автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Динамика цистерн (вагон и контейнеров) при продольных ударах и переходных режимах движения поездов

ЛШНИСТЕРСТВО ПУТЕП СООБЩЕНИЯ СССР

ЛЕНИНГРАДСКИП ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО [ТРАНСПОРТА имени АКАДЕМИКА В. Н. ОБРАЗЦОВА

На правах рукописи

БОГОМАЗ Георгий Иванович

УДК 625.0334 : 625.245.6 : 532.59

ДИНАМИКА ЦИСТЕРН (ВАГОНОВ И КОНТЕЙНЕРОВ) ПРИ ПРОДОЛЬНЫХ УДАРАХ И ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ

Специальность 05.22.07 — Подвижной состав железных дорог

и тяга поездов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Лепппград 1990

Работа выполнена в Институте технической механики Академии науи Украинской ССР.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

БОРОНШКО Юрий Павлович

- доктор технических наук, профеосор ЛЬВОВ Александр Абрамович

- доктор технических наук, профессор ХУСВДОВ Владимир. Давидович

!

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский

институт вагоностроения

я " . 1990 г. в

Защита состоится " ^ " -¡~ 1990 г. в ч. щш.

на заседании специализированного совета Д 114.03.02 при Ленинградском институте инженеров железнодорожного транспорта по адресу: 190031, Ленинград, Московский пр.,9. ¿(/сТсьсгм ^Я/) .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " " , 1990 ¡г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный лечагью, просим направлять в совет института.

Ученый секретарь специализированного совета

Б.Н.ФОШЕНКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Успешное выполнение задач, поставленных перед железнодорожным транспортом по полному и своевременному удовлетворен™ потребностей населения и народного хозяйства страны в перевозке различных грузов, обусловливает значительное увеличение скоростей движения и веса поездов, повышение интенсивности использования подв;шюго состава, создание новых совершенных конструкции! вагонов, облагающих при минимальной материале емкости высокой несущей способностью и надежностью в эксплуатации.

В этой связи существенно возрастает роль споциачизировапних вагонов, предназначенных обеспечить из только максимальную грузоподъемность, но тшже сохранность и минимальные потери грузов при их транспортировке, выполнении погрузочно-разгрузочных работ.

Рост объемов перевозок по келеэным дорогам не^ти, нефтепродуктов, сжиженных газов, кислот, щелочей, плодоовощных соков и т.д. определяет повышенные требовашш: к конструкциях,I специализированного подвижного состава, предназначенным для транспортировки жидких грузов. В соответствии с плешами экономического и социального развития страны, начиная с двенадцатой пятилетки и в перспективе до 2000 года, реализуется обширная программа технического перевооружения существующего парка нагонов, направленная на создание новых большегрузных вагонов-цистерн с увеличенным диаметром котла и новышешилли осевыми нагрузками. Постановлениями директивных органов предусматривается такке организация производства по выпуску крупнотоннажных контейнеров-цистерн, с помощью которых в соответствии с рекомендациями ПромтрансНШ'лроект Госстроя СССР к 2000-му году в стране должна осуществляться перевозка порядка 1 млн.тонн жидких грузов.

Создание конструкций цистерн с необходимыми технико-экономическими характеристиками в значительной мере связано с использованием научно обоснованных решений, полученных на базе современных методов исследований.

Данная работа направлена на решение проблемы прогнозирования динамической нагрудешости элементов перспективных конструкций ва-гонов-ц:;сторн и специализированных коптешюров-цистзрн с учетом воздействия транспортируй,-лого садкого груза при ударных нагрузках, возникающих при маневровых операциях и переходных режимах движения поездов. Ужесточение условий сксплуатгщии приводит к интенсивному

росту указанных нагрузок, которые могут достигать значений, опасных по условиям прочности конструкции вагона и устойчивости от выдавливания его из состава. Б отличие от других типов вагонов, нагруженноеть элементов конструкции вагонов-цистерн и транспортируемых на платформах контейнеров-цистерн при ударах в автосцепку во многом зависит от поведения жидкого груза, имеющего свободную поверхность. Уровни эксплуатационных недоливов котлов цистерн для различных жидкостей, обусловленные специфическими свойствами грузов и техническими требованиями их транспортировки, находятся, как правило, в диапазоне 0,1-0,5 радиуса емкости, что при продольных ударах приводит к движению скидкой среды и появлению в ряде случаев значительных нагрузок на котел, а такта на узлы его крепления и другие несущие элементы конструкции. Кроме того, колебания жидкого груза в котлах цистерн, находящихся в составе поезда, оказывают влияние на формирование динамических усилий," возникающих в его межвагонных соединениях в процессе движения. Используемые в настоящее время и положенные в основу "Норм для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МаС колеи 1520 мм (не самоходных)" методики не учитывают подвижность жидкого груза, что не может не влиять на результаты оценок напряженно-деформпрованно-го состояния конструкции и имеет особое значение при обеспечении сохранности цистерн и перевозимое жидкостей. В связи с этим актуальным является проведение целенаправленных теоретических и экспериментальных исследований гидродинамических нагрузок, возникающих в цистернах при ударах в автосцепку.

Це л ь 'п диссертации является разработка и обоснование методов моделирования и исследования динамической нагруженностп элементов конструкций цистерн с учетом колебаний транспортируемых жидких грузов при мшевровкх соударениях и переходных режимах движения поездов, направленных на создание перспективных с улучяеюшш тех-ни ко-а коном» чески ми показателя:.:;! и уменьшенной металлоемкостью специализированных вагонов и контейнеров для перевозки жидких, в том числе экологически опасных, грузов'.

Для достижения отон цели были сКорм/лпроганы следую:,не задачи: 1) построен/с- уточненных математических юделоп цистерн, позволяющих прогноз.: рск&ть нагруженноеть алиментов конструкции при ударах в йбтосп'Г'Г" с учетом подвижности транспортируемого -жидкого груза;

(¡г, ектпаяго] для онре.цлечик с нсг.пл.зове-

ь.\ :: гпнрепниа'.мчг'С'-..х н;-.'Г.';.оь системы пне. 1'1 1 па-жидкость;

3) совершенствование стендового оборудования и разработка методик экспериментального опредолсшш гидродинамических характеристик и нагружеиности емкостей, частично заполненных жидкостью, при гармонических и ударных воздействиях; 4) создание математического обеспечения для исследования процессов соударения цистерн с учетом плоских колебаний экипажей и специфики работы межвагонных соединений; 5) исследование особенностей гидродинамических процессов,протекающих в котлах железнодорожных цистерн при ударах в автосцепку; 6) определение нагруданиости конструкций вагонов-цистерн и контейнеров-цистерн при продольных ударах; 7) исследование усилий, возникающих в мелвагонных соединениях поездов, в составе которых находятся цистерны, при переходных рикшах движения; 8) разработка методики оцош;к напряаенно-дефоршровапного состояния элементов конструкций цистерн при продольных ударах в случаях замены одного жвд-кого груза другим; 9) решение конкретных задач и разработка практических рекомендаций по использованию предложенных методов при создании перспективных специализировавших вагонов и контейнеров для жидких грузов.

Обльтя методика исследований. В основу работы положен комплексный подход, заключающийся в эффективном сочетании теоретических и экспериментальных методов исследования. Теоретической базой работы являлись современные представления о колебания:*; вагонов и грузов, как существенно нелинейных контипуачьно-дискретных механических систем. Составление математических моделей осуществлялось на основе методов аналитической механики. Решение гидродинамических задач базировалось на использовании вариационных методов, при этом особое внимание уделялось выбору систем координатных функций. При проведении опытов в реальных условиях использовались современные методы тензометрии я статистической обработки экспериментальных данных. В лабораторных исследованиях на специально разработанных стендах применялись также методы физического моделирования и скоростной кинофотосъемки. Результаты теоретических исследований и полученные с помощью динамически подобных физических моделей сопоставлялись с данными натурных экспериментов.

Научная новизна. Совокупность разработанных в диссертации научных полоконий и полученных результатов представляет собой теоретическое обобщение и решение научной проблемы, имеющей ваченое народнохозяйственное значение и связанной с созданием перспективных конструкций вагонов-ппстерн и специализированных контейнеров для

жидких грузов путем выбора их параметров на основе прогнозирования динамической нагружешости элементов конструкций при ударах в автосцепку о учетом воздействия транспортируемого жидкого груза.

