УДК 004.94:629.4
Ю.М. ЧЕРКАШИН, канд. техн. наук, ФГУП ВНИЖТ МПС (Россия)
М.А. ЛЕВИНЗОН, д-р техн. наук, ФГУП ВНИЖТ МПС (Россия)
Г.С. МИХАЛЬЧЕНКО, д-р техн. наук, профессор, БГТУ (Россия)
Д.Ю.ПОГОРЕЛОВ, д-р физ.-мат. наук, профессор, БГТУ (Россия)
В.А.СИМОНОВ, канд. техн. наук, доцент, БГТУ (Россия)
АНАЛИЗ
УСЛОВИЙ
,
ВЛИЯЮЩИХ
НА
БЕЗОПАСНОСТЬ
ДВИЖЕНИЯ
ГРУЗОВЫХ
ВАГОНОВ
,
МЕТОДАМИ
КОМПЬЮТЕРНОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Викладенорезультатимоделюваннядеякихситуацій, щовпливаютьнабезпекурухувантажнихвагонів.
Моделюваннявиконанезадопомогоюпрограмногокомплексу «Універсальниймеханізм» звикористанням достатньоповноїмоделівагона-хопера.
Изложенырезультатымоделированиянекоторыхситуаций, влияющихнабезопасностьдвижениягрузо
-выхвагонов. Моделированиевыполненоспомощьюпрограммногокомплекса «Универсальныймеханизм» с использованиемдостаточнополноймоделивагона-хоппера.
Results of computer modeling of some situations influencing the safety factors of a freight railway vehicle with respect to the derailment are considered. Modeling is performed by means of the Universal Mechanism software with the use of sufficiently detailed models of the freight coach (hopper).
Для анализа условий, приводящих к сходу вагонов, предлагается использовать компью
-терныемодели вагонов ипути, которые доста
-точноподробноучитывают основныефакторы,
действующие во время схода. Такие модели вагонов с трехэлементными тележками типа ЦНИИ-Х3 реализованы средствами программ
-ного комплекса "Универсальный механизм" в конфигурации UmLoco [1] (рис. 1…3).
Каждая тележка вагона типа 18-100 пред
-ставлена совокупностью девяти твердых тел
(включая клинья). Пружины рессорного под
-вешивания моделируются упругими линейны
-миэлементами, адляописаниявзаимодействия в точках контакта тел используются специаль
-но разработанные модели фрикционного кон
-такта [2].
Рис. 1. Модельполувагона
Рис. 2. Модельвагона-цистерны
Рис. 3. Модельвагона-хоппера
-вышение и износклина, прилегающих поверх
-ностейбоковин и надрессорной балки, геомет
-рию и физические параметры зон контакта в пятниковомузлеибоковинсбуксами.
Модель пути представлена в виде безинер
-ционного элемента с упруго-диссипативными свойствами в поперечном и вертикальном на
-правлениях. Неровности в горизонтальном и вертикальном направлениях моделируются с помощью эквивалентных геометрических не
-ровностей каждой рельсовой нити. В данном исследовании использованы неровности, заме
-ренныеВНИИЖТна одном из участков реаль
-ногопутиудовлетворительногосодержания.
Движение вагонов рассматривалосьна двух типахпрофилейколес: новыхконическихити
-паДМетИ. Последнийбылвыбранпотому, что он отражает основные особенности изношен
-ных профилей (высокая приведенная конус
-ность, одноточечныйконтакт с рельсом). В ка
-честве основного профиля головки рельса был выбраннеизношенный профиль Р65. Дополни
-тельнорассматривалисьвариантысизносом.
Для моделирования контактных взаимодей
-ствий в работе, в основном, использовался ал
-горитм FASTSIM соценкойконтактапотеории Герца. В арсенале программного комплекса
UMLoco имеютсядругиевозможность модели
-рованияконтактаи, вчастности, использование негерцевской модели, что позволяет уточнить процессвзаимодействия колеса и рельсавслу
-чаенеэллиптическогоконтакта [3].
Оценкаустойчивостидвижениявагона
Две проблемы предстояло решить прежде,
чем выполнять исследования. Первая заключа
-лась в выборе условий движения вагона, кото
-рыебы позволили выявить неустойчивость го
-ризонтальных колебаний с учетом их связи с вертикальными через клиновуюсистему демп
-фирования. Вторая проблема связана с выбо
-ромкритериевдля оценкифакта потериустой
-чивости.
Для решения первой проблемы рассматри
-валосьдвижениевагонапоидеальнопрямомув планепути сединичной неровностьювначале.
Повертикалипуть былс обычнымислучайны
-ми неровностями. Горизонтальная неровность необходима для того, чтобы «расшевелить»
клиновую систему в поперечном направлении.
