автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Разработка метода оценки нагруженности грузового вагона продольными силами в реальных условиях его эксплуатации

БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГОРЕЛЕНКОВ Андрей Иванович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ НАГРУЖЕННОСТИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА ПРОДОЛЬНЫМИ СИЛАМИ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск-1996

Работа выполнена в Брянском государственном техническом университете

Научный руководитель — Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Кеглин Б.Г.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

Шлюшенков А.П.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Михальченко Г.С. , кандидат технических наук Черкашин Ю.М.

Ведущее предприятие - Главное управление вагонного хозяйства МП(

Защита состоится "2% " ¿ябар^ 1997 года в часов

аудитории № 220 на заседании диссертационного совета Д 063.28.01 Брянског государственного технического университета по адресу: г. Брянск, бульвар ик 50-летия Октября, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянског государственного технического университета.

Автореферат разослан "2?" 1996 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета д.т.н., профессор

Тихомиров В.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие железнодорожного транспорта предусматривает ряд мер, которые должны обеспечить рост провозной и пропускной способности дорог. Среди них основные - повышение массы отдельных вагонов, увеличение интенсивности переработки вагонов на сортировочных горках, повышение скорости движения поездов.

Форсирование режимов эксплуатации вагонов может привести к существенному увеличению повреждения вагонов и росту вероятности возникновения аварийных ситуаций, если своевременно не будут разрабатываться и осуществляться мероприятия по снижению продольных нагрузок.

В связи с этим, решение такой задачи, как установление нагруженности вагона продольными силами в условиях его эксплуатации, прежде всего на сортировочных станциях, позволяет своевременно пересмотреть и откорректировать нормативы для расчета и проектирования новых вагонов, а также модернизации эксплуатационного парка вагонов и конструкций поглощающих аппаратов.

Цель работы. Разработка метода оценки нагруженности грузового вагона продольными динамическими силами, имитирующего весь спектр условий эксплуатации вагона.

Методика исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы математического моделирования, реализуемые на современных ЭВМ, методы теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна исследований, проведенных соискателем и выносимых на защиту, заключается в следующем:

- разработана методика определения динамической нагруженности грузового вагона при продольных ударах, главная особенность которой -имитационное моделирование всего спектра условий эксплуатации вагона;

- разработана стохастическая модель формирования поезда, учитывающая соударение вагона в составе групп и динамическую нагруженность экипажа, не участвующего непосредственно в соударении; решены методические вопросы, связанные с оценкой значимости параметров, определяющих уровень нагруженности вагона, с реализацией данной модели на ЭВМ;

- уточнена стохастическая модель нагруженности грузового вагона при переходных режимах движения поезда, в которой учитывается возможность нахождения вагона в любом месте состава.

Практическая ценность. Сформирован пакет прикладных программ, позволяющих зыполнить имитационное статистическое моделирование динамической нагруженности грузового вагона.

Уточнены статистические распределения различных параметров действующих на вагон продольных сил. Впервые получены распределения действующих на вагон и его узлы в эксплуатации продольных ускорений.

Даны рекомендации по корректировке приведенных в "Нормах для расчета и проектирования... вагонов..." статистических распределений глобальных экстремумов продольных сил и включению в них статистических распределений эквивалентных амплитуд и экстремумов продольных сил и ускорений.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертации докладывались на IX Международной конференции "Проблемы механики железнодорожного транспорта. Динамика, надежность и безопасность подвижного состава" (Днепропетровск, 1996 г.).

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 4 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, включающего 86 наименований. Работа содержит 127 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 53 таблицы, всего 145 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение. Содержит краткое обоснование необходимости разработки метода оценки продольной нагруженности грузового вагона.

В первой главе изложен обзор работ в области оценки нагруженности вагона продольными силами, сформулированы цель и соотвествующие ей задачи исследования.

Основной статистической характеристикой продольной нагруженности вагона, используемой для большинства исследований, является статистическое распределение продольных сил. История формирования статистических распределений продольных сил насчитывает уже четверть века. Первая попытка решения такой задачи была предпринята JI.H. Никольским и H.A. Костенко, ими же были разработаны основные методические положения такого рода расчетов, был намечен расчетный путь нахождения спектров сил, который они считали наиболее перспективным: статистическое моделирование на ЭВМ.

Дальнейшие работы в области оценки нагруженности подвижного состава продольными нагрузками развивались по пути совершенствования

математических динамических моделей вагона и поезда, совершенствования описания межвагонных связей и свойств поглощающих аппаратов, использования ЭВМ. В той или иной мере уточнялись статистические распределения ряда факторов, определяющих условия эксплуатации вагона. Разрабатывались методы расчетного моделирования эксплуатационной нагруженное™.

