Н И Кошечкина, Г С Носко - К вопросу о механизме звукообразования от контактного взаимодействия колеса и рельса - страница 1

Страницы:
1 

ротаційних гідравлічних гасителів коливань з використанням гідродинамічної теорії змащення, визначена сфера застосування ротаційних гідравлічних гасників коливань. Ключові слова: Ротаційний гідравлічний гасник коливань РГГК, гідродинамічна теорія змащення (ГТЗ), контактно-гідродинамічна теорія змащення (КГТЗ).

In article are considered aspects theoretical and experimental studies of the extinguishing the fluctuations in spring of the rolling stock. In article applying method theoretical estimation of the features of the rotary hydraulic extinguishers of the fluctuations on stage of the designing with use the hydrodynamic theory of lubrificant. The Sphere of the using the rotary hydraulic shock absorbers of the fluctuations is determined by experimental studies. Key words: The Rotor hydraulic shock absorber, hydrodynamic theory lubrificant, contacts hydrodynamic theory lubrificant.

Левандовский В.А. - начальник бюро ПАО «Лугансктепловоз» Нестеренко В.И. - начальник отдела ПАО «Лугансктепловоз» Гундарь В. П. - зам главного конструктора ПАО «Лугансктепловоз» Гундарь С.В. - инж. констр. ПАО «Лугансктепловоз»

Слюсарева Л.А - научный сотрудник кафедры рельсовых коммуникаций СНУ им. В. Да­ля.

Рецензент: д.т.н., проф. Горбунов Н.И.

УДК 628.517:629.4

Кошечкина Н.И., Носко Г.С.

г. Луганск

К ВОПРОСУ О МЕХАНИЗМЕ ЗВУКООБРАЗОВАНИЯ ОТ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСА И РЕЛЬСА

Для плоской модели контакта приведена схема силового взаимодействия колеса и рельса при стационарном движении и установлены исходные данные для опреде­ления характеристики спектра возмущающего воздействия колесом и рельсом. Ключевые слова: колесо, рельс, контакт, зубчатое колесо, звук, зона скольжения, зона сцепления, сжимающая сила.

Установлено, что основным фактором, влияющим на звукообразование локо­мотива, является система колесо-рельс, которую можно показать в виде 3-х состав­ляющих:

собственно область контакта, формирующая акустические возмущения;

рельс, как излучатель звука;

колесо, как излучатель звука.

Звук, генерируемый контактным взаимодействием колеса и рельса в окру­жающее пространство, передается их колеблющимися поверхностями и от каждого из этих элементов системы может быть показан в виде выражения:

P = V) Tw NuW      , (1)

где: Sр(Ю) - спектральная плотность функции источника возмущения (в данном случае

функция возмущения в контакте взаимодействия колеса с рельсом), 7(Ю) - коэффици­ент передачи системы (от источника возмущения в смежные среды - воздух, рельс, колесо) и Nu(^m) - коэффициент излучения колебаний в окружающую среду (в воздух) от колеса и рельса.

_ 101

Попутно заметим, что в рассматриваемой работе значения коэффициентов Т(ю-) и Nu используются для качественного оценивания предлагаемых конструк­тивных решений, направленных на снижение шума качения. Поэтому они в данном случае приводятся в самом общем виде, т.к. точное их определение весьма сложная задача, имеющая самостоятельный интерес.

Область контакта колеса и рельса представляет собой, так называемый кон­такт несогласованных по форме тел вследствие чего контактная площадка между коле­сом и рельсом невелик по размерам, примерно 12><18мм, и имеет форму близкую к форме эллипса.

Поверхности колеса и рельса предполагаются на микроуровне топографически негладкими, что означает учет поверхностных микронеровностей, которые обуславли­вают неполное прилегание поверхностей контакта и соответственно резкие локальные изменения контактных давлений.

Рассматривается тяговый режим - нагрузка передачи статическая.

Механизм образования шума, излучаемого в окружающее пространство, мож­но условно представить в виде схемы показанной на рис.1 [1]

q,H; и,м/с; h,M; N.kBt

■s    Шум s-

Рис. 1. Схема механизма образования шума от контактного взаимодействия колеса и

рельса

Q - осевая нагрузка, Н; h - неровности, м; N - подводимая мощность к пятну контакта, кВт; P - звуковое давление; и - колебание поверхности колеса и рельса; z - им­педанс.