В диссертации построены мехглические модели-аналоги железнодорожной цистерны, учитывающие подвижность транспортируемой жидкости при пространственных колебаниях котла и позволяющие рассматривать его движение в вертикальной продольной, вертикальной поперечной плоскостях и при вращении вокруг вертикальной оси. Разработан алгоритм и получены формулы для вычисления ищродинашчеоких параметров указанных механических моделей с использованием объемных сферических функций, обеспечивающие эффективную численную реализацию с помощью ЭШ.

На основе специально созданного стендового оборудования разработана методика проведения испытаний емкостей с жидкостью при гармонических воздействиях, позволяющая повысить точность экспериментального определения гидродинамических параметров, особенно при ограниченных возможностях визуального наблюдошш за колебаниями свободной поверхности жидкости.

Предложен способ изморешш амплитуд колебаний жидкости, взаимодействующей с верхней частью емкости.

Изучены особенности протекания динамических процессов при ударных нагружениях емкостей, частично заполненных жидкостью, и разработана методика физического моделирования гидродинамической нагруженности котлов железнодорожных цистерн при ударах в автосцепку.

Предложена математическая модель для исследования нелинейных колебании жидкого груза в котле цистерны, позволяющая участь взаимодействие жидкости с верхней частью котла.

Разработан алгоритм, позволяющий с использованием одномерных и плоских расчетных схем экипажей, а также с учетом характера транспортируемых грузов и особенностей работы межвагонпых соединений строить с помощью ЭВМ математические модели сцепов или поездов, рациональные по числу решаемых систем.диф4ер01щиальных уравнений.

Исследованы динамические процессы, протекающие в железнодорожных поездах, в состав которых включены цистерны, при пуске в ход, торможешш, движении через переломи продольного профиля путл. Установлены качественные и количественные отличия отих процессов, полу-чыишх с учетом и без учета подшкноста транспортируемых кадках грузов. Определено влияние параметров систеш на дшиынческде нагрузка, 1^аш1К'.?дае и удаэааш'х поездах при рассмотренных реяш-

мах движения.

Разработана методика определешш напряженно-деформированного состояния элементов конструкций железнодорожных цистерн при продольных ударах в случаях замени одного жидкого груза другим с использованием коэффициентов эквивалентности нагрузок. Показано,что предложенные коэффициенты представляют собой харшсгеристшш,незначительно зависящие от изменения параметров системы.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации методы моделирования и исследования составляют научную основу для прогнозирования динамической погруженности элементов конструкций вагонов-цистерн и специализированных контейнеров для жидких грузов при маневровых соударениях и переходных режимах движения поездов.

Выполненные исследования позволили разработать программное обеспечение для определения о учетом колебаний транспортируемого кидкого груза динамических нагрузок, действующих па вагоны-цистерны й контейнеры-цистерны при ударах в автосцепку, которое может Зпть использовано как элементы САПР.

Полученные по результатам проведенных расчетов аналитические зависимости позволяют с приемлемой для практики точностью опредо-чять гидродинамические параметры жидкого заполнения (собственные тастоты, присоединенные массы, моменты инерции и т.д.) практически для любых типов железнодорожных цистерн.

Развитые в диссертации методы определения нагрунонности эле-лентов конструкций цистерн при ударах в автосцепку с учетом колебаний кидкого груза позволили на стадии проектирования оценить параметры разрабатываем,« шэрспектшзных конструкций, ускорить экспериментальную отработку опытных образцов и способствовали созданию цютерн с улучшении?,-л технико-экономическими характеристиками.

Проведенные исследования позволили тшеде оценить н.агрузки в гяжеловесных наливных поездах при переходных режимах их движения, шределить рациональные, по наименьшему уровню возникающих максимальных продольных сил, схемы порг.шрованм поездов, в которые жлючены цистерны, обеспечить получение эквивалентных динакичес-сих нагрузок на элементы конструкций цистерн при продольных удар,ах ) случаях замены реального жидкого груза водой.

3 результате выполненных ^следовании разработаны специальные 1бШ1»1^рукцле устройства, зацящочшэ авторскими свидетельствами ; 1346500 и К> 1542859, улучкквдео эксплуатационные характеристики ш'онов-цпсторн ц повторив точность проводя-экешрименталь-

ных исследований. Разработанные на уровне изобретений новые технические решения (авторские свидетельства 1% I4S5I70 и Ii 1556969) позволяют при соответствующем выборе параметров элементов амортизации контейнеров-цистерн на платформе существенно понизить нагру-женность элементов их конструкций при продольных ударах. Предложенные методики испытаний и специальное стендовое оборудование, на которое получены авторские свидетельства JS I4255I0 и й 1538076, по вышшот точность определения гидродинамических характеристик и нагруженности баков различной конфигурации при гармонических и ударных воздействиях.

Реализация возулътатбв ваботн. Основные результаты работы получены автором в ходе выполнения КИР по тематике, утверядонной Президиумом All УССР и директивным органом Совета Министров СССР, а также при выполнении заказов производственного объединения "Азов-ыаш", ряда ШШ и КБ, занимающихся разработкой и созданием различных объектов с жидки,га грузами. Отдельные Ш!Р были выполнены по договорам о научно-техническом содружестве с ДШТом, Институтом ки-бернетикп АН УССР, БШйвагоностроония и Институтом математики АН УССР.

Результаты исследований, а также разработгшные в диссертации методики, алгоритмы и программы нашли применение в разработках ряда предприятий и организаций. В частности, рекомендации работы были использованы при создании цистерн для перевозки ежнкешшх газов (мод.I5-1519, 15-1520, 15-1619, 15-1620), кислот (мод.15-1548, 15-1487, 15-1614), плодоовощных соков (мод.15-1522), желтого фюсфо ра (мод.15-1525), метанола (мод.15-1572), бензина и светлых нефтепродуктов (мод.15-1500, 15-1547), разрабатываемых ПО "Азовмаш" в соответствии с Государственный! научно-технлчосыаы программна! и целевой комплексной программой развития отрасли.

Результаты исследований использованы также при доработке и совершенствовании ОСТ 24.050.37-84 "ВАГОНЫ ГРУЗОВЫЕ И ПАССЛйИРСКП* Методы испытаний на прочность и ходовые качества", определяющего методику и условия проведения испытаний вагонов-цистерн.

Разработанное при выполнении диссертационной работы математическое обеспечение, а также методики и результаты исследований используются КБ "KUhoo", 1КБ транспортного машиностроения, КБ специального машиностроения при проведении теоретических и зкенор.ьмш тальных исследований объектов, co;^fäö;:üc жидкие массы.

Былолношшо прогк¡, шгрул&шюсти экипажей,

транспортирующих твердые амортизированные и хсидкие грузы, при переходных режимах движения железнодорожного поезда позволили разработать рекомендации по снижению дннашческих нагрузок, выбрать рациональные параметры амортизирующих элементов и управляющих воздействий, сократить объем транспортировочных испытании.

Результаты исследований влияния условий сопряжения элементов продольного профиля пути на наибольшие продольные усилия в тяжеловесных поездах внедрены в практику рабочего проектирования и использованы при корректировке проектной липни продольного профиля ряда перегонов БАМ.

Разработанное стендовое оборудование и штодпки проведения испытаний емкостей, частично заполненных жидкостью, при гармонических и ударных воздействиях попользуются в ПГ.71 ЛН УССР при определении с помоцыо дкнш.пгчоски подобных физических моделей гидродинамических характеристик и погруженности котлов железнодорожных цистерн и контейнеров-цистерн, а также других емкостей, имеющих сложную конфигурацию.

Отдельные разработки, выполненные по заказам предприятий, внедрены с экономическим эффектом, подтвержденным соответствующими документами, приведенными в приложении диссертации.

Апробация работы. По теме диссертации сделсшя и были одобрены доклады: на симпозиуме по проблемам моделирования динамики подвижного состава (Брянск, 1974), на Всесоюзном совещании "Механика наземного транспорта" (Днепропетровск, 1977), на Всесоюзной конференции "Проблемы нелинейных .колебаний механических систем" (Киев,1978), на II Республиканском симпозиуме по дцфферещгналышм и интегральным уравнениям (Одесса, 1978), на научно-технической конференции но проблемам проектирования, строительства и эксалуагации Байкало-Амурской магистрали (Москва, 1377), на Всесоюзной конференции по механике сплошных сред (Ташкент, 1979), на II республиканской конференции "Вычислительная матсматнлг з современном тучно-техническом прогрессе" (Киев, 1970), на 1У научном семинаре "Динамика упругих и твердых тол, взаимодействующих с .жидкостью" (Томск, 1980), на :У Республиканском совещании по проблемам динамики твердого тела [Донецк, 1984) , на XIУ Всесоюзной научно-технической конференции 'высокоскоростная фогограТкя, фотонкка и метрология быстронротеказ-

процессов" (Москва, 1969), на Всесоюзной и.соло-со^шнарв "Днка-•пка механически:: систем" (Томск, 10Б6), на Всесоюзной конференции ы вкброцаошюН технике (Кутаиси, 1981), на П-У[ ]3;есо;озных меж-

ведомственных симпозиумах "Колебания упругих конструкции с жидкостью" (Новосибирск, 1974, 1976, 1979, 1982, 1988), на Всесоюзных конференциях "Проблемы механики железнодорожного транспорта" (Днепропетровск, 1980, 1984, 1988), на Всесоюзной школе-семинаре "Моделирование динамических процессов взаимодействия в системе тел с жидкостью" (Киев, 1989), на Всесоюзной конференции "Перспективы развития вагоностроения" (Москва, 1988).