Теоретическому исследованию продольной динамики вагона и поезда посвящены работы C.B. Вершинского, П.Т. Гребенюка, C.B. Дуваляна, В.Г. Иноземцева, Б.Г. Кеглина, Л.Н. Никольского, H.A. Панькина, П.А. Устича, В.Д. Хусидова, Ю.М. Черкашина и др. Важное место в комплексе этих работ занимают труды коллектива ученых Днепропетровского государственного технического университета железнодорожного транспорта (ДИИТ) под руководством В.А. Лазаряна и его последователей Е.П. Блохина, JI.A. Манашкина, E.JI. Стамблера, Н.М. Хачапуридзе, A.B. Юрченко и др.

Значительные исследования по определению характеристик фрикционных амортизаторов удара, влиянию их на особенности ударных нагрузок подвижного состава, по разработке их математических моделей проведены Л.Н. Никольским и его учениками Б.Г. Кеглиным, A.C. Осипо-вым, Е.И. Селенским, И.В. Селиновым, В.П. Тихомировым. Ряд математических моделей предложен в работах Е.П. Блохина, А.П. Болдырева, Л.А. Манашкина, А.Н. Прасолова, Е.Л. Стамблера.

К настоящему времени разработаны математические модели, позволяющие с достаточной достоверностью и точностью оценивать влияние силовых характеристик поглощающих аппаратов автосцепки на уровень продольных сил и ускорений при режимах неустановившегося движения. При этом в зависимости от решаемой задачи им может быть придан как детерминированный, так и стохастический характер.

Проведению широкого статистического обследования условий эксплуатации вагонов посвящены работы А.П. Киницкой, Б.Г. Кеглина, H.A. Костиной, А.Л. Лисицына, Ю.А. Мухи, А.Г. Нетесы, В.М. Руда-новского, H.A. Семина, Г.К. Сендерова, Л.И. Титовой, О.В. Фетисова, Л.А. Шахнюка, В.В. Яневича.

Закономерным явилось и включение статистического распределения продольных нагрузок в "Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов ж.д. МПС колеи 1520 мм", выпущенные в 1983 году.

Во всех выполнявшихся ранее работах и "Нормах..." продольная нагруженность описывалась исключительно статистическим распределением глобальных экстремумов продольной силы, т.е.

максимальных значений сил за какую-то эксплуатационную ситуацию: спуск вагона с сортировочной горки, пуск поезда в ход, торможение и т.д.. Однако такое статистическое описание нельзя признать достаточно полным: изменение продольной силы в ходе некоторого переходного режима или соударения на сортировочной горке представляет собой широкополосный случайный процесс, повреждающее действие которого не исчерпывается глобальным экстремумом, нельзя игнорировать ряд значительных побочных экстремумов отнулевого цикла, характерных для соударения вагонов, оборудованных фрикционными поглощающими аппаратами, и колебательный характер продольной силы при переходном режиме движения поезда. Наконец, для ряда вагонов, находящихся на них грузов и оборудования определяющими являются не продольные силы, передаваемые через автосцепку, а ускорения грузов (оборудования) и характер их изменения.

Кроме того, во всех исследованиях при формировании спектров продольных сил, действующих на вагон на сортировочных горках, игнорируется нагруженность вагона продольными силами, когда он сам не является активным участником соударения, а воспринимает нагрузки от других вагонов. Игнорирование данного обстоятельства приводит к искажению характеристик распределения продольных нагрузок и к уменьшению суммарного числа нагружений вагона. При рассмотрении поездных режимов не учитывается равная вероятность нахождения вагона в любом месте состава.

Во второй главе рассмотрены основные задачи прочности и надежности вагона, для решения которых необходимы те или иные статистические распределения параметров продольной нагруженности.

Для оценки надежности конструкции вагона при внезапных отказах требуется сопоставление статистического распределения однократно действующей нагрузки и несущей способности, т.е. предельной нагрузки, которую вагон может выдержать не разрушаясь. В таком расчете естественно должен использоваться глобальный экстремум продольной силы за режим и соответственно его статистическое распределение.

В диссертации показано, что для оценки надежности конструкции вагона при постепенных отказах, обусловленных, как правило, малоцикловой усталостью, необходимы как глобальные, так и все прочие экстремумы действующей нагрузки. Эти же характеристики случайного процесса необходимы для оценки параметрической надежности как вагона в целом, так и отдельных его узлов: автосцепки, поглощающего аппарата и др.

