автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Динамическая устойчивость вагонов в поездах с учетом действия сжимающих нагрузок



Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта

Пискунова Елена Валерьевна

/

УДК 629.4.015

ДИНАМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ВАГОНОВ В ПОЕЗДАХ С УЧЕТОМ ДЕЙСТВИЯ СЖИМАЮЩИХ НАГРУЗОК

Специальность 05.02.09 - Динамика и прочность машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск - 1998

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Институте технической механики Национальной академия наук Украины и Национального космического агентства Украины.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Демин Юрий Васильевич,

Официальные оппоненты :

- доктор технических наук, профессор Манашкин Лев Абрамович, Днепропетровский государственный технический университет, заведующий кафедры "Теоретическая механика";

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Хачапуридзе Николай Михайлович, Институт транспортных систем и технологий, заведующий отдела "Динамика и прочность новых видов транспорта".

Ведущая организация - Национальная горная академия Украины, кафедра "Горные машины", Министерство образования Украины, Днепропетровск.

Защита состоится ". ЯО " ИМА^иА^ 1998 г. в часов на заседании

специализированного ученого совета Д08.820.02 в Днепропетровском государственном техническом университете по адресу: Украина, 320010, Днепропетровск-10, ул. Академика Лазаряна,2, ауд.224.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Днепропетровского государственного технического университета.

Днепропетровский государственный

технический университет, главный научный сотрудник научно-исследовательской

лаборатории "Вагоны".

Автореферат разослан

Ученый секретарь

специализированного ученого совета

Боднар Б.€.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ведущая роль в транспортном комплексе Украины по-прежнему сохраняется за железными дорогами. При этом важной задачей остается обеспечение безопасности железнодорожных перевозок грузов, в особенности, экологически опасных, повреждение которых может причинить непоправимый ущерб населению и окружающей среде. К сожалению, несмотря на все предпринимаемые меры, полностью исключить аварии на железнодорожном транспорте пока не удается. В этой связи возрастает роль научно-исследовательских работ в области динамики подвижного состава по исследованию условий устойчивости грузовых вагонов и анализу динамичесхих процессов, протекающих в системе вагон-путь при аварийных режимах движения, характеризующихся сходом вагонов с рельсов и их опрокидыванием.

Для установления допускаемых скоростей движения новых и модернизируемых вагонов колеи 1520мм применяется система критериев, сложившихся, главным образом, на основе квазистатического представления о силовом воздействии, которому подвергаются взаимодействующие элементы вагонов и пути. В настоящее время накоплен значительный опыт решения задач динамики подвижного состава методами математического моделирования, что создает предпосылки для уточненного подхода к оценке безопасности движения вагонов.

Первые фундаментальные исследования динамики железнодорожного подвижного состава связаны с именами выдающихся ученых - механиков Н.П.Петрова, Н.Е.Жуковского и С.П. Тимошенко. Созданию основ теории колебаний и устойчивости движения рельсовых экипажей посвятили свои труды М.В. Винокуров, A.M. Годыцкий-Цвирко, В.Н. Данилов, С.М. Куценко, В.А.Лазарян, В.Б. Медель, И.И. Челноков.

Существенный вклад в развитие методов исследования условий безопасности движения локомотивов и вагонов внесли П.С. Анисимов, Е.П. Блохин, Ю.П.Бороненко, М.Ф. Вериго, C.B. Вершинский, A.JI. Голубенко, Л.О. Грачева, В.Д. Данович, Ю.В. Демин, А.Я. Коган, MJT. Коротенко, H.H. Кудрявцев, A.A. Львов, Л.А. Манашкин, H.A. Радченко, С.Ф. Редько, Ю.С. Ромен, О.М. Савчук, М.М. Соколов, В.Ф. Ушкалов, В.Н. Филиппов, A.A. Хохлов, В.Д. Хусидов, Ю.М. Черкашин и другие ведущие ученые в области механики железнодорожных транспортных средств.

При оценке динамических качеств грузовых вагонов определяются нормируемые показатели: вертикальные и горизонтальные ускорения кузова, коэффициенты горизонтальной и вертикальной динамики, а также коэффициенты запаса устойчивости вагона от схода с рельсов и от опрокидывания. По этим величинам определяются условия нормальной эксплуатации вагонов. В тоже время, представляет интерес исследование устойчивости вагонов при экстремальных режимах движения, когда показатели безопасности движения превышают допускаемые значения.