В целом диссертационная работа рассматривалась на заседаниях объединенного семинара отделов Института технической механики АН УССР, научного семинара "Динамика и прочность вагонов" кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство" ЩИТ, научно-технического совета БНИИвагоностроения, научного семинара кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство" ЖЙЖТ, Ученого совета ИТМ АН УССР.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 62 работы общим объемом 21,3 печатных листа. По результатам разработок получено 6 авторских свидетельств и два положительных решения на предполагаемые изобретения. Основные результаты диссертации изложены : 39 работах, указанных в конце автореферата.

Структура ц об^ем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованных источников и четырех приложений. Материал диссертации изложен на 348 страницах машинописного текста, содержит 78 иллюстраций и 32 таблицы. Список использованной литературы состоит из 242 наименований на 27 стр.

Считаю необходимым выразить глубокую признательность доктору технических наук, профессору Е.П.Шохину за научные консультации и обсуждение результатов исследований, представленных в диссертации. Выражаю также искреннюю благодарность всем моим коллегам и товарищам, которые оказали мне помощь и поддержку при подготовке данной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ

Введение. Состояние вопроса. Обоснование цели и задач исследования. Показана актуальность работы, дан обзор литературы по ш следуемому вопросу, определена постановка задачи, сформулированы цель работы и основные этапы ее выполнения.

Оундаментальние основы методов исследования колебаний рельс« них ок.шажей, начиная с работ Н.П.Петрова и Н.Е.Жуковского, били

заложены М.Ф.Бериго, С. В. Вертинским, M.B.Винокуровым, А.М.Годыц-ким-Цвирко, В.И.Даниловым, С.М.Куценко, И.А.Ковалевым, В.А.Лазаря-ном, В.Б.Меделем, И.И.Челноковым, Ф.Картером, И.Рокаром, А. де Патером.

Основные научные направлсшш в области динамики подвижного состава развиты в трудах И.Г.Барбаса, Е.П.Едохина, Ю.П.Бороненко, В.'И.Варавы, И.И.Галиева, Л.0.Грачевой, П.Т.Гребенюка, В.Д.Данови-ча, Ю.В.Демина, В.Г.Иноземцева, И.П.Исаева, Л.А.Калышцкого,

A.А.Камаева, В.А.Камаева, Б.Г.Кеглина, А.Я.Когана, С.И.Конаиенко, М.Л.Коротенко, Н.А.Костенко, В.Н.Котуранова, Н.Н.Кудрявцева,

B.ПЛозбинева, В.В.Лукина, А.А.Львова, Л.А.Макашкииа, Е.Н.Никольского, Л.Н.Никольского, Н.А.Панькина, Ы.П.Пахокова, С.Ф.Редько, Ю.С.Ромена, А.Н.Савоськина, М.М.Соколова, Т.А.Тибилова, В.Ф.Уика-лова, В.Н.Филиппова, А.А.Хохлова, В.Д.Хусидова, Ю.МЛеркашина, Л.В.Шадура и других ученых.

'■ Существенный вклад в исследования динамики железнодорожных цистерн, изучение их прочностных качеств, создание перспективных ■конструкций внесен Ю.Л.Еэроненко, В.М.Бубновым, А.А.Долматовым, М.Б.Кельрихом, Г.В.Костиным, В.Н.Котурановыгл, А.Н.Кочновым.Ю.П.Кри-вовязюком, H.H.Кудрявцевым, В.С.Лагутой, А.А.Львовым, В.С.Плотки-ным, А.А.Радзиховскигл, Б.С.Ратнером, А.В.Рыжовым, М.М.Соколовым, В.Н.Филиппович, В.Д.Хусадовпм, Ю.М.Черкаииным, Л.В.Шадуром и други-

Ш1.

Оценка современного состояния исследований колебаний и нагру-женности вагонов-цистерн и контейнеров-цистерн, предназначенных для перевозки различных жидких грузов, а также изучение материалов, нормирующих расчетные нагрузки и экспериментальную отработку их опытных образцов, позволили определить круг актуальных задач, которые оказались недостаточно разработанными. Так при исследовании нагрузок, действующих на цистерны при продольных ударах, оценка погруженности котлов проводилась без учета особенностей ударного взаимодействия жидкости с емкостью. Гидродинамические характеристики цистерны, частично заполненной жидки» грузом, определялись для решения отдельных частных задач исследования ее колебаний. Однако отсутствие эффективного алгоритма не позволяло с требуемой точностью получать с помощью ЭВМ полный набор гидродинамических параметров как при поступательных перемещениях котла, так и при его вращениях относительно вертикальной и горизонтальной осей. Мало изученными оставались вопросы, связанные с определением декрементов колебаний жидкости в котлах цистерн и обеспечением демпфирова-

ния этих колебаний при решении практических задач. Определение гидродинамических характеристик и нагруженности емкостей сложной конфигурации производилось с помощью экспериментальных методов, основанных на измерении колебаний свободной поверхности жидкости, применение которых становилось крайне затруднительным при проявлении различных нелинейных эффектов, а также при проведении исследований в непрозрачных баках. Дополнительные исследования требовались для более полного изучения динамических процессов и нагруженности цистерн в составе наливных и сухогрузных поездов при переходных режимах их движения. Практически отсутствовали данные о нагрузках, действующих на контейнеры-цистерны при продольных ударах.

I. Математическое моделирование копобэтшй и нагруженноотп жо-лезнопорочннх цистерн с учетом подвижности транспортируемого грузя. В первой главе приведено описание математической модели цистерны, частично заполненной жидким грузом. Основное внимание при этом уделено вопросам, связаинш,1 с разработкой механической модели-аналога системы котел-жидкость и определением ео гидродинамических параметров. Уравнения движения цистерны с жидкостью записаны в матричном виде, что позволяет использовать полученные результаты для решения различных задач динамики подвижного состава железных дорог. Приводятся дифференциальные уравнения колебании цистерн с вязкой жидкостью, предложенные для исследования маневровых соударений и переходных режимов движения поездов.

Как следует из проведенного анализа работ, наиболее приемлемыми при построении математической модели цистерны являются методы, позволяющие перейти от системы тело-жидкость к дискретной механической системе с конечным числом степеней свободы. На их основе становится возможной разработка математической модели цистерны, которая бы наиболее полно соответствовала реальной системе, учитывая как особенности конструкции, так и транспортируемого жидкого груза, и вместе с тем была бы достаточно простой и удобной для практической реализации с использованием ЭВМ. Такие методы развиты в работах Н.Е.Жуковского, И.А.Луковского, Г;Н.Микишева, Н.Н.Моисеева, Г.С.Нариманова, Д.Е.Охоцкмского, Б.И.Рабиновича, Х.Абрамсона,Х.Бауэра, Б.Будянски и др.

Движение цистерны с жидкостью описывается двумя связанными подсистемами обыкновенных дифференциальных уравнений. Первая подсистема имеет порядок N{=2(n*+d) , где d= I, ..., 6 - число степеней свободы котла; п - обобщенные координаты, характеризующие колебания жидкости в емкости. Колебания .других ( п - I) твердых

тол, входящих в расчетную схему цистерны и соединенных между собой деформируемыми элементами с различными реологическими свойствами, описываются диффереи-циальннми уравнения!.«!, образующий вторую подсистему порядка =2\б(г1-1)-к~\ , где п - число твердых тел в расчетной схеме цистерны; к - число связей, наложенных на систему. Из указанных подсистем уравнений формируется полная система уравнений пространственных колебаний цистерны с жидкостью порядка Ы^И^Мц , которая в векторно-матричной форме имеет вод:

щ+ву+ц =я+а*,

где //=[от(у] - матрица инерционных коэффициентов (7,у г/,//') ;

Л=[4у] - матрица, элементами которой являются коэффициенты функции рассеяния; - матрица квазиупрутих козффящиентов;

9=~ вект°Р обобщенных координат; [й/]' и 5 = [£?*] - векторы обобщенных сил, обусловленных, в обдэм случае, силами взаимодействия экипажей через автосцепки, колес с рельсами, ходовых чаете)! с элементами опор (<5,- ), а также силами в соединениях котла с другими элементами конструкции ). Отметим, что через обобщенные силы И1 осуществляется связь между рассматриваемыми подсистемами уравнений.

