных воздействий установленного на нём различного рода энергетического оборудования. Вращающиеся неуравновешенные массы этого оборудования вызывают как местную, так и общую вибрацию кузова. В таком случае имеем активную систему, расчёт которой должен быть направлен на отыскание путей снижения воздействия на кузов со стороны возмещающего объекта. Для изоляции кузова от такого рода воздействия между ним и возникающим объектом устанавливают упругие и упруговязкие элементы. Для расчёта усилий, которые передаются на кузов со стороны возмущающего объекта дифференциальное уравнение колебаний массы m₁ будет иметь вид , в простом случае , уравнение примет вид:

.

Решение этого уравнения: Z₁ = Acoswt + Bsinwt.

Собственные колебания рассматриваются, так как при наличии трения в системе они затухают. После преобразования получим:

где ;

Из системы уравнений находим амплитуды А и В:

=

=, где

.

Учитывая, что ; , следовательно

Коэффициент передачи по деформациям виброизолирующего элемента составляет

Сила, которая передается от изолируемого объекта Н_к кузов будет

Тогда коэффициент передачи силы от объекта к кузова составит:

Виброизоляция заключается в таком выборе жесткости упругого элемента с₁ и степени деформирования g,  чтобы коэффициент передачи силы D₂, был меньше единицы, т.е. D₂ < 1.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1.  Лукин В.В., Шадур А.А., Катуранов В.В. и др. Конструирование и расчет вагонов – М: Издательство УМК МПС России, 2000.

2.  Вершинский С.В., Данилов В.Н., Хусидов В.Д. Динамика вагона – М: Транспорт, 1991.

"____" ________________ 2006 г.
(дата выполнения контрольной работы)
	/                                   /
(подпись)	(расшифровка)