Анализ работ, посвященных исследованию причин крушений грузовых вагонов, показал, что одной из наиболее распространенных аварий, вызывающей серьезные повреждения конструкций вагонов и транспортируемых грузов, является выжимание вагонов в кривых при торможении поезда. Поэтому проблема прогнозирования условий динамической устойчивости вагонов в кривых от схода с рельсов и опрокидывания, определяющейся динамическим поведением экипажа в колее под действием продольных сжимающих сил, является актуальной.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась согласно с планами поисковых НИР, утвержденными Президиумом Национальной академии наук Украины: тема №28 "Разработка методов исследования и моделирования динамики систем твердых тел и деформируемых конструкций, содержащих ограниченные объемы жидкости"; тема №54 "Исследование динамической нагруженности и безопасности движения средств транспортировки опасных грузов"; тема №115 "Динамические качества и безопасность движения железнодорожных транспортных средств"; тема №216 "Математическое моделирование и исследование динамики многомерных систем, в том числе взаимодействующих с жидкой средой".

Целью исследования является прогнозирование условий динамической устойчивости грузовых вагонов при действии продольных сжимающих сил, возникающих при торможении поезда, а также определение предельных значений этих сил, вызывающих сход вагона с рельсов и его опрокидывание. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

разработать математическую модель вынужденных пространственных колебаний вагона, позволяющую исследовать предаварийные режимы его движения;

разработать программное обеспечение для интегрирования полученных уравнений движения;

с помощью разработанного программного комплекса исследовать экстремальные режимы движения грузовых вагонов в кривых при различных скоростях движения с учетом действия сжимающих сил в автосцепках.

Научная новизна полученных результатов. Разработана математическая модель пространственных колебаний грузовых вагонов в кривых с учетом действия продольных сжимающих сил, позволяющая исследовать движение вагона до момента достижения критических перемещений, когда уже одни только силы тяжести без дополнительных боковых возмущений неминуемо приводят к его опрокидыванию, либо до момента падения колеса на основание пути. При моделировании учтены следующие уточняющие факторы:

переменность структуры системы, обусловленная потерей некоторых связей элементов конструкции в процессе движения экипажа (пятник-подпятник, надрессорная балка - нижний пояс боковины, букса - боковина, колесо - рельс), а также появлением новых связей (надрессорная балка - верхний пояс боковины, скользун кузова - скользун тележки);

возможный подъем гребня колеса на головку рельса с последующим его падением на железнодорожное полотно.

С помощью разработанной математической модели исследовалась динамическая устойчивость грузовых вагонов при экстремальных режимах движения, когда значения коэффициентов запаса устойчивости от схода с рельсов и опрокидывания выходят за рамки допустимых.

Практическая ценность полученных результатов. Предложенная методика оценки динамической устойчивости вагонов в поездах позволяет определять предельные значения продольных сжимающих сил, превышение которых создает аварийную ситуацию.

Проведенные исследования позволили установить влияние на динамическую устойчивость вагонов следующих факторов: скорости движения; расположения осей автосцепок относительно продольной оси вагона; радиуса криволинейного участка пути; действия ветра; подвижности жидкого груза.

Разработки по теме диссертации использованы при проведении исследований с целью выдачи рекомендаций относительно установления допустимых скоростей движения вагонов-цистерн типа 15-1443, заполненных карбомидо-аммиачной смесью с большим недоливом.

Личный вклад соискателя в получение результатов, изложенных в диссертации, заключается в следующем:

участие я разработке математической модели для исследования экстремальных режимов движения грузовых вагонов;

разработке алгоритма оценки динамической устойчивости вагонов; разработка программ для реализации математических моделей на ПЭВМ; проведение конкретных исследований по определению условий динамической устойчивости полувагонов, платформы с автопоездом и вагонов-цистерн.

Апробация результатов диссертации. Результаты работы были изложены и обсуждены на III Всесоюзной научной конференции «Проблемы развития локомотивостроения» (г. Луганск, 1990г.), на Международных научных конференциях "Проблемы механики железнодорожного транспорта" (г. Днепропетровск, 1992, 1996гг.), на I научно-практическом семинаре "Проблемы комбинированного транспорта в Украине" (г. Днепропетровск, 1995), на V Польско-Украинском семинаре "Theoretical Foundations of Civil Engineering" (г. Днепропетровск, 1997г.), на семинаре отдела "Динамика многомерных механических систем" Института технической механики HAH Украины (г. Днепропетровск, 1998г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей в сборниках научных трудов и 2 доклада на конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и трех приложений. Полный объем диссертации составляет 181 страницу, в том числе 37 иллюстраций, которые занимают 17 страниц, 16 таблиц, которые занимают 5 страниц, 3 приложения, которые занимают 35 страниц и 114 наименований использованных источников, расположенных на 9 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В первой главе "Состояние вопроса и задачи исследования" дан обзор работ, посвященных проблемам устойчивости движения железнодорожных экипажей в рельсовой колее. Отмечено, что понятие и суть устойчивости многозначны. При оценке динамических качеств движения локомотивов и вагонов рассматривают, как правило, устойчивость движения в смысле A.M. Ляпунова, а также устойчивость вагонов от схода с рельсов и опрокидывания. Как показывает

опыт эксплуатации железных дорог, при потере устойчивости по Ляпунову подвижной состав имеет достаточно высокий запас устойчивости от схода с рельсов. Для оценки условий устойчивости вагонов от схода с рельсов и опрокидывания анализируют нормируемые показатели безопасности движения, и опрокидывания. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что существующие критерии устойчивости имеют значительный запас и нуждаются в уточнении. В связи с этим представляет интерес исследование устойчивости грузовых вагонов при экстремальных режимах движения, когда коэффициенты устойчивости от схода с рельсов и опрокидывания выходят за рамки допустимых.