При оценке ресурса. вагона в целом или отдельных его узлов прочность при длительно действующих циклических нагрузках ("многоцикловая усталость") обычно ограничивается повреждениями, происходящими при упругом деформировании деталей. При регулярном нагружении для расчета прочности используются параметры цикла напряжений (амплитуда ста и среднее напряжение цикла стт). При случайном нагружении для выделения циклов нагружения используются различные процедуры статистической обработки - схематизации. В конечном счете схематизация приводит к построению статистического распределения эквивалентных амплитуд циклов ста или са пр. Следовательно, для расчета ресурса необходимы статистические распределения эквивалентных амплитуд продольных сил. Для расчета живучести деталей (после появления трещины) необходимо как распределение амплитуд, так и статистическое распределение всех экстремумов продольных сил.

Для оценки усталостных повреждений деталей, вызванных продольными силами, Л.Н. Никольским введен критерий усталостных повреждений Луст, определяющийся на основе линейной гипотезы суммирования повреждений:

I

1=1

где п{ - число нагружений продольными силами Р,- (в МН); гп -параметр кривой усталости; 1 - общее число циклов нагружения.

Методики ускоренных ударных испытаний конструкции собственно вагона, автосцепки, поглощающих аппаратов, в связи с ограниченностью объема испытаний, предусматривают обычно небольшое число нагружений (до 104). Это область малоцикловой усталости, следовательно, при разработке таких методик должны использоваться статистические распределения как глобальных, так и всех экстремумов продольной нагрузки.

И наконец, задача оценки прочности и надежности оборудования, грузов и их креплений. Для вагонов с непостоянной загрузкой продольные силы не определяют степень нагруженности оборудования, перевозимых грузов и их креплений, более полно описывает их нагруженность совокупность продольных ускорений, действующих на эти узлы и элементы. В зависимости от задач исследования, связанных с грузами, оборудованием вагонов и их креплением, аналогичным вышеназванным задачам, должны использоваться статистические распределения глобальных экстремумов, всех экстремумов и эквивалентных амплитуд продольных ускорений вагона. Для оценки характеристик безопасности движения

рекомендуется использовать распределение длительно (более одной секунды) действующей на вагон продольной силы.

В третьей главе изложены основные положения имитационного моделирования нагруженности грузового вагона.

В качестве метода математического моделирования выбран комбинированный, совмещающий идеи метода сплошного перебора и метода статистических испытаний (Монте-Карло). Чтобы использовать такой метод, необходимо составить математическую модель, связывающую искомую характеристику с влияющими на нее факторами, и иметь статистические распределения этих факторов. Сущность метода заключается в расчетах по заданной зависимости (математической модели), причем для каждого расчета часть факторов принимает случайно выбранные значения из своего статистического ряда, а часть назначается детерминированно с учетом вероятности их появления. Для повышения репрезентативности имитационное моделирование проводится на нескольких случайных реализациях расчетных стохастических моделей с последующим осреднением полученных результатов.

Конкретные моменты использования комбинированного метода: выбор факторов, варьируемых сплошным перебором или методом Монте-Карло: оценка необходимого числа реализаций - зависят от рассматриваемого эксплуатационного режима и анализировались в соответствующих пунктах исследования.

В качестве математической модели, с помощью которой исследуется динамическая нагруженность грузового вагона, используется одномерная цепочка твердых тел (вагонов), соединенных между собой существенно нелинейными деформируемыми элементами, учитывающими наличие зазоров в автосцепном устройстве. Автоколебания, возникающие в процессе сжатия фрикционного поглощающего аппарата, моделируются путем применения предложенной Б.Г. Кеглиным специальной расчетной модели вагона, в которой отдельно выделяется масса автосцепного устройства и часть рамы вагона. Учитываемое в математической модели поглощающего аппарата изменение коэффициента трения на главных поверхностях от скорости скольжения создает избыточную несбалансированную силу, которая в выбранной модели вагона приводит к возникновению срывов в форме релаксационных колебаний.

Дифференциальные уравнения, описывающие процесс соударения вагонов и движение поезда, имеют вид

КНх, } + №,} + №,} = о, ¡ =

где N - число экипажей в расчетной схеме; [гп|] - диагональная матрица масс модели ¡-го вагона; {х,} - вектор ускорений масс модели ¡-го

вагона; - вектор-функция, описывающая связи между отдельными массами модели вагона и внешние силы; {Р;} - вектор-функция, описывающая взаимодействие вагонов между собой.

Описание межвагонной связи учитывает наличие двух последовательно соединенных поглощающих аппаратов в каждой межвагонной связи, наличие зазора в автосцепном устройстве и резкое возрастание усилий при выбранном суммарном ходе амортизаторов.