В тоже время при качении в области взаимодействия, через которую происхо­дит передача касательных напряжений, может иметь место ситуация, когда тангенци­альные нагрузки превышают прочность на сдвиг локальных включений, обусловлен­ную разностью упругих деформаций двух тел (принадлежащих колесу и рельсу). При­чем в области сцепления скорости микропроскальзования Sx и Sy будет равна [2]

Sx = Sy = 0, (2)а результирующие касательные напряжения не должны превышать предельной вели­чины, т.е.

\q (x, y )\<juU0 (x, y) , (3)

А в области проскальзывания

|q (x,У)\ = HU0 (x,y) , (4)

где д. - коэффициент предельного трения.

Согласно рис.1. каждая из зон области контакта соответствует свои виды на­грузки.

\ги0

, | ;

У

ил

■т-

і/т i/tt   г/ііЮ/гз  Щ 20

Рис. 2. Спектр периодически повторяющихся импульсов

Так для области качения предполагаемая функция нагружения может быть представлена в виде спектров периодически повторяющихся импульсов и может быть разложена в ряд Фурье такого типа:

A 00

s(t) = -2- + ^(AV coswvt + Bvsinwvt) (5)

где a = 2tUof>; Л

2tp0

T

■2 ftp.

sin I at,

1

2

Здесь f -основная частота или скорость повторения процесса; V - пе-

ременный индекс.

Коэффициент BV = 0 , т.к. функция s(t) четная, т.е. s(t) = s(-t).

При очень маленькой длительности импульса спектральные амплитуды для всех гармоник одинаковы и равны постоянной величине [3].

А другая функция (рис. 3) соответствует области скольжения, где характер возмущения обусловлен сдвиговыми деформациями вплоть до срезания, проявляющи­мися в тангенциальном направлении; она описывается также выражением (5). [2]

Здесь s(t) = U0I1 - T1, 0 X t X T коэффициенты Фурье равны

А0_ U0

(6)

Av= 0 ;

2U T T — t U Bv = —- [-sin(aVV)dt = —. Т.е. коэффициенты B уменьшаются обратно пропор-

T   0    T V7l

ционально номеру гармоники, как показано на рис. 3.к

Jlrr

ІТТ'ГП'Ттітт-

J/T IQfT ZO/T

Рис. 3. Спектр периодически повторяющихся пилообразных импульсов

С целью определения параметров Uo,tf,T, необходимо определить размеры

зон сцепления и скольжения в области контакта колеса и рельса. Для этого рассмотрим некоторые особенности схемы их силового воздействия механики при контакте колеса и рельса.

На рис. 4 показана схема взаимодействия сил при контакте колеса с рельсом с моторноосевым подвешиванием тягового электродвигателя (I класса.)

p Pr

 

 

 

 

 

 

 

Fnp

а

б

Рис. 4. Схема взаимодействия сил в области контакта а - кинематическая схема; б - схема приложения сил в зоне контакта.

Вращающий момент на оси колесной пары создается парой шестерен - веду­щей шестерней Гш насаженной на вал якоря тягового электродвигателя и зубчатым

колесом с радиусом гзк - на оси колесной пары. Взаимодействие зубьев шестерни и колеса силою F происходит по линии зацепления, образованной касательной к основ­ным окружностям шестерни радиуса Гш и зубчатого колеса Гзк. Сила F создает вра­щающий момент FR колеса колесной пары относительно мгновенной оси вращения в точке А, где образуется упор колеса в рельс. Здесь реакция от момента FR разлагается

в направлении линии контакта колеса и рельса на составляющие нормальную - FNK и

тангенциальную - FtK (с индексом «к» воздействующие на колесо и с индексом «р» -на рельс).

В точке «В» картина силового взаимодействия между колесом и рельсом ана­логичная. Здесь реакция от колеса на рельс направлена в сторону рельса, как показана на рис. 2

Закон изменения величины составляющих F1 виде функции

NK и FNP может быть показан в

(7)

Давление «р» в произвольной точке М (x,y) площадки контакта от сжимающей силы Р согласно теории Герца [4].

где Ро

3P

'-AJ1 -ia J lb J

наибольшее усилие в центре площадки, с полуосями а и b

2n(ab)

Ограничиваясь рассмотрением плоской задачи, т.е. при весьма малом «у» («у» пределах длины линейного размера 1 кристалла зерна) выражение (2) имеет вид (8)

— 0, в (9)

Суммарное воздействие сжимающих сил есть сумма (7) и (9). График суммарных сжимающих сил от статических сил «р» и момента FNK показан рис. 5.