Решение системы уравнений (I) может быть получено путем численного интегрирования с использованием ЭВМ, если известны значения коэффициентов матриц > [^у] и [^//1 • ДР11 формировании этих

матриц основная трудность заключается в определении параметров первой подсистемы, характеризующей поведение жидкого заполнения, гак как остальные коэффициенты дифференциальных уравнений (I) находятся через известные инерционные, диссипативные и геометрические характеристш-л цистерны. Искомые гидродинамические параметры выражаются через коэффициенты уравнений возмущенного движения котла с жидкостью, определение которых связано с решением следующих краевых задач:

&<р„'0 6 а;

- , г, V д?пп С .

на Е; = 0 на (2)

Ау=с7 в а-, « Е; « (3>

где 3 - объем, заыдоешй .-дикостью; <рп и ^ - гармонические

функции, составляющие которых являются потенциалами смещений частиц жидкости соответственно при волновых ее движениях и вращениях котла; Р - вектор от точки начала коордшат до центра тяжести площади свободной поверхности жидкости, "затвердевшей" в невозмущенном состоянии; 2 - невозмущенная свободная поверхность жидкости; 5 - смоченная поверхность котла; т> - единичный вектор внешней нормали к поверхности 5 иЦ ; д - ускорение свободного падения; С0п - п -я собственная частота колебаний жидкости; Л - оператор Лапласа.

Решение краевых задач (2) и (3) проведено с использованием вариационного метода Ритца по методике, разработанной в Институте математики АН УССР. Установлена эффективность использования объемных сферических функций при определении гидродинамических параметров котла с жидкостью при его пространственных колебаниях. Разработан алгоритм и получены формулы для определения гидродинамических коэффициентов в случаях, когда ось котла, частично заполненного жидким грузом, моя о х- занимать различные положения в вертикальной продольной плоскости.

С помощью разработанных алгоритма и программы определены гидродинамические параметры для рада цистерн (для перевозки бензина,сжиженных газов, кислот и других жидкостей). Построены аналитические зависимости," позволяющие определять указанные характеристики жидкого заполнения для четырехосных и восьмиосных цистерн в диапазонах изменения их параметров, обусловленных возможными изменениями диаметров котлов, плотности транспортируемых грузов и уровней их заполнения. Получены выражения, позволяющие с помощью ЭВМ вычислять коэффициенты демпфирования малых колебаний вязкой жидкости в котлах железнодорожных цистерн. Построены математические модели для исследования продольных колебаний цистерн, частотно заполненных вязкой жидкостью, а также для определения нагруженности элементов их конструкций при колебаниях в вертикальной продольной плоскости.

2. Оценка параметров математических моделей цистерн, частично заполненных жидким грузом, при маневго'рых соударениях п переходных режимах движения наливных поездов. Во второй главе приведены математические модели наливных поездов и результаты исследования влияния параметров системы цистерна-жидкость на динамические нагрузки, возникающие в поездах и при маневровых соударениях цистерн. Исследованы также динамические процессы, протекающие в наливных поездах нрп неустановившихся режимах движения.

Расчетная схема наливного гюозда представлена в виде одномерной разветвленной системы, состоящей из отдельных звеньев, соединенных деформируемыми элементами. Каждое звено является механической моделью отдельной цистерны. Свойства деформируемых элементов определяются характеристиками менвагошшх связей.

Для случаев, когда зазоры в менвагонных соединениях не проявляются, продольные колебания наливного поезда описываются интегро-дяфференциальным уравнением в частных производных с соответствующими граничными и начальными условиями. Решение этого уравнения проведено с помощью операционного метода. Получены формулы, позволяющие исследовать усилия в сечениях наливного поезда при различных режимах его движения.

В случаях, когда зазоры влияют на переходный процесс, движение наливного поезда описывалось системой обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений, решение которой осуществлялось численно с помощью ЭВМ или путем электронного моделирования.

Проведена оценка параметров математических моделей цистерн при исследовании динамических процессов в наливном поезде с учетом взаимодействия жидкости с верхней частью котлов. Показано, что выбор различных законов изменения параметров осцилляторов в зависимости от амплитуд колебаний жидкого груза, приводит к существенным отличиям при определении усилий, действующих на цистерны со стороны жидкости, однако практически не оказывает влияния на значения максимальных продольных усилий, возникающих в межвагоншх соединениях. Отмечено, что при исследовании переходных режимов движения наливных поездов достаточно учитывать основной тон колебаний жидкости в цистернах. Достоверность предложенных математических моделей подтверждена сопоставленном результатов теоретических исследований, выполненных различными методами, а также данными натурных экспериментов.

Исследовано влияние длины и веса наливного поезда, зазоров в межвагонных соединениях, рассеяния энергии поглощающими аппаратами автосцепок и конструкциями вагонов, а также уровня налива и вязкости жидкости на величины и характер изменения усилий, возникающих в наливных составах при пуске в ход, торможении, движении через отдельный перелом продольного профиля пути. Установлено, что при трогании предварительно растянутых наливных поездов наибольшие растягивающие усилия возникают примерно в первой трети поезда от локомотива и могут превышать силу тяги Р на 20-30 При этом, как правило, возникают сжимающие усилля, которые при коэффициентах

рассеивания энергии 0,5-0,9, соответствующих характеристикам реальных поглощающих аппаратов, составляют не более 5-7 % от величины силы тяги. Показано, что наибольшие усилия при пуске в ход указанных поездов возрастают с увеличением длины и веса состава, не превышая 1,3-^ . Наибольшие значения растягивающих усилий в предварительно сжатом иаливном поезде по сравнению с аналогичным сухогрузным меньше на 10-15 %. При этом появляются сжимающие усилия, сопоставимые по величине с растягивающими. Величина рассеивания энергии в поглощающих аппаратах автосцепки и учет вязкости транспортируемой в цистернах жидкости не оказывают влияния на наибольшие растягивающие усилия.

Распределения по длине состава наибольших усилий, возникающих при торможении наливных и сухогрузных поездов, также как и при пуске в ход, отличаются количественно и качественно. Получено, что при торможении предварительно растянутых наливных поездов усилия в межвагошшх соединениях могут быть на 25-30 % ниже, чем в сухогрузном поезде, однако при этом в хвостовой части состава возможно появление таких же по уровню растягивающих усилий. Аналогичные тенденции имеют место и в распределениях максимальных усилий, возникающих в наливном поезде при его движении через перелом продольного профиля пути.

Экспериментально и с использованием ЭВМ изучены колебания и нагруженность железнодорожных цистерн, частично заполненных жидким грузом, при соударениях с вагоном-бойком. Показано, что при определении нагрунешюсти элементов конструкций цистерн при ударах в автосцепку целесообразно использовать механическую модель-аналог системы цистерна-жидкость, учитывающую колебания в вертикальной продольной плоскости.

3. Экспериментальное определение гидродинамических характеристик и нагруженности емкостей различной конфигурации. Эксперт,юн-тальные методы исследования колебаний жидкости в емкостях при гармонически и ударных воздействиях описаны в третьей главе. Рассмотрены вопросы, связанные с разработкой стендового оборудования, а также методик лабораторных испытаний емкостей, частично заполненных жидкостью. Приведены результаты исследований гидродинашческих характеристик и нагруженности баков различной конфигурации в зависимости от изменения параметров системы и видов возмущающей нагрузки.

Использование указанных экспериментальных методов дает воз-

можность определять необходимые гидродинамические характеристики для различных емкостей, включая котлы контейнеров-цистерн, предназначенных для перевозки жидких грузов, а также железнодорожных цистерн, в том числе имеющих различные внутрибаковые устройства: демпферы колебании жидкости, перегородки, лестницы и т.д. Кролю того, экспериментальные методы , в частности методы физического моделирования, позволяют решить задачу об определении нагруженнос-ти котла цистерны транспортируемым жидким грузом при ударах в автосцепку с учетом различных нелинейных эффектов и особенностей взаимодействия жидкости с верхней частью емкости.