В качестве внешних сил рассматриваются сила тяги локомотива, сила сопротивления троганию и сила пневматического торможения. Зависимость силы тяги локомотива определялась по экспоненциальному закону, а силы сопротивления троганию — по известной эмпирической формуле. Сила, действующая на экипаж при пневматическом торможении, определялась числом и типом тормозных колодок и силой нажатия на одну колодку К^. Последняя зависит от вида и режима торможения. При расчетах реализована экспоненциальная зависимость силы нажатия К; от времени при нарастании тормозной силы и линейная зависимость при ее сбросе.

Описание условий эксплуатации включает статистическое представление факторов, определяющих уровень нагруженности грузового вагона. К ним относятся параметры собственно вагона, факторы, обусловливающие нагруженность вагона на сортировочных горках, параметры поезда в целом и параметры, определяющие работу тормозов и локомотива. Параметрами для некоторого экипажа являются: масса, динамическая жесткость, тип установленного на вагоне поглощающего аппарата и его состояние, параметры межвагонной связи - зазоры максимальный и фактический. Важнейшим из них является тип установленного на вагоне поглощающего аппарата и его состояние. В проведенной работе предполагалось, что все экипажи оборудуются аппаратами Ш-1-ТМ, учитывая преобладание аппаратов данного типа в вагонном парке России, а также то, что применение данных аппаратов повышает нагруженность вагонов.

К факторам, определяющим уровень нагруженности вагона на сортировочных горках, относятся скорость соударения и число вагонов в накатываемом отцепе. Использовавшиеся ранее спектры скоростей в настоящее время претерпели определенные изменения. В диссертации использовалось распределение скоростей соударения, полученное по результатам замеров на станциях Московского железнодорожного узла в 1990 г. Параметры, определяющие работу тормозов: тип тормозных колодок - чугунные или композиционные, тип воздухораспределителя и параметры

процесса торможения - скорость начала торможения и максимальная сила нажатия на тормозную колодку Ко. Для определения сил нажатия Ко предполагалось, что торможения производятся одной ступенью снижением магистрального давления: при регулировочном торможении на 0,08 МПа, при остановочных торможениях - на 0,15 МПа. Исходя из этого были получены силы нажатия Ко при различных видах торможения и режимах включения воздухораспределителя. При этом считалось, что все вагоны оборудованы воздухораспределителями № 483.

Для поезда в целом главным параметром является его масса. По данным отделения грузовой работы ВНИИЖТа математическое ожидание массы поезда составляет 3080 т, причем почти 80% поездов имеют массу, меньшую 2700 т. С учетом этого распределение масс грузовых поездов было откорректировано. Параметрами, определяющими работу локомотива при пуске поезда в ход, являются максимальная сила тяги Ро и коэффициент ул, характеризующий темп нарастания силы тяги. В проведенном исследовании Ио и ул - детерминированные величины, зависящие от массы состава.

В четвертой главе рассмотрены вопросы, связанные с моделированием нагруженности вагона в процессе формирования поезда.

Ранее в большинстве работ, за основную расчетную ситуацию, характерную для условий формирования поезда на сортировочных горках, принималась схема соударения одиночных вагонов или эквивалентная ей схема - удар вагона в недеформируемый упор.

Недостатком указанных схем является игнорирование продольных нагрузок, действующих на вагон, когда он уже не является непосредственно ударяющим или ударяемым, но нагружается продольными силами за счет передачи ударной волны последующими вагонами формируемого состава. Типичная схема формирования состава на сортировочной горке выглядит следующим образом: вагон последовательно является набегающим, ударяемым, вторым, и т.д. в соответствующем сцепе. Таким образом, за одно формирование поезда на сортировочной станции вагон нагружается многократно.

Для оценки уровня действующих на экипажи ударяемого сцепа продольных сил был поставлен численный эксперимент, результаты которого представлены на рис. 1 (показаны наибольшие значения сил удара вдоль сцепа, полученные при различных реализациях соударений). Расчетная схема представляла соударение вагона со сцепом, состоящим из 40 вагонов. Массы вагонов, жесткости, зазоры в межвагонных связях -случайные величины, которые выбираются по известным статистическим

и

)аспределениям. В качестве амортизатора удара принят поглощающий шпарат Ш-1-ТМ.

Р, МН

1.6

1.4

1.2

1

0.8 0.6 0.4 0.2 О

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40

Номера вагонов

эис. 1. Распределение максимальных сил удара по длине ударяемого сцепа

Представленные на рис. 1 результаты теоретического исследования видетельствуют о необходимости рассмотрения нагруженности вагона, ереходящего последовательно из положение 1 в положение п, где п можно ринять равным п = 40-50.

