Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 2305 http: zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/242.pdf

Моделирование динамических процессов в шлицевом соединении карданного вала привода вагонного генератора

Булавина Е.А. (eabulavina@rambler.ru)

Ростовский государственный университет путей сообщения

Важной частью железнодорожных пассажирских вагонов является индивидуальная система энергоснабжения с приводом генератора от оси колесной пары. В наиболее распространенных конструкциях приводов передача крутящего момента осуществляется с помощью карданного вала, имеющего шлицевое соединение в средней части.

Одна из основных причин выхода из строя карданной передачи - повышенный износ шлицевого соединения. При этом важнейшим фактором, влияющим на его работоспособность, являются динамические нагрузки в приводе, возникающие во время движения вагона.

Целью работы являлось создание математической модели работы шлицевого соединения, наиболее полно описывающей динамические процессы.

Расчетная схема шлицевого соединения составлена, исходя из следующих положений. Зубья представлены как элементы определенной ширины, обладающие некоторой жесткостью. При этом учитывается наличие боковых и радиальных зазоров между ними, что делает возможным исследование ударных воздействий.

Расчетная схема фрагмента шлицевого соединения представлена на рис. 1.

С12

l2

A(n)

c11

c22

mi

Рис. 1. Расчетная схема фрагмента шлицевого соединения карданного вала:

Обозначения на рис. 1:

cij - боковая (j=1) и радиальная (j=2) жесткость зубьев вала (i=1) и втулки (i=2); mi - приведенная масса вала (i=1) и втулки (i=2); li - ширина зуба вала (i=1) и втулки (i=2);

A(n) - боковой зазор между зубьями вала и втулки как функция от номера зуба; A0(n) - радиальный зазор между зубьями вала и втулки как функция от номера зуба.

Представленная схема позволяет моделировать работу шлицевого соединения и определить относительные перемещения зубьев, их скорости и ускорения, а также силы, действующие на них.

Математическая модель текстропно-карданного привода (ТК-2) вагонного генератора, учитывающая пространственные колебания привода, построена на языке Simulink. Модель

Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 2306 http: zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/242.pdf

представляет собой систему абсолютно твердых тел, обладающие соответствующими масс-инерционными характеристиками, на которые наложены упруго-диссипативные связи.

Схема распределения зазоров представлена на рис. 2а. С каждым зубом связана локальная система координат, по которой ориентированы упруго-диссипативные связи с нелинейной характеристикой. Локальные оси координат показаны на рис. 2б.

Рис. 2. Схема распределения зазоров (а) и система локальных координат (б) шлицевого соединения

Обозначения на рис. 2:

AOmax - максимальный радиальный зазор по наружному диаметру,

Amax - максимальный суммарный зазор по боковым сторонам зубьев,

Ati - погрешность окружного шага i-го зуба,

Ay - радиальное относительное смещение вала и втулки,

Y - угол перекоса вала и втулки,

R - наружный диаметр вала.

Количество зубьев шлицевого соединения карданного вала в приводе ТК-2 равно 16. Пространственная модель привода в виде эллипсоидов инерции представлена на рис. 3.

1.4 1.2 1

□.В

□.6

□.4 02

0

-02

Вал генератора с . ротором

Элементы карданного вала

Ведомый шкив

-0500.51

X-axis

Рис. 3. Пространственная модель привода

Привод расположен в плоскости XZ (Y=0), при этом движение вагона осуществляется вдоль оси X.

Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 2307 http: zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/242.pdf

С целью идентификации параметров модели, проведены расчеты напряженно-деформированного состояния сегментов карданного вала методом конечных элементов. Определены жесткости зубьев.

Математическая модель привода вагонного генератора на языке Simulink представлена на рис. 4. Модель учитывает следующие факторы: зазоры в шлицевом соединении, кинематическую погрешность универсальных шарниров, скольжение в ременной передаче, тормозной электромагнитный момент со стороны генератора.

Скольжение ремней описывается с помощью блока «remennaya peredacha» по экспериментально установленным кривым скольжения [1]. Универсальные шарниры включены в модель в виде блоков «sharnir1» и «sharnir2». Контактные взаимодействия в шлицевом соединении моделируются подсистемами «subsystem1» и «subsystem16».

Рис. 4. Модель привода на языке Simulink (Bond Graph Theory)

Модель позволяет исследовать работу шлицевого соединения во всех практически значимых режимах движения вагона.

Расчеты проводились при различных способах центрирования шлицевого соединения и типах посадок, рекомендованных в [2]. Результаты одного из расчетов сил на зубьях вала при движении вагона со скоростью 50 км/ч, в глобальной системе координат представлены на рис. 5 и 6.

При расчете приняты следующие параметры: радиальный зазор в шлицевом соединении 0,089 мм, боковой зазор - 0,048 мм, разность углов излома карданной передачи 10. Такие зазоры соответствуют центрированию соединения по наружному диаметру с посадкой, при которой радиальный зазор максимален, а боковой имеет среднее значение [2, 3].