В основу экспериментального определения гидродинамических характеристик положены расчетные соотношения, полученные из парциальных систем уравнений, описывающих поступательные движения исследуемой емкости с жидкостью, а также ее вращения относительно поперечной или вертикальной осей при гармонических воздействиях. Наибольшее -распространение получили резонансный метод и метод свободных колебаний, при использовании которых точность определения гидродинамических параметров существенным образом зависит от точности измерения собственных частот и форм колебаний жидкости в емкости.

Известные в настоя.',ее врогя поплавковые, кондуктометрические и емкостные уровнемеры обладают рядом недостатков, затрудняющих их использование при динамических испытаниях. При участии автора был разработан уровнемер У-1Л, основанный на потенциометричоском методе измерения амплитуд колебаний жидкости и отличающийся простотой конструктивного исполнения и удобством в эксплуатации. Технические характеристики уровнемера обеспечили возможность разработки методики проведения испытаний емкостей с жидкостью, позволившей повысить точность определения гидродинамических параметров. Для этого стенд, имеющий эксцентриковый привод и подвижную платформу, был оборудован устройством останова платформы и соответствующей системой управления. В состав управляющей системы входит анализатор формы колебаний жидкости, содержащий установлешше определенным образом в испытываемой емкости разработанные датчики уровня. Для случаев проведения испытаний емкостей с изменением их пространственного расположения относительно действия возмущающей нагрузки били предложены оригинальные устройства, обеспечивающие оперативную перенастройку датчиков (изменения их песта расположения, утла наклона, глубины погружения) и установку их вертикально в заданных точках свободной поверхности жидкости. Указанные устройства защищены авторскими свидетельствами.

С помощью разработанных стендового оборудования и методики проведении испытаний изучались особенности экспериментального определения гидродинамических параметров емкостей, частично заполненных жидкостью. Показано, что значения декрементов колебаний жидкости в емкостях существенно зависят как от амплитуды колебаний жидкости, так и уровня заполнения бака. В случаях, когда испытываемые емкости имеют сложную консТигурадшо иди внутрибаковые элементы, вачное значение при определении декрементов колебаний приобретает также и выбор места установки датчшсов уровад. Установлено, что ограничение амплитуд колебаний жидкости цилиндрической поверхностью емкости, являющейся геометрически подобной моделью котла железнодорожной цистерны, приводит к "конструкционному" демпфированию, которое может быть достаточно большим. Для исследования процессов взаимодействия жидкости с верхней частью рассматриваемых цилиндрических емкостей применялся потснциометрнческий датчик Г-образной формы.

С использованием динамически подобных физических моделей исследована гидродинамическая нагруженность котлов железнодорожных цистерн при ударах в,автосцепку. Для обеспечения подобия процессов, протекающих в модели и натурном объекте, были определены соответствующие масштабные коэффициенты и условия, подобия. Лабораторные ударные испытания проводились с помощью специально разработанного стенда, позволяющего исследовать соударения моделей цистерн с бойком или другим препятствием. Установлено, что по цилиндрической части котла при недоливах, меньших 3/4 , может пробегать кольцевая волна давления, скорость распространения которой существенно зависит от уровня заполнения котла и силы соударения. При этом максимальные значения давления возникают в сечениях первой трети котла при недоливах равных (0,05-0,20)7? л могут в 1,5-2,0 раза превышать давления на переднее днище. Получено, что воздействие на емкость жидкого груза при продольных ударах существенным образом зависит от ее конфигурации.

4. Математическое моделирование маневровых соударений и поре-холных режимов движения поездов о твердпш и жидкими грузами. В четвертой главе приведен алгоритм, позволяющий на основе одномерных и плоских расчетных схем вагонов с твердыми и жидкими грузами формировать с помощью ЭВМ гребуеше математические модели соударений экипажей при маневрах и в составе поезда, рациональные по числу решаемых уравнений. Рассмотрены вопросы понижения порядка систем нелинейных дшкТ.ерсш^шлышх уравнений, описывающих динамические

процессы в наливных поездах при переходных режим; ис движения.

Математическая модель соударений вагонов, транспортирующих твердые и жидкие грузы, строилась из подсистем дифферглщпалышх уравнений, каждая из которых описывала колебания отдельного экипажа с учетом специфики перевозимого груза. Указанные подсистемы составляли набор базовых элементов. При построении с помощью ЭВМ полной математической модоли исследуемой механической системы предусматривалось, что вместо с соответствующими исходными данными для базовых элементов вводятся специальные параметры, которые определяли схему формирования состава, выбор расчетных схем экипажей, вид межвагошшх связей, рассматриваемый переходный режим движения. Система уравнений, описывающая движение поезда пли сцена, формировалась на каждом шаге по времени. При этом по номеру расчетной схемы ¿-го экипажа к системе добавлялись уравнения, соответствующие выбранному для него базовому элементу. В зависимости от целей исследования выбиралась также модель мсявагонного соединения. В простейшем случае моделировалось лишь продольное взаимодействие экипажей через поглощающий аппарат. Если необходимо было учесть вертикальное взаимодействие автосцепок с ударными розетками и центрирующими приборам, то рассматривались либо безмассовыи стержень, либо система твердых тел, моделирующих работу межвагонных соединений с учетом шюрциошшх свойств и особенностей закрепления каждой из автосцепок. Решение сформированной системы уравне-зшй осуществлялось путем численного интегрировали.

В программе, разработанной на основании описанного алгоритма, реализован ряд расчетных схем экипажей, математические модели которых ^пользовались в качестве базовых элементов. С их помощью возможно исследование колебаний и нагруженности экипажей с жестко закрепленными, амортизированными и жидкими грузами как в составе поезда или сцепа, так и при маневровых соударениях. Расчетные схемы вагонов и грузов представлены в виде систем твердых тел, соединенных упруго-диссипативпыми связями. При исследованиях колебаний цистерн в вертикальной продольной плоскости их симметрии колебания жидкого груза моделировалось либо с помощью математических маятников, параметры которых определялись в рамках линейной теории из решения краевых задач (2) и (3), либо с использованием механической модели, позволяющей рассматривать нелинейные колебания жидкости при ударах в автосцепку. Гидродинамические параметры при отсм определялись с учетом экспериментальных д'шных, полученных при проведении ударных испытаний соответствующих физических :\чх>г-г--'-

цистерн. Алгоритм и программа для проведения расчетов с помощью ЭВМ составлены таким образом, что число базовых элементов может увеличиваться. Показано, что как и в случае исследования переходных режимов движения сухогрузных поездов, целесообразно использование "укороченных" систем дифферешцтльных уравнешо! движения наливных поездов, построенных путем соответствующего объединения отдельных групп цистерн.

5. Динамическая нагруженность специализированных экипакей при ударах в автосцепку. В пятой главе с использованием предложенных методик определена нагруженность конструкций четырехосных железнодорожных цистерн и крупнотоннажных контейнеров-цистерн при продольных ударах. Получены оценки нагрузок, действующих на экипажи с легко повреждаемыми амортизированными грузами при переходных режимах движения поезда, в составе которого находятся цистерны, и определены условия, при которых эти нагрузки не превышают допускаемые .

Исследованы продольные и вертикальные нагрузки, действующие на элементы конструкций четырехосных железнодорожных цистерн, частично заполненных жидким грузом, при соударениях с вагоном-бойком. Изучено влияние параметров межвагонного соединения и элементов крепления котла к раме на динамику цистерны при продольных ударах. Определена также нагруненность четырехосной цистерны при действии ударных нагрузок, возникающих в процессе ее соударений с вагонами различных типов. С использованием программного обеспечения, разработанного в ДОГГе, получены распределения сил, действующих на цистерну со стандартным наливом. Показано, что учет подвижности жидкости в г.потерне при оценке ее нагруженности при маневровых операциях приводит к сдвигу распределения в сторону меньших сил.

Исследовано влияние колебаний жидкого груза в крупнотоннажных контейнерах-цистернах на их динамическую нагруженность'при ударах в автосцепку железнодорожной платформы. Установлено, что ускорения контейнеров-цистерн в реальных условиях эксплуатации могут значительно превысить допускаемый уровень 2д . Значительными могут также оказаться и продольные силы, действующие на элементы конструкции исследуемых контейнеров-цистерн. На основе полученных результатов предложен ряд новых технических решений, предусматривающих размещение элементов дополнительной амортизации как в местах установки упоров, так и на самих контейнерах. Рациональный выбор параметров амортизации позволяет снизить нагрузки на коытеинеры-цистер'

ны примерно в два раза по сравнению с возникающими при работе четырех неамортизированных упоров л на 20-30 % - при работе двух таких упоров.