Другим недостатком применявшихся ранее расчетных схем является гнорирование того факта, что вагоны могут накатываться на неподвижно тоящий сцеп не поодиночке, а группами.

Таким образом, наиболее общим случаем является соударение отцепа з нескольких вагонов с неподвижно стоящим сцепом.

Учитывая, что вагон с равной вероятностью может находиться в юбых сечениях сцепов, стохастическая модель формирования поезда остоит из ряда расчетных ситуаций. Расчетная ситуация представляет рупповое соударение вагонов с регистрацией и дальнейшей обработкой агрузок для одного - наблюдаемого - экипажа. В каждой расчетной итуации варьируются факторы, влияющие на продольные нагрузки. При том используется комбинированный метод, в котором методом сплошного еребора варьируются скорость соударения, масса наблюдаемого вагона, остояние установленного на нем поглощающего аппарата и число акатываемых вагонов. Для учета статистической природы остальных араметров (массы других вагонов, динамической жесткости, зазоров, войств аппаратов) для каждой расчетной ситуации формируется

\

\ к. V -с КО 50 гть со уд* ре ни 5 КЬ л

\

> 'V

"ч. Ч

V N

4

случайная реализация. Параметры каждого вагона, входящего в эту реализацию, свойства аппаратов, зазоры выбираются методом статистического моделирования. Для повышения устойчивости получаемых выборок для каждой расчетной ситуации формируются несколько различных реализаций, число которых выбирается по степени сходимости результатов к некоторому значения. Расчеты показывают, что при точности 3 % число реализаций не превышает 5. После расчетов статистические распределения нагрузок, действующих на конкретные вагоны формируемого состава, объединяются в общую выборку.

В диссертации приводится число нагружений вагона на сортировочных горках, полученное имитационным моделированием.

Уточненные распределения сопоставлены с данными предыдущих исследований. Полученные спектры, повторяя основные особенности предшествующих, сдвинуты в область меньших продольных нагрузок. Однако весьма значительно разнится число нагружений, действующих на вагон за фиксированное время. В результате этого величина условной усталостной повреждаемости, подсчитанная с использованием уточненного распределения, более чем в 4 раза выше чем, например, определенная по спектру ДИИТа. Все это имеет первостепенное значение для расчета элементов вагона на выносливость.

В пятой главе рассмотрены вопросы, связанные с моделированием нагруженности вагона при переходных режимах движения поезда.

Рассматривались следующие режимы: пуск поезда в ход, полное служебное торможение, регулировочное торможение (с отпуском тормозов), экстренное торможение. Предполагалось, что продольный профиль пути — прямолинейный участок. Это связано прежде всего с относительно небольшим влиянием продольного профиля на нагруженность поезда за исключением некоторых особых случаев для которых в литературе отсутствует вероятностное описание.

Расчетная ситуация моделирования нагруженности вагона при поездном режиме представляет собой модель, описывающую характер и последовательность нагрузок, действующих на некоторый вагон поезда. Варьируя факторы, определяющие уровень нагруженности экипажа, формируются статистические распределения продольных нагрузок, действующих на данный вагон. Поскольку вагон с равной вероятностью может оказаться в любом сечении состава, нужно рассматривать совокупность N расчетных ситуаций, различающихся положением этого вагона в составе (Ы - число вагонов поезда). В связи с этим, для оценки нагруженности вагона фиксируются и объединяются в общую выборку нагрузки, действующие во всех сечениях состава.

Для всех режимов движения поезда методом сплошного перебора варьируется масса состава. Поезд установленной массы рассматривается как случайная реализация последовательности вагонов, параметры которых (масса, динамическая жесткость, коэффициент трения на рабочих поверхностях поглощающего аппарата) выбираются в соответствии со своими статистическими распределениями. Таким же образом выбираются зазоры в поезде. Для повышения устойчивости получаемых результатов "разыгрываются" десять случайных реализаций поезда.

При проведении имитационного моделирования нагруженности вагона при тормозных режимах движения грузового поезда методом сплошного перебора варьируются начальные скорости полного служебного и экстренного торможений. Построение распределений продольных нагрузок при регулировочном торможении (с отпуском тормозов) осуществляется при наиболее нагружающей скорости движения к началу торможения -30 км/ч. Когда скорость движения снижается на 10 км/ч, имитируется отпуск тормозов.

При моделировании процессов торможения поезда считается, что все вагоны оборудованы воздухораспределителями № 483, композиционными колодками. Тормоза в зависимости от массы вагона включены на порожний или средний режим. Движение состава осуществляется локомотивом ВЛ80. В зависимости от вида торможения и режима включения воздухораспределителя определяется максимальная сила нажатия на тормозную колодку Ко. В проведенном исследовании Ко -детерминированная величина. При моделировании пуска поезда в ход в зависимости от массы состава выбирается максимальная сила тяги Р<> и коэффициент ул , характеризующий темп нарастания силы тяги.