На основе обзора литературных источников проведен анализ возможных причин аварий, связанных со сходом с рельсов и опрокидыванием грузовых вагонов. Отмечено, что к наиболее распространенным видам аварий относятся сход с рельсов, вызванный выжиманием вагонов в кривых при торможении поездов.

В результате обзора существующих расчетных моделей, используемых для исследования пространственных колебаний грузовых вагонов и цистерн, сделан вывод о необходимости в уточнениях для возможности исследования экстремальных режимов их движения.

Во второй главе "Математическое описание динамических процессов при экстремальных режимах движения грузовых вагонов" представлена авторская разработка математической модели вынужденных пространственных колебаний грузового вагона в условиях аварийной ситуации, связанной со сходом вагона с рельсов или его опрокидыванием. В качестве расчетной схемы вагона использовалась система 11-ти твердых тел, соединенных упругими и упруго-диссипативными связями. Путь предполагался упруго-вязко-инерционным и моделировался восьмью приведенными массами. Работа узлов, соединяющих отдельные элементы конструкции вагона моделировалась с учетом специфики поставленной задачи. При этом были приняты следующие допущения относительно характеристик связей между телами исследуемой системы:

опирание пятника на подпятник допускает независимое виляние и боковую качку кузова относительно надрессороных балок до выбора зазора между скользунами, после чего опирание происходит одновременно на подпятники и скользуны. При дальнейшем повороте кузова в поперечной вертикальной плоскости относительно надрессорной балки происходит постепенная разгрузка подпятника и растет нагрузка, передаваемая на скользун. При полном

обезгруживании подпятника связь скользун надрессорной балки - скользун шкворневой балки считается жесткой и рассматривается дальнейший поворот кузова относительно взаимодействующих скользунов;

при замыкании пружин рессорного подвешивания учитывается конечная жесткость конструкции боковины. При обезгруживании рессорного подвешивания принимались во внимание ограничения взаимных вертикальных перемещений надрессорной балки и верхнего пояса боковины;

опирание боковин на колесную пару осуществляется через фиктивные упругие элементы, жесткость которых соответствует приведенной конструкционной жесткости. Учитывается также возможность отрыва боковин от букс.

Выражения сил, возникающих в упруго - диссипативных элементах центрального рессорного подвешивания (с учетом работы конструкции боковин) /-ой тележки при перемещении надрессорной балки относительно /-ой боковины и действующих в вертикальном , поперечном направлениях, а также при относительных виляниях , следующие

А?Д«Й +А-;/;д>£71Д'!, , если 0<Д';, <д,с.

_ ^Д* +к?(Щ,. есл и Д?, > Д"с.

31 0, если -Д,р<Д^О,

**'(Дй+ДУ). если А], <-Д"р ,

Ч" + , есл и |б*,|> 5* .

где к* , к* , к* - жесткости рессорного комплекта центрального подвешивания при сжатии, изгибе и кручении; А1" ,5^,6* - максимальный ход рессорного комплекта в вертикальном, поперечном направлениях и при относительных виляниях надрессорных балок относительно боковин (величина Д1?, включает в себя статическое сжатие пружинного комплекта при действии веса обрессоренной части вагона.); А:*1, к*1, к*х - жесткости связи надрессорная балка - боковина в соответствующих направлениях после выбора максимального хода пружин рессорного комплекта; Ачр - зазор в вертикальном направлении между

ненагруженной надрессорной балкой и верхним поясом боковин; к7ц - жесткость при сжатии пружин демпфера; - коэффициент трения скольжения.

В упругих элементах, имитирующих буксовые связи /-ой тележки при вертикальных перемещениях /-ой боковины относительно Л-ой колесной пары, возникают силы

Ч6 -

к6 л6 0.

есл и А> 0, есл и AL < 0 ,

(4)

где kf - приведенная жесткость вертикальной связи боковины с колесной парой.