Определены продольные динамические нагрузки при переходных режимах движения поезда, транспортирующего твердые амортизированные и жидкие грузы, и разработаны рекомендации, направленные на обеспечение сохранности легко повреждаемых грузов. Исследованы случаи, когда после торможения поезда, его остановки и отпуска тормозов возникают подергивания экипажей, вызванные продольными колебаниями жидкости в восьмиосной цистерне, находящейся в голове поезда Установлено, что уровень возникающих ударных импульсов и длительность процесса существенно зависят от параметров системы. Это обусловлено ее нелинейными свойства™, а также неоднородностью по инерционным, жесткостным, демпфирующим и другим характеристикам. Разработано устройство оригинальной конструкции, обеспечивающее демпфирование колебаний свободной поверхности жидкости при произвольном заполнении ею котла цистерны.

6. Исследование продольных нагрузок, действующих на железнодорожные цистерны при переходных пежпмах движения поездов. В шестой главе приведены резулз.таты исследований продольных динамических усилий, возникающих в тяжеловесных наливных поездах. Рассмотрены вопросы выбора наиболее благоприятных по уровню действующих сил схем формирования поездов, в составе которых находятся цистерны с жидюши грузами. Даны оценки нагрузок в объединенных поездах, сформированных из наливных и сухогрузных составов.

С помощью ЭВ.'<1 исследованы продольные динамические усилия, возникающие в межвагонных соединениях при пуске в ход, торможении.движении через перелом продольного профиля пути поездов, включающих цистерны с жидкими грузами. Рассмотрены случаи, когда в сухогрузный поезд включены группы, состоящие из различного числа цистерн. При этом исследовано влияние длины и числа неоднородных участков на значения наибольших продольных усилий. Получено, что подвижность жидкости в цистернах оказывает существенное влияние на распределения наибольших продольных усилий как в однородных, так и неоднородных по массо поездах. Так при пуске в ход растянутого поезда из четырехосных вагонов, в первой половине которого собран!! цистерны, усилия на 15-20 % получаются больше, чем в сухогрузном поезде. По результатам выполненных исследований разработаны рокоменд.'шии по выбору схем формировали поездов, тр:шолорт;:рующцх цистерны с

юши грузами.

Рассматривался пуск в ход и торможение на горизонтальном участке пути сдвоенных и строенных поездов, сформированных из наличных и сухогрузных состаьзв. Исследованы случаи одновременного набора тяги взегли локомотивами объединенного поезда, а также, когда тяга вспомогательных локомотивов включалась по волне нагружения. Для сравнения исследовался пуск в ход указанных поездов локомотивами, собранными в голове. Рассматривались также разные способа управления тормозами объединенного поезда: синхронное и по волне разрядки магистрали. Тормозные магистрали при этом били разобщены. Решение задачи проводилось с использованием"укороченных"систем дифференциальных уравнений, полученных при объединении групп из четырех экипажей в соответствующие элементы расчетной схемы. Это позволило оценить нагрузки в указанных поездах при сокращении времени расчетов на ЭВМ БЭСМ-6 в 3-4 раза.

7. Исследование усилий в межвагонных соединениях поездов. транспортирующих твердые и жидкие грузы и движущихся по участкам сложного продольного продля пути. Б седьмой главе исследованы динамические нагрузки в поездах, транспортирующих твердые и жидкие грузы, при их движешш по переломам продольного профиля пути с учетом управляющих воздействий машиниста. Определено влияние параметров продольного профиля пути на наибольшие усилия в тяжеловесных поездах. Рассмотрены вопросы, связанные с корректировкой проектов некоторых участков железнодорожных магистралей.

Исследовано влияние колебаний жидкости в котлах железнодорожных цистерн на уровень продольных усилий, возникающих в поезде при его движении "срез переломы продольного профиля пути. Установлено, что несмотря на существенные отличия в протекании переходных процессов, продольные усилия в наливных поездах при указанных режимах движения как правило не превышают усилий в аналогичных сухогрузных. Показано .отсутствие резонансных режимов при движении наишного поезда по волнистому профилю пути. Получено, что наиболее благоприятными по уровню возникающих продольных сил являются схемы формирования поезда с расположением цистерн в хвостовой части.

Исследовано влияние условий сопряжения элементов продольного профиля пути на наибольшие Д1ша'лические усилия в тяжеловесных поездах. Получены оценки нагруженности вагонов в поезде массой 10000 тонн, движущемся через переломы продольного профиля пути типа "горб" и "jiv.ii" при различных сочетаниях элементов профиля разной крутизны и длина, а такте при параллельно:.! переносе разделительной

площадки. С целью выбора условий сопряжения на переломах продольного профиля пути исследованы продольные усилия, возникающие в поездах при двихсшы по раду участков БЛ1Л. Для назначения допускаемых условий сопряжения рассматривалось движение поезда "на выбеге" по перелому продольного профиля пути. Определение же рекомендуемых условий сопряжения осуществлялось с учетом возможности наложения возмущений от переломов профиля пути па возмущения от управления движением. В результате проведенных исследований были предложены параметры продольного профиля для рассмотренных участков, обеспечиваощие существенное сшвкешю строительных затрат.

8. йквлвалантнагг нагрулонностъ жолознолорожнпх цистерн при продольных удапах в случаях зчмони одного жидкого груза другим. В восьмой главе приведена методика определения эквивалентной нагру-женносги железнодорожных цистерн, частично заполненных различными жидкими грузами, при продольных ударах. Использовался подход, при котором на первом этапе рассматривалась задача динамики и решалась соответствующая система дифференциальных уравнений. На втором этапе методом конечных элементов решалась квазистатпчоская задача с учетом приложения к исследуемой цистерне максимальных динамических и инерционных сил.

Необходимость определения показателей динамической нагружен' ности дастерн с реальными грузам;! по результатам их натурных ударных испытаний с водой обусловлена том, что заполнение котлов исходны:.! продуктом (кислотами, сжиженными газами и т.п.) при экспериментальной отработке конструкций цистерн, обычно но производится. Использование воды в качестве заменителя реального груза позволяет наряду с экономией средств и сокращением времени испытаний повысить безопасность проведения работ. При этом актуальной задачей является прогнозирование максимальных значений напр.ьжонлй в элементах конструкции испытываемой цнетерны при продольных ударах в случае законы воды па реальный груз. О целью проверки достоверности используемого квазиотатического подхода результаты расчетов сопоставлены с данными натурных испытанны.

Предложены коэффициенты эквивалентности, позволяющие определять усилия и напряжения в цистерна с исходном продуктом путем умножения указанных коэффициентов, полученных расчетном путем, па соответствующие эксперпмонт/ьчышо значения нагрузок, напдонныи для цистерны с водой. Псследовашш показали, что эк-

вивалентности нагрузок на цистерну явл.-щтел достаточно стабл

ми характеристиками, практически не зависящими в возможных диапазонах изменения параметров от скорости соударения, массы вагона-бойка, жесткости межвагошюго соединения, недолива жидкого груза в чотле и характера распределения по оболочке гидродинамического давления. Установлено, что при определении коэффициентов эквивалентности напряжений расчеты напряженно-деформированного состояния элементов конструкции цистерны следует проводить не только с учетом нагрузок, найденных из решения задачи динамики, но и сил веса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация посвящена разработке эффективных способов моделирования и исследования динамической нагруженности элементов конструкций вагонов-цистерн и контейнеров-цистерн при продольных ударах через автосцепку, возникающих в процессе маневровых операций и при переходных режимах движения поездов. Особенностью работы является то, что определение динамических нагрузок осуществляется с учетом колебаний транспортируемого жидкого груза, гидродинамические характеристики которого находятся с помощью специально разработанных методик, позволяющих с использованием ЭВМ и динамически подобных физических моделей получать с требуемой точностью полный набор необходимых при исследовании гидродинамических параметров, включая коэффициенты демпфирования колебаний жидкости. В целом, методами математического и физического моделирования решена проблема прогнозирования динамических нагрузок, возникающих в перспективных конструкциях цистерн при продольных ударах с учетом воздействия транспортируемой жидкости. При этом можно оценивать не только уровень гидродинамических сил, но и их распределение по котлу цистерны.

Описанные в работе теоретические и экспериментальные исследования позволили получить ряд практически важных результатов, сформулировать основные выводы и рекомендации:

1, На основе изучения и анализа динамических процессов, протекающих в цистернах при ударах в автосцепку, разработаны уточненные расчетные схемы и математические модели цистерн, учитывающие специфику конструкции и характер транспортируемого жидкого груза, а также особенности работы межвагонных соединений при соударениях экипажей.