В диссертации приводится число нагружений вагона в поездных условиях его работы за один год эксплуатации, полученное имитационным моделированием. Уточненные распределения глобальных экстремумов продольных сил сопоставлены с данными предыдущих исследований. Сравнение распределений показало их сходство как по закону распределения, так и по его основным числовым характеристикам.

В проведенном исследовании сопоставляется величина условной усталостной повреждаемости вагона Луст, соответствующая различным режимам движения поезда: пуску в ход, полному служебному, регулировочному и экстренному торможениям. Анализ полученных данных показал, что 1уст , соответствующая экстренному торможению, составляет всего 0,22 % от суммарной усталостной повреждаемости. Это дает возможность исключить экстренные торможения из рассмотрения при

формировании статистического распределения эквивалентных амплитуд продольных нагрузок.

В шестой главе приводятся результаты построения статистических распределений продольных нагрузок, действующих на вагон в эксплуатации.

В работе оценено влияние изменения нижней границы полученных спектров. В частности для спектра эквивалентных амплитуд продольной силы были подсчитаны условные усталостные повреждаемости, соответствующие различным интервалам сил. Сравнение распределений эквивалентных амплитуд продольной силы и усталостной повреждаемости показывает, что несмотря на то, что основная доля нагружений приходится на интервал 0,0-0,1 МН (93,6 % от общего числа нагружений) условная усталостная повреждаемость для данного блока составляет всего 1,48 % от общей усталостной повреждаемости вагона. Учитывая это, спектр схематизированных амплитуд ограничивается снизу уровнем силы 0,1 МН. Для статистического распределения эквивалентных амплитуд продольного ускорения наблюдается схожая картина. Поэтому данный спектр ограничивается снизу уровнем 4 м/с2.

Отмечено, что в расчетах прочности элементов вагона при длительно действующих циклических нагрузках ("многоцикловая усталость") нижние границы схематизированных амплитуд продольных нагрузок могут быть еще выше. Это связано с тем, что для наиболее часто встречающейся линейной модели повреждений повреждающими являются только циклы напряжений с амплитудами ста, превышающими исходный предел выносливости ст.1д (для модифицированной линейной модели — с амплитудами ста, превышающими 0,5 ст.1Д). Таким образом, нижняя граница спектра определяется свойствами материала рассчитываемого изделия. При использовании статистических распределений экстремумов продольных нагрузок (как глобальных, так и всей совокупности экстремумов) нижняя граница зависит от задач исследования. В проведенном исследовании ограничились усечением данных спектров как и в случае спектров эквивалентных амплитуд: для распределений продольных сил - уровнем 0,1 МН, продольных ускорений - уровнем 4 м/с2. Усеченные спектры продольных нагрузок приведены в табл. 1, 2. В табл. 3 приведено число длительных (более 1 с) нагружений вагона силами разного уровня за один год эксплуатации.