При этом вертикальныеслучайные неровности призваны обеспечить уровень поперечной со
-ставляющейдемпфирования вклиновой систе
-ме, соответствующий реальным условиям дви
-жениявагона.
Достаточно обширный предварительный анализ показал, что для оценки потери устой
-чивости болеевсего подходит среднеквадрати
-ческое отклонение (СКО) SY или дисперсия
DY поперечныхсмещенийколесаотносительно рельса. На рис. 4 и 5 представлено сравнение этого критерия с одним из альтернативных критериев – поворотом надрессорной балки относительнокузова.
Из рис. 4 видно, что при движении на профилях колес типа ДМетИ оба критерия одинаково хорошо определяют скорость,
соответствующую потере устойчивости
(порядка 14…16 м/с), таккакнаэтихпрофилях возникает довольно жесткий режим возбуждения автоколебаний из-за высокой приведенной конусности профиля колес. На коническом профиле критерий поворота надрессорной балки не “видит” критической скорости (рис. 5). В то же время дисперсия смещений колеса позволяет определить критическую скорость – порядка 19…20 м/с.
Графики на рис. 6 и 7 иллюстрируют как меняется частота и длина волны виляния при изменении скорости движения вагона с различнымипрофилямиколес.
После разработки методики оценки устойчивости был выполнен комплекс исследовний с моделью порожнего вагона
-хопперапо изучениювлияниярядапараметров накритическуюскоростьвагона, втомчисле: – завышения (занижения) клиньев в диапазоне
(-6…10 мм);
0 2 4 6 8 10
10 12 14 16 18 20 22 24 V, км/ч SY, мм
Salf, мрад
Смещение Поворот
Рис. 4. ЗависимостьСКОкритериевотскорости движения (профильДМетИ)
0 5 10 15 20 25
12 16 20 24 28 V, км/ч
DY, мм2 Dalf, мрад2
Смещение Поворот
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
10 12 14 16 18 20 22 24 V, м/c f, Гц
ДМетИ 1:20 1:10
Рис. 6. Влияниепрофиляколесначастотувиляния вагонавпрямых
0 5 10 15 20 25
10 12 14 16 18 20 22 24 V, м/c L, м
ДМетИ 1:20 1:10
Рис. 7. Влияниепрофиляколеснадлинуволны виляниявагонавпрямых
– коэффициента трения в контакте колеса и рельса (0,1…0,25);
– коэффициента трения в пятниковом узле
(0,1…0,3);
– зазоров в опорах боковин на буксы за счет согласованного изменения поперечных и про
-дольныхзазороввдиапазоне (1…9 мм);
– шкворневойбазыэкипажа (5,87 м; 7,8 м; 8,65
м);
– шириныколеи (1516 мм; 1520 мм; 1528 мм); – разностидиаметровколеснавеличины 2, 4, 6
и 8 мм при различных сочетаниях колес в те
-лежке;
– перекоса осей в плане за счет увеличения продольного расстояния между буксами одной сторонытележкинавеличины 2, 4 и 6 мм; – подуклонкирельса (1:15; 1:20; 1:30).
Из-за ограниченности объема статьи нет возможности подробно рассмотреть получен
-ные результаты, поэтому ограничимся кратки
-мивыводами.
1. Явно прослеживается тенденция к сни
-жениюустойчивостисувеличениемзавышения клиньев. Так, придвижениивагона сколесами,
имеющими профиль ДМетИ, критическая ско
-рость порожнего вагона-хоппера снижается с
15 до 10 м/с. Тенденция к снижению устойчи
-вости прослеживается ипри движении по кри
-вым, хотяивменьшеймере.
2. При снижении коэффициента трения между колесом и рельсом происходит размы
-ваниепо скоростямзоны переходаот устойчи
-вого к неустойчивому движению (рис. 8). С уменьшением коэффициента трения устойчи
-вость движения со скоростями, выше критиче
-ской, растет.
3. Увеличение коэффициента трения в пятнике с 0,1 до 0,3 незначительно повышает критическую скорость вагона. Так, при движе
-нии вагона с колесами, имеющими профиль ДМетИ, онавозрастаетс 13 до 15 м/с.
Рис. 8. ЗависимостьСКОпоперечныхсмещений колесапорельсуотскоростидвижениявагонас
профилямиколесДМетИ:
1 – коэф. трения 0,1; 2 – коэф. трения 0,15; 3 –
коэф. трения 0,2; 4 – коэф. трения 0,25
4. Устойчивость порожнего вагона
-хоппера практически не зависит от зазоров в буксовыхузлахишкворневойбазыэкипажа.
5. Расширение (сужение) колеи не меняет критическуюскоростьдвижениявагона, только пропорционально меняются амплитуды коле
-баний.