2. Предложены эффективные алгоритм! для определения с помощью ЭВМ гидродинамических параметров котлов железнодорожных цистерн, частично заполненных различны?,:и жидкими грузами. Получены анали-

тические зависимости, позволяющие оценивать гидродинамические характеристики практически для любых типов четырехосных и восьмиосных цистерн.

3. Разработано специальное математическое обеспечение для иссле-довшшя с использованием ЭВМ динамических нагрузок, действующих на цистерны при маневровых соудареш!ях и переходных режимах движения поездов. Показано, что для оценки нагруженности элементов конструкций цистерн при ударах в автосцепку целесообразно использовать механические модели-аналоги системы цистерна-жидкость, учитывающие в зависимости от цели исследования ее продольные колебания или колебашщ в вертикальной продольной плоскости симметрии.

4. Показано, что учет взаимодействия жидкости с верхней частью котлов цистерн при продольных ударах незначительно влияет на наибольшие продольные усилия, возникающие в межвагонных соединениях, однако его следует принимать во внимание при оценке нагрузок, действующих на котлы цистерн со стороны жидкого груза.

5. Создано стендовое оборудование и развиты экспериментатыше методы определения ги,цродинам1гческпх характеристик емкостей с жидкостью, имеющих различную кондяцрурацшо, при гармонических

и ударных воздействиях. Разработана методика физического моделирования ударных нагружений баков, частично заполненных жидкостью, позволяющая о использованием динамически подобных физических моделей прогнозировать гидродинамическую нагружон-ность котлов железнодорожных цистерн при ударах в автосцепку.

6. Исследованы динамические процессы и нелинейные эффекты, возникающие при экспершлентальном определении гидродинам1гческих характеристик емкостей с жидкостью. Показано, что экспериментальные значения собственных частот колебаний жидкости не только зависят от амплитуды возмущающего гармонического воздействия, но и от характера его приложения. Установлено, что с появлением а»шлигуд, при которых в баке, имеющем форму котла железнодорожной цистерны, начинаются захлесты верхней его части, наблюдается как правило скачкообраный рост декрементов колебаний жидкости. Получено, что значения декрем'знтов могут быть на порядок больше, чем в случаях, когда амплитуды колебаний жидкости но превышают уровня недочпвч.

7. С использованием предложенных математические моделей послед-)-

вэ.но влияние различных параметров четырехосных железнодорожных цистерн и крупнотоннажных контейнеров-цистерн на нагруженность элементов их конструкций при продольных ударах. Определены статистические характеристики распределений продольных нагрузок, действующих на четырехосную цистерну при маневровых соударениях и получены выражения, позволяющие оценить ее нагруженность как с учетом, так и без учета подвижности транспортируемого жидкого груза. Показано, что уровни сил, действующих при продольных ударах на контейнеры-цистерны, а также ускорения указанных контейнеров могут значительно превышать допускаемые. Найдены рациональные параметры эффективных амортизирующих устройств и предложены новые технические решения для закрепления крупнотоннажных контейнеров на железнодорожной платформе.

8. Исследованы нагрузки, действующие на вагоны с легко повреждаемыми амортизированными грузами при ударах в состав локомотивом или сцепом и при переходных режимах движения поезда, в котором находятся цистерны. Показана возможность появления ударных процессов в межвагонных соединениях такого поезда после его остановки вследствие колебаний жидкости в восьмиосной цистерне. Разработаны рекомендации, направленные на обеспечение сохранности рассматриваемых транспортируемых грузов, а также специальное устройство (а.с. Д 1346506) для демпфирования колебаний свободной поверхности жидкости, заполняющей котел цистерны с произвольным недоливом.

9. Исследованы продольные нагрузки, действующие на железнодорожные цистерны при переходных режимах движения поездов. При этом установлено:

- колеоания жидкости в цистернах оказывают существенное влияние на уровень и характер распределения наибольших продольных усилий по длине как однородных, так и неоднородных по массе поездов;

- наиболее неблагоприятными по уровню возникающих продольных сил являются такие схемы формирования, когда четырехосные цистерны, составляющие примерно от одной трети до половины всех вагонов в поезде, объединены в одну группу и расположены в голове или. середине состава из восьмиосных полувагонов;

- уменьшение числа сгруппированных цистерн, увеличение количества групп, а также размещение цистерн в хвостовой части состава приводят к снижению уровня наибольших продольных уси-

лий в межвагонних соединениях поезда;

- при расположении цистерн в ере,дней или головной частях состава наибольшие усилия при пуске в ход неоднородного по массе и виду перевозимого груза поезда могут превысить максимальные усилия в однородном наливном поезде на 70-80 %, а в однородном сухогрузном - на 30-50 %.

10. При торможении наливных поездов массой порядка 10000 тонн и более возможно появление продольных усилий, значительно превышающих допускаемые. С целью снижения уровня продольных усилий тяжеловесные наливные составы целесообразно формировать полностью из восьмиосных цистерн или, если в составе тлеются еще

и четырехосные цистерны, размещать восьмиосные в голове поезда.

11. В объединенных поездах, сформированных из наливных железнодорожных составов, наблюдается снижение максимальных продольных сил на 20-25 % по сравнению с сухогрузными поездами. Аналогичное снижение нагрузок может иметь место, если в сдвоенном поезде последний состав, а в строенном - последние один или два состава, являются наливными.

12. Определены наибольшие динамические усилия в тяжеловесных поездах при различных сочетаниях элементов профиля пути разной крутизны и длины, а также при параллельном переносе разделительной площадки. Дани рекомендации по корректировке параметров продольного профиля пути ряда участков железнодорожных магистралей. Показано, что при оценке проектных решений помимо стоимости строительства слпдует принимать во внимание и динамическую нагружонность подвижного состава.

13. Разработана методика определения эквивалентной динамической нагруженностп железнодорожных цистерн с различными жидкими грузами при продольных ударах. Показано, что оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкций цистерн, выполненные с помощью метода конечных элементов по предварительно найденным д;шамическим нагрузкам, достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными при испытаниях цистерн на соударение.

14. Предложенные в диссертации алгоритмы и программы, а также методики и результаты исследований использовали рядом предприятий и организаций при прогнозировании нагруженноотп и выборе параметров элементов конструкции цистерн н других объектов, трльенортаруирас хедкис грузы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Богомаз Г.И. Определение элементов характеристической матрицы, составлсшюй для нахождения собственных частот и форм колебании жидкости в горизонтальном круговом цилиндре с двумя сферическими днищами // Адгоритглы и программы для исследования на ЭЦВМ "Мипск-22" случайных колебаний дискретных мех.систем. -Киев: изд-во Ин-та кибернетики АН УССР, 1972. - C.I05-II4.

2. Богомаз Г.И., Лазарян В.А.,'Рыжов A.B. Исследование переходных режимов движения нелинейных одномерных систем с элементами, содержащими жидкость // Колебания упругих конструкций с жидкостью. - Новосибирск: Новосиб.электротехн.ин-т. - 1974. -

С.45-46.

3. Богомаз Г.И., Рыжов A.B. Пуск в ход предварительно растянутых наливных поездов // Динамика и прочн. высокоскоростного наземного транспорта. - Киев: Наук.думка, 1976. - С.46-54.

4. Богомаз Г.И., Хачапуридзе U.M. Исследование с помощью математического моделирования величин динамических усилий, возникающих в наливных поездах при движении по Байкало-Амурской магистрали // Механика наземного транспорта. - Киев: Наук.думка, 1977. - С.6-10.

5. Рыжов A.B., Богомаз Г.И. Продольные колебания жидкости в железнодорожной цистерне // Динамика и прочность сложных механических систем. - Киев: Наук.думка, 1977. - C.I08-II7.

6. Богомаз Г.И. Влияние параметров наливного поезда на величины динамических усилий, возникающих в межвагонных соединениях при торможении. - I.I., 1978. - 12 с. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 01.08.78, № 763/78.

7. Лазарян В.А., Богомаз Г.П., Хачапуридзе Н.М. О математических моделях для исследования неустановившихся режимов движения наливных поездов // Колебания, прочн. и устойчив, сложных меха-нич. систем. - Киев: Наук.думка, 1979. - С.57-72.

8. Богомаз Г.И., Красников A.B., Щербак Л.В. Определение присоединенных масс жидкости в частично заполненной горизонтальной цилиндрической полости // Там же. - С.72-76.

9. Богомаз Г.И. Исследование неустановившихся режимов движения поездов, транспортирующих жидкие грузы // Проблемы механики ж.-д. транспорта. - Киев: Наук.думка, 1980. - С.20-21.