Таблица 1

Статистические распределения продольных сил

Интервал сил, МН Число нагружений в год

Схематизированные амплитуды Все экстремумы Глобальные экстремумы

растягивающие сжимающие растягивающие сжимающие

0,1-0,4 541278 1290127 1950823 7591 4669

0,4-0,8 7808 35085 203899 6538 - 9628

0,8-1,2 922,9 8272 15695 428,3 1923

1,2-1,6 161,6 188,2 3017 56,71 518,8

1,6-2,0 26,58 6,918 650,5 5,201 234,9

2,0-2,4 12,91 0,9333 156,3 0,5994 71,35

2,4-2,8 1,214 0,0960 60,62 0,0960 20,64

2,8-3,2 0,0323 0,0456 27,04 0,0456 11,26

3,2-3,6 0,0005 - 21,85 - 13,49

3,6-4,0 - - 4,169 - 2,965

св. 4,0 - - 0,1172 - 0,0912

Суммарное число нагружений 550211 1333681 2174355 14620 17094

Таблица 2

Статистические распределения продольных ускорений

Интервал ускорений, м/с2 Число нагружений в год

Схематизированные амплитуды Все экстремумы Глобальные экстремумы

4,0-16,0 560640 1277429 29457

16,0-32,0 9298 29023 6595

32,0-48,0 242,4 1252,8 582,3

48,0-64,0 43,07 195,45 100,9

64,0-80,0 8,403 46,69 30,29

80,0-96,0 2,317 9,311 5,921

96,0-112,0 0,6781 3,103 1,7714

112,0-128,0 0,1808 0,9164 0,7983

128,0-144,0 0,0212 0,1643 0,1484

144,0-160,0 0,0002 0,057 0,0057

Суммарное число нагружений 570235 1307961 36774

Таблица 3

Число длительных нагружений вагона за один год эксплуатации

Интервал сил, Длительные Длительные

МН растягивающие нагрузки сжимающие нагрузки

0,1-0,2 3466,8 8784,8

0,2-0,3 1342,8 4623,2

0,3-0,4 716,43 2910,8

0,4-0,5 776,08 1826,3

0,5-0,6 832,77 1220,5

0,6-0,7 712,89 847,35

0,7-0,8 351,45 524,72

0,8-0,9 151,61 310,82

0,9-1,0 42,30 199,82

1,0-1,1 6,435 116,159

1,1-1,2 0,045 52,4082

1,2-1,3 - 14,5137

1,3-1,4 - 1,72269

1,4-1,5 - 0,00022

Суммарное число 8399,5 21433

нагружений

Уточненные распределения максимальных растягивающих и сжимающих продольных сил сопоставлены с распределениями, принятыми как справочные в "Нормах для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов ж.д. МПС колеи 1520 мм".

Сравнение указанных распределений показало их существенное отличие как по закону распределения, так и по его основным числовым характеристикам (рис. 2,3). При относительно близком описании распределения экстремальных сжимающих нагрузок (в интервале 3,24,0 МН) в распределении "Норм..." в 7-10 раз завышены частости сил интервала 1,2-3,2 МН, вдвое - интервала 0,8-1,2 МН и в 2,5 раза занижены частости интервала малых нагрузок (0,1-0,4 МН). Распределение растягивающих нагрузок отличаются во всех интервалах в еще большей степени. Соответственно в "Нормах..." оказались в 2 раза завышенными математические ожидания нагрузок. Завышенной оказалась и величина усталостной повреждаемости вагона Луст, подсчитанная по распределениям "Норм...".

частость частость

0.6 -------г-

0.5 -------

0.4 -.,'.'„ ------

О.з ------

0.2 -- - ------

0.1 --: ;:------

О ■ I- ч — ..........

0.4 1.2 2.0 р, а)

Рис. 2. Статистические распределения глобальных экстремумов растягивающих продольных сил: а - диссертация; б - "Нормы...".

Н

\j.yj

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 О

0.4 1.2 2.0 Р,МН б)

частость 0.6

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 О

0.4

1.6 2.8 а)

Р, МН

частость 0.6

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 О

0.4

1.6 2.8 б)

Р,МН

Рис. 3. Статистические распределения глобальных экстремумов сжимающих продольных сил: а - диссертация; б - "Нормы...".

Очевидно, при формировании распределений "Норм..." составители руководствовались соображениями создания определенного запаса прочности на этапе проектирования. Однако путь обеспечения этого запаса - за счет деформации закона распределения - нельзя считать оправданным, так как может привести к неверным выводам при проектировании элементов вагонов, и особенно, автосцепного устройства.

В работе было проведено сопоставление величины условной усталостной повреждаемости перевозимых грузов, оборудования вагона и их креплений, определенной по распределениям эквивалентных амплитуд сил и ускорений. Для приведения ускорений к силам масса вагона была принята равной математическому ожиданию распределения массы грузового вагона. Показатель усталостной повреждаемости, определенный по статистике продольных ускорений, существенно выше (в 30 раз) аналогичного показателя, полученного по статистике продольных сил. Таким образом, расчет прочности и надежности креплений, грузов и оборудования вагона более обоснованно вести по действующим на эти элементы (узлы) продольным ускорениям.

В ряде расчетов вместо эмпирического распределения удобнее использовать аналитическое выражение закона распределения. В диссертации для аппроксимации законов распределения продольных нагрузок использовалось представление опытных распределений в виде рядов Эджворта.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Выполнен анализ задач динамики, прочности и надежности вагона с точки зрения использования в них статистических распределений продольных сил и ускорений. Показано, что рассматривавшиеся ранее статистические распределения глобальных экстремумов продольных сил пригодны лишь для узкого круга задач. Для расчетов элементов вагона на усталость и прочность необходимы статистические распределения эквивалентных амплитуд и всех экстремумов продольных сил, а для оценки прочности перевозимых грузов и их креплений — соответствующие статистические распределения продольных ускорений вагона. Кроме того, для определения характеристик безопасности движения рекомендуется использовать распределение длительно (более одной секунды) действующей на вагон продольной силы.