6. Показатели устойчивости порожнего вагона на колесах с профилями ДМетИ слабо зависят от разности диаметров колес в диапа
-зонах скоростейниже 12 м/с (43,2 км/ч) и свы
-ше 16 м/с (57,6 км/ч). Придвижении вагона на конических профилях колес критическая ско
-рость для неблагоприятных сочетаний в диа
-метрах колес тележки может понижаться с
18…20 до 14…18 м/с.
7. Перекос осей существенно влияет на устойчивость экипажас профилямиколес типа ДМетИ вдиапазонескоростей 14…22 м/с, при
-чем увеличение перекосаулучшает показатели устойчивости в этом диапазоне. Увеличение перекоса от 0 до 6 мм увеличивает верхнюю границу зоны перехода от докритической к за
-критической скорости с 16 до 22 м/с. Для эки
-пажа с коническими колесами увеличение пе
-рекоса приводит к сглаживанию графиков за
-терного скачка на графиках в районе критиче
-скойскорости.
8. Имеется тенденция к увеличению кри
-тической скорости с уменьшением подуклонки рельсов. На всех рассмотренных скоростях движения экипажа на конических бандажах уровеньпоказателядляподуклонки 1/15 значи
-тельно выше, чем для подуклонки 1/20 и 1/30,
рис. 9. Для экипажа с колесами типа ДМетИ этотэффектвыражензначительноменьше.
Рис. 9. ЗависимостьСКОпоперечныхсмещений колесапорельсуотскоростиприразличнойподу
-клонкерельсов (новыеконическиепрофиликолес)
Оценкадинамическихпоказателей
вагонаиихиспользованиедля
обоснованиявыборарешений
Нарядусизучениемустойчивостидвижения вагона выполнялась оценка динамических по
-казателей. В качестве примера рассмотрим ре
-зультаты использования оценок динамических показателей на выбор ширины колеи из трех альтернативныхвариантов 1508 мм, 1520 мми
1540 мм. При этом расстояние между кругами катанияинормыуширенияколеивкривых ос
-тавались стандартными. В данном случае ис
-следования выполнены с применением сле
-дующих основных показателей динамики:
а) боковыесилы; б) рамныесилы; в) коэффици
-ентзапаса устойчивостипо всползанию гребня нарельс (коэффициентбезопасности); г) работа сил трения гребнейо рельс; д) работасил тре
-ния в пятне контакта на поверхности катания рельса (вслучаеодноточечногоконтакта).
Для оценки большинства показателей, если это специально не оговорено, использовались максимальныена интерваленаблюдениязначе
-ния величин, измеренные на первой по ходу движенияосиэкипажа (среднеепотреммакси
-мумамс предварительнымотбрасываниемнаи
-большегозначения). Дляоценкикоэффициента безопасности аналогично использовались ми
-нимальные значения. Программаисследований предусматривала изучение движения вагона с
двумятипами профилейколеспопрямомууча
-сткупутиипокривымрадиусами 300 ми 600 м сразличнымискоростями.
С целью предотвращения заклинивания ко
-лесной пары при движении по зауженной до
1508 мм колее горизонтальные неровности ле
-вой и правой рельсовых нитей приняты син
-фазными. Выполненный в работе подробный общий анализ, как оказалось, содержит много неопределенностей, связанных с многообрази
-ем условий функционирования объекта иссле
-дований и противоречивостью рассматривае
-мых показателей. Например, при движении в прямой уширение колеи приводит к росту си
-ловыхпоказателей, носнижаетизноспрофилей колес. Во многих случаях один и тотже пока
-затель по разному чувствителен к изменению колеивразныхдиапазонахскоростейит.д.
Преодолеть отмеченные трудности можно,
если использовать специальную методику свертки нескольких показателей качества с учетом всех рассмотренных условий функцио
-нирования [4]. Методика основана на иерархи
-ческом представлении условий функциониро
-вания объекта, которые вместе с альтернатива
-ми и показателями объединяются в единую схему. Такой подход позволяет на основе по
-следовательного взвешивания приоритетов учесть практически все нюансы, заложенные в плане исследований и в полученных результа
-тах расчетов. Пример такой иерархии пред
-ставленнарис. 10.
Рис. 10. Иерархическаясхемаобоснования
выборашириныколеидляпрямых Оптимальноерешение
V, м/с
1
1508 мм 1520 2 мм 1532 3 мм Работа
1/К.Б.
Рамные Боковые
0
1
3
4
5
30 20
2
Порожний ГруженыйКонический ДМетИ
На нижнем (нулевом) уровне расположены альтернативы, в качестве которых используем три значения ширины колеи. Над ними распо
-ложенуровеньс динамическимипоказателями,
используемыми при исследовании. Показатели отражаюткачествофункционированияобъекта.