10. Богомаз Г.П. Оценка продольных уешшл в наливных поездах с уче-

том ограничения шшлитуд колебаний жидкости // Тагл же. -С.21-22.

11. Богомаз Г.И. Влияние продольного профиля пути на усилия в на-• ливних поездах // Нагруженность, прочн., устойчивость движения мех. систем. - Киев: Наук.думка, 1980. - С.84-89.

12. Богомаз Г.И., Хачалуридзе Н.1.1. Исследование продольных усилий, возникающих при торможении тяжеловесных наливных поездов // Там же. - С.78-84.

13. Богомаз Г.И. Исследование динамических процессов в наливных поездах с учетом ограничения колебаний жидкости // Нагружен-пость и динамич. шчества мех. систем. - Киев: Наук.думка, 1981. - С.87-94.

14. Богомаз Г.И. Определение усилий в одномершк системах тел с жидкостью при распространяющемся возмущении // Там же. - С. 6873.

15. Оценка нагруженности цистерны, частотно заполненной жидкостью, при ударных нагружениях / Г.И.Богомаз, Ю.П.Кривовязюк, Л.А.Ма-нашкин и др. // Динамика упругих и твердых тел, взаимодействующих с жидкостью. - Томок: изд-во Томск, ун-та. - 1981. -С.28-33.

16. Оценка продольных усилий в наливном поезде массой 10000 тонн / Ю.М.Черкаиин, Г.И.Богомаз, Г.В.Костин, Ю.П.Кривовязюк // Вестн. ВПИЮТ. - 1982. - Я 4. - С.32-36.

17. Исследование продольных динамических усилий, возникающих в неоднородных по массе и вину транспортируемого груза поездах при переходных режимах движения / Г.И.Богомаз, Л.М.Коротенко, Ю.П.Кривовязюк, Б.З.Суолович // М., 1982. - 82 с. - Деп. в ВИНИТИ 14.02.82, й 3370-82.

18. Богомаз Г.И., Кривовязюк Ю.Г1., Суелович Б.3. Исследование влияния подвижности перевозимого груза на продольные усилия в неоднородных поездах // Колебания и дннамичоскио качества механических систем, - Киев: Наук.думка, 1983. - С.76-81.

13. Математическое моделирование нространстпешшх колебаний посъ-миосной железнодорожной цистерны, гршспортирущеИ жидкие грузы / Г.И.Богомаз, Ю.В.Демин, А.М.Комчронко, Л.М.Коротенко. -М., 1983. - 39 с. - Доп. в ВИНИТИ 23.09.8-3, ¿1 4995-83.

20. Оценка илгружннностл жолезиодоратлой цистерны с ::'.;д;:оотш при соударениях / Богомаз Г.И., Гарглвп Н.Я., Кольрлх ГЛ. П. л др. // Дгнг&глка механических спст^г.т. - Киев: Наук. 1РЯГ1. -

С.Т21-1Г08.

21. Богомаз Г.И., Комаренко А.Н. Определенно гидродинамических коэффициентов уравнений движения цилиндра, частично заполнен-

• ного жидкостью и наклоненного относительно' горизонтальной плоскости // Там же. - С.129-139.

22. Богомаз Г.И., Кривовязюк Ю.П., Комаренко А.Н. Колебания цистерны в продольной плоскости ее симметрии // Динамические характеристики механических систем. - Киев: Наук.думка, 1984. -С.48-56.

23. Богомаз Г.И., Кельрих М.Б., Кривовязюк Ю.П. Исследование динамики конструкции, содержащей полость с жидкостью, при ударных нагружениях // Колебания упругих конструкций с жидкостью. -М.: ЦНТИ "Волна", 1984. - С.31-34.

24. Богомаз Г.И., Бшшченко Ю.Н., Луковский И.А. Экспериментальные исследования нелинейных колебаний жидкости в жестких баках // Динамика механических систем. - Томск: изд-во Томок.ун-та. -1986. - С.12-13.

25. Богомаз Г.И., Блохин Е.П., Манашкин Л.А. Колебания и нагружен-ность конструкции с элементами, содержащими жидкость // Там же. - С. 13-14.

26. Богомаз Г.И., Кривовязюк Ю.П. Динамическая нагруженность цистерны с жидкостью при продольных ударных нагружениях // Колебания и прочность механических систем. - Киев: Наук.думка, 1986. - С.127-133.

27. Блохин Е.П., Богомаз Г.И., Филиппюк С.И.Корректировка параметров продольного профиля пути с учетом .динамических усилий, возникающих в поезде. - М., 1987. - 19 с. - Деп. в ВИНИТИ 17.02.87, № I866-B87.

28. Богомаз ]'.П., Коротенко Л.М., Кривовязюк Ю.П. Пространственные колебания четырехосной цистерны с жидким грузом // Нагруженность и надежность механических систем. - Киев: Наук.думка, 1987. - С.60-66.

29. Богомаз Г.И., Баличенко Ю.Н. Исследование динамических процессов при колебаниях жидкости в баках // Там же-С. 67-70.

30. A.c. 1346506 СССР, Ш13 В 65 D 88/12, 90/22, В 61 D 5/00. Цистерна для жидкости / Ф.П.Белый, Ю.Н.Бшшченко, Г.И.Богомаз, А.К.Воробьев, Ю.В.Демин, М.Б.Кольрих, А.В.Красников, Д.Д.Мехов, Б.С.Ратнер, Ю.Л.Рутмаи (ССОР). - 3 е.: ил.

31. A.c. 1425510 СССР, I.KJ^G 01 f.t 7/00, 10/00. Стенд для динамических испытаний емкостей с жидкостью / Г.И.Богомаз, Д.Д.Мехов, С.А.Сирота, Ю.В.Дюзт, И. А..Луг.овсг.:ш, Ю.Н.Пилкчонко,

В.А.Серенко (СССР). -4с.: ил.

32. Моделирование ударных нагружений железнодорожных цистерн, транспортирующих жидкие грузи / Биличенко Ю.Н., Богомаз Г.И., Мехов Д.Д. и до. // Проблемы механики железнодорожного транспорта: Тез.докл.Всесоюзн.конф. 25-27 мая 1988. - С.6-7.

33. О направлениях проектирования специализированных крупнотоннажных контейнеров для жидких грузов / М.Н.Зако, Г.М.Чернявский, Г.И.Богомаз, Д.Д.Мехов // Перспективы развития вагоностроения: Тез.докл.Всесоюзн.научно-техн.конф. 2-4 ноября 1988. -И., 1988. - С.136-138.

34. A.c. 1495770 СССР, МКИ3 В 60 Р 7/13. Устройство для крепления контейнера на транспортном средстве / Е.П.Плохин, И.Г.Барбас, Г.И.Богомаз, Ю.В.Демин, М.Н.Зако, С.А.Кострица, Л.А.Манашкин, Д.Д.Мехов (СССР). -4с.: ил.

35. A.c. 1538076 СССР, МКИ3Я01 М 7/00. Стенд для динамических испытаний / Ю.Н. Биличенко, Е.П.Елохин, Г.И.Богомаз, Ю.В.Демин, И.А.Луковский, Л.А.Манашкин, Д.Д.Мехов, В.А.Серенко (СССР). -4с.: ил.

36. Определение гидродинамотеских характеристик емкостей, заполненных жидкостью, с использованием методов кинофоторегистрации / Демш1 Ю.В., Богомаз Г.И., Коновалов H.A. и да. // Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекаощих процессов: Тез.докл. XIУ Всесоюзн.науч.конф. 27 ноябр-I дек. 1989. - М., 1989. - C.I30.

37. A.c. 1542859 СССР, МКИ3 В 65 В 88/12, 90/22. Цистерна для натурных испытании / Г.И.Богомаз, Ю.В.Демин, В.Я.Зайка, М.Б.Кель-рих, Д.Д.Мехов (СССР). - 5 е.: ил.

38. Специализированные крупнотоннажные контейнерн-цистернн / Кожевников А.М., Чернявский Г.М., Закс M.II., Богомаз Г. II. и др. // Тяжелоо машиностроение. - 1990. - Js 5. - С. 26-20.

39. A.c. 1556969 СССР, Ш13 В 60 Р 7/13. Устройство для крепления контейнера на транспортном средстве / Е.П.Кяохин, И.Г.Барбас,

4 Г.И.Богомаз, П.В.Демин, М.П.Закс, С.А.Кострица, JL А.Млнатшг, Д.Д.Мехов, В.М.Телегин (СССР). - 3 с.: ил.