2. Разработана уточненная методика исследования нагруженности грузового вагона, главная особенность которой - имитационное

моделирование всего спектра условий "жизни" вагона, влияющих на его продольную динамику.

3. Систематизирована статистическая информация об эксплуатационных факторах, определяющих нагруженность вагона. Уточнены распределения наиболее важных факторов, определяющих уровень нагруженности: скоростей соударения на сортировочных горках и масс поездов.

4. Разработана расчетная стохастическая модель формирования поезда, устраняющая недостатки применявшихся ранее схем. Учтено скатывание вагона в составе группы, рассмотрены продольные нагрузки, действующие на вагон, когда он не является непосредственно ударяемым, но нагружается продольными силами за счет передачи ударной волны последующими вагонами формируемого состава. В результате численного эксперимента установлено, что для оценки нагруженности вагона в процессе формирования состава необходимо рассматривать нагруженность вагона, переходящего последовательно из положения первого в ударяющем сцепе в положение п-ого в ударяемом сцепе, где п можно принять равным а = 40-50.

5. На базе программных комплексов БГТУ и ДИИТа сформирован пакет прикладных программ, позволяющих выполнять математическое моделирование нагруженности грузового вагона, осуществлять обработку и схематизацию динамических сил и ускорений.

6. С помощью стохастической модели получены статистические распределения продольных нагрузок, действующих на грузовой вагон в процессе формирования поезда. Полученные распределения сопоставлены с данными предыдущих исследований. Сравнение выявило существенное различие в законах распределения, в числе нагружений, действующих на экипаж за фиксированное время. Показано, что величина уточненной условной усталостной повреждаемости конструкции вагона в 4 раза выше, чем получаемая по упрощенным статистическим моделям.

7. Уточнена расчетная стохастическая модель нагруженности вагона при переходных режимах движения поезда, в которой учитывается возможность нахождения вагона в любом месте состава. Выполнено имитационное статистическое моделирование нагруженности вагона при переходных режимах движения поезда. Полученные распределения сопоставлены с данными предыдущих исследований. Установлено, что при построении спектров эквивалентных амплитуд продольной нагрузки можно исключить экстренные торможения из рассмотрения.

8. По распределениям нагрузок, действующих на вагон при соударениях на сортировочных горках и при переходных режимах

движения поезда, сформированы спектры нагружений экипажа за год его эксплуатации. Сравнение распределений глобальных экстремумов продольных сил, полученных в данной работе, с приведенными в "Нормах для расчета и проектирования ... вагонов" показало их существенное отличие как по закону распределения, так и по его основным характеристикам.

Впервые получены статистические распределения действующих на вагон и его узлы в эксплуатации продольных ускорений.

9. Показано, что в расчетах прочности и надежности перевозимых грузов, оборудования вагона и их креплений более обоснованно вести расчет по действующим на эти элементы или узлы продольным ускорениям, статистические характеристики которых существенно отличаются от статистических характеристик продольных сил.

10. В новую редакцию "Норм..." предлагается включить статистические распределения следующих параметров продольной нагруженности грузового вагона:

- распределения глобальных экстремумов, всех экстремумов и эквивалентных амплитуд продольных сил, представленные в табл. 1;

- распределения глобальных экстремумов, всех экстремумов и экгивалентных амплитуд продольных ускорений, представленные в табл. 2.

Полученное в работе распределение длительных нагружений вагона (табл. 3) может быть использовано для оценок безопасности движения.

11. Разработанная в данной диссертации методика моделирования нагруженности грузового вагона и соответствующие имитационные стохастические модели могут быть использованы и рекомендованы для исследования динамической нагруженности широкого класса транспортных машин как в задачах продольной, так и в задачах их вертикальной динамики.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Гореленков А.И. О методике оценки нагруженности продольными силами подвижного состава железных дорог//Динамика, прочность и надежность транспортных машин. - Брянск, 1994. - С. 23-26.

2. Гореленков А.И. Методика построения статистического распределения продольных нагрузок, действующих на грузовой вагон в процессе формирования поезда. - Брянск, 1995. - 10 с. - Деп. в ВИНИТИ 29.11.95, № 3160-В95.

3. Гореленков А.И. Статистические распределения продольных нагрузок, действующих на грузовой вагон в процессе формирования поезда -Брянск, 1996. - 21 с. - Деп. в ВИНИТИ 06.03.96, № 725-В96.

4. Гореленков А.И. Методика построения статистических распределений продольных нагрузок, действующих на грузовой вагон в эксплуатации/ /Проблемы механики железнодорожного транспорта. Динамика, надежность и безопасность подвижного состава": Тез. IX международной конф. - Днепропетровск, 29-31 мая 1996. - С. 14-15.