Наследующих трехуровнях расположены эле
-менты, отражающие условия функционирова
-ния объекта. Наконец, на верхнем уровне рас
-положен общий показатель, отражающий при
-оритетальтернативповсей совокупностичаст
-ных показателей и условий функционирования объекта.
Следует отметить, что последовательность уровней 2, 3 и 4 можетбытьииной. Например,
уровень 2 и 3 можно поменять местами. Это равносильно изменению точек зрения на один тотжеобъектанализаиопределяетсяпредпоч
-тениями, которые могут быть учтены при ана
-лизе. При этом может поменяться и топология схемыобоснования.
Мы не будем подробно останавливаться на деталях получения результатов, а приведем лишь некоторые результаты. Предлагаемый способ анализа позволяет получить как общие интегрированныеоценки альтернативпо всему множеству показателей и условий функциони
-рования объекта, так и по любому их подмно
-жеству. Так, например, на рис. 11 и 12 пред
-ставленыграфики, отражающиеприоритеталь
-тернативпри движении вагонов впрямых уча
-стках пути и в кривой R=300 м (порожних и груженых, наконическихпрофиляхипрофилях колес типа ДМетИ, на разных скоростях дви
-жения). Нарисункахменьшемузначениюсоот
-ветствуетбольшийприоритет.
0,354
0,315 0,331
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
1508мм 1520мм 1532мм
Рис. 11. Предпочтениязначенийшириныколеидля прямыхучастковпути
Изрис. 11 следует, чтонаиболеепредпочти
-тельной является стандартная ширина колеи
1520 мм. При этом, сужение более опасно, чем уширение. Длякривых участков путипредпоч
-тительно уширение колеи (чем больше, тем лучше). Заметим, что результат будетзависеть отнабора принятыхвовниманиепоказателейи условийфункционированияобъекта. Очевидно,
если ввести показатель, ограничивающий пре
-дельное значение ширины колеи, то результат анализапридвижениипокривымбудетиной.
0,28
0,262
0,238
0,22
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
1508мм 1520мм 1532мм 1544мм
Рис. 12. Предпочтениязначенийшириныколеидля кривой R=300 м
Анализситуацийсходавагонов
Для этого, по-возможности, точно модели
-ровалось состояние пути и сошедшего вагона.
При этом, из-за неопределенности некоторых факторов выполнялся анализ множества воз
-можных состояний с оценкой показателей, оп
-ределяющихопасностьсхода.
Для проведенияисследований использована модель ow_uwz программного комплекса
"Универсальный механизм" с параметрами по
-рожнеговагонахопперамодели II-715. Однаиз проанализированных ситуаций предполагала движениевагона по S-образнойкривойприус
-ловии, что на первом участке кривой происхо
-дит заклиниваниенадрессорнойбалкивпятни
-ке. Одновременно предполагалось воздействие импульса пары поперечных сил, приложенных к автосцепкам и создающих момент относи
-тельно вертикальной оси. Анализировалисько
-эффициенты безопасности по всползанию ко
-леса на рельс при различных положениях (по углу поворотавплане) заклиниваниябалки. На рис. 13 и 14 приведены характерные осцилло
Рис. 13. Коэффициентустойчивостинатретьейоси (уголзаклинивания 0,01 рад)
Рис. 14. Коэффициентустойчивостинатретьейоси (уголзаклинивания 0,01 рад + имульс
моментасилами 20 кНвинтервале379…383 м)
Из рисунковследует, чтодействиемомента при наличии заклинивания может привести к опасному с точкизрениясхода состоянию. Ко
-эффициентбезопасностиснижаетсядо 1.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. Михальченко Г.С., Погорелов Д.Ю., Симо
-новВ.А. Совершенствованиединамических качеств подвижного состава железных до
-рог средствами компьютерного моделиро
-вания // Тяжелоемашиностроение. – 2003. –
№ 12. – С. 2-5.
2. Погорелов Д.Ю., Павлюков А.Э., Юдакова Т.А., Котов С.В. Моделирование контакт
-ных взаимодействий в задачах динамики систем тел // Динамика, прочность и на
-дежность транспортных машин. – Брянск:
БГТУ, 2001. – С. 11-23.
3. R. Kovalev, V.N. Yazykov, G.S. Mikhalchenko, and D. Yu. Pogorelov Railway Vehicle Dynamics: Some Aspects of Wheel-Rail Contact Modeling and Optimization of Running Gears // Mechanics Based Design of Structures and Machines, Volume 31, Number 3, 2003, pp. 315-335.
4. СимоновВ.А. Иерархическаясхемаформи
-рования комплексных показателей, опреде