NX

Рис. 5. График суммарных сжимающих сил

Из анализа схем показанных на рис. 4 и 5, видно, что на входе в область кон­такта реализуется упор, обусловленных вдавливанием колеса в рельс и вследствие это­го в точке А возрастает нормальная составляющая взаимодействия колеса и рельса, отсутствующая когда нет движения локомотива, т. е. на входе отсутствует условия для осуществления области скольжения. В тоже время на выходе из области контакта (точ­ка В), образуется ситуация взаимодействия разнонаправленных нормальных состав­ляющих от сил рх и FNP , поэтому здесь суммарные вертикальные силы уменьшаются

по оси x = 0 в направлении x = a, и таким образом здесь имеются условия для воз­никновения зоны скольжения, а границу между зоной скольжения с зоной сцепления приближенно установим из равенства вертикальных составляющих рх и FNP . В левой

стороне от точки « x » - зона сцепления, в правой стороне зона скольжения до x = a.

Аппроксимируя половину площади эллипса треугольником и вводя в рассмот­рение элементарную единичную площадку, Axbx будем иметь зависимость bx = 2b (a - x). Тогда данную точку х определим из равенства

F x

2n(ab)

a2b(a - x)

(10)

Сила давления FNP  изменяется по закону

a

Расчеты, выполненные для условий Р=100 кН, момент крутящий двигателя Мд=4 кНм при контактной площадке с осями эллипса 12*18 мм показывают, что зона скольжения находится от оси площадки на расстоянии 4,78 мм, т.е. зона сцепления равняется 13,2 мм.

Область пятна контакта рассматривается как система случайно распростра­ненных неровностей (шероховатостей) из субмикрошероховатостей. Чаще всего эти неровности рассматривают как стохастические. Но в предельном случае стохастиче­ские неровности переходят в квазипериодические. И могут быть описаны функцией

l ,

изменения величины рх (рис. 2) с параметрами U0 = p0,tt = —, где l - длина зоны сце-

c

пления, с - скорость звука. Учитывая, что по модулю р0 заметно больше, чем FNP при

расчете звукообразования может быть учтена только составляющая от области каче­ния, представляемой уравнением (5).

Вывод. Представлена схема силового взаимодействия контакта колеса и рель­са, соответствующая тяговому режиму - нагрузка передачи статическая. Ориентиро­вочно установлена зона сцепления на площадке контакта и определены исходные дан­ные для определения спректральной функции источника возмущения.

Литература

1. Кошечкина, Н.И. О распространении энергии колебаний от поверхности контакта колеса и рельса в смежные структуры. Вісник СНУ ім. В. Даля - № 5 (147) - Частина 1 -2010

2. Кошечкина, Н. И. К вопросу о шуме качения при взаимодействии колеса с рельсом / Н. И. Кошечкина, Г. С. Носко, А. Л. Кашура // Политранспортные системы: материалы VI Всерос. НТК, Новосибирск, 21—23 апреля 2009 г.: в 2-х ч. Ч. 1. — Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2009. — С. 462—465.

3. Скучик E. Основы акустики. M., Мир, 1976, т.1., 277 с.

4. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. - М.: Мир, 1989. -510 с.

5. Поль Р. Механика, акустика и учение о теплоте. М: 1971., 480 с

Для плоскої моделі контакту приведена схема силової взаємодії колеса і рейки при стаціонарному русі та встановлені вихідні дані для визначення характеристики спектру обурюючої дії колесом і рейкою. Рис. 5., Дж. 5.

Ключові слова: колесо, рейка, контакт, зубчасте колесо, звук, зона ковзання, зона зчеплення, стискуюча сила.

For flat model of contact the scheme power interaction of a wheel and a rail is re­sulted at stationary movement and the initial data for definition of the characteristic a spec­trum of revolting influence by a wheel and a rail is established. Fig. 5., Sour. 5.

Keywords: Wheel, rail, contact, cogwheel, sound, sliding zone, coupling zone, com­pressing force.

Кошечкина Н.И. - ассистент кафедры "Рельсовый транспорт" ВНУ имени В. Даля.

Носко Г. С. - доцент, кандидат технических наук кафедры "Рельсовый транс­порт" ВНУ имени В. Даля.

Рецензент: проф., д.т.н. Басов Г.Г.

Вісник СНУ ім. В. Даля - № 4 (158) - Частина 1 - 2011

Страницы:
1 


Похожие статьи

Н И Кошечкина, Г С Носко - К вопросу о механизме звукообразования от контактного взаимодействия колеса и рельса