Момент сил Мв, действующий на кузов при угловых перемещениях кузова в поперечной плоскости, будет восстанавливающим для малых углов 0 наклона кузова, для которых выполняется неравенство /Л sin в/< r„ cos в, где h - высота центра масс кузова над плоскостью опирания пятника на подпятник, 2г„ - диаметр пятника. Если /hsinQ />г„ cosQ и не исчерпан зазор между скользунами, на кузов будет действовать опрокидывающий момент. С увеличением абсолютного значения б происходит касание скользунов и момент Мв становится восстанавливающим. При дальнейшем росте 0 вертикальные силы Д-, действующие на /-ый скользун, увеличиваются, а силы Рт1, действующие на /-ый подпятник, уменьшаются. Обеэгруживание пятникового узла определяется по условию Prf <0. Опрокидывание кузова относительно скользунов происходит, если

/Л sin в/> а„cos в. (5)

При моделировании взаимодействия колес с рельсами учитывалась возможность вкатывания гребня колеса на головку рельса с последующим его сходом. Предполагалось, что профили колеса и рельса являются кусочно-линейными. Контакт колеса и рельса считался одноточечным. Были выделены следующие фазы движения колеса, набегающего на рельс:

перемещение колесной пары в пределах зазора в рельсовой колее (в точке контакта колеса и рельса действуют силы нормального давления колеса на рельс и силы крипа);

вкатывание набегающего колеса на головку рельса после выбора зазора (гребень контактирует с внутренней поверхностью головки рельса, при этом возникают силы нормального давления и сухого трения);

движение гребня колеса по поверхности катания рельса после преодоления колесом пути вкатывания (действуют силы нормального давления и силы крипа);

сход колеса, сопровождаемый взаимодействием гребня с внешней поверхностью головки рельса (действуют силы нормального давления и силы трения);

падение колеса (силы взаимодействия отсутствуют).

Предполагалось, что обезгруживание колеса происходит по условию

ЛрИ<0. (6)

где Дри - вертикальная деформация подрельсового основания.

При исследовании движения вагонов-цистерн для моделирования колебаний жидкости использовался подход, основанный на маятниковой аналогии (исследование было ограничено рассмотрением основного тона колебаний жидкости в каждой из плоскостей). Котел с присоединенным объемом жидкости и рама представлялись эквивалентным твердым телом с соответствующими массой и моментами инерции.

Дифференциальные уравнения движения грузового вагона получены с помощью уравнений Лагранжа II рода. При их составлении учитывались конечные перемещения элементов конструкции вагона. Интегрирование уравнений движения позволяет исследовать экстремальные режимы движения грузовых вагонов, в том числе вагонов-цистерн до момента достижения критических перемещений, когда уже одни силы тяжести без дополнительных боковых возмущений неминуемо приводят к его опрокидыванию либо до момента падения колеса на подрельсовое основание.

В третьей главе "Разработка алгоритма оценки динамической устойчивости вагонов в поездах" рассмотрены методы интегрирования уравнений движения грузового вагона при экстремальных режимах, которые отличаются от уравнений движения вагона в режимах нормального функционирования: в системе дифференциальных уравнений появляются дополнительные динамические и статические связи между обобщенными координатами. Решение полученной системы уравнений, после приведения ее к каноническому виду, осуществлялось численным интегрированием с применением явных разностных формул Адамса-Башфорта (прогноз) и неявных формул Адамса Мултона (коррекция), которые сильно устойчивы к накоплению ошибок.

Задаваемыми возмущениями являются периодические детерминированные вертикальные и горизонтальные неровности пути и продольные сжимающие силы 5° (/-1,2) квазистатического характера в межвагонных соединениях. Перекосы вагонов и осей автосцепок при движении поезда приводят к появлению вертикальных и поперечных составляющих продольной силы. Углы (/=1,2)

отклонения осей автосцепок от продольной оси вагона в горизонтальной плоскости задавались максимально возможными по условию обеспечения прохода вагоном криволинейных участков пути без саморасцепа и равны 0,2!рад. Углы <ро/ (/=1,2) отклонения автосцепок в продольной вертикальной плоскости определяются разностью Ah, уровней осей автосцепок в соединении 2-х вагонов и длиной 2а жесткого стержня, образованного двумя сцепленными автосцепками. Принято, что ДЬг=0,1м, а=1м, тогда <р„;=-0,05рад, фог=0,05рад. Если же ДЬ,=0,25м, то <р„;=-0,14рад, фа2=0,14рад.

В процессе решения задачи оценки динамической устойчивости грузовых вагонов в кривой на каждом шаге интегрирования производится анализ перемещений элементов конструкции вагона и положения колеса относительно рельса. Это позволяет отследить возможные структурные изменения системы, уточнить расчетную схему, и определить условия схода колеса с рельса или опрокидывания вагона. Движение считается устойчивым, если вагон под действием приложенных сил в автосцепках проходит путь определенной длины L не опрокинувшись и не сойдя с рельсов. При достижении критического угла 6,р = arctg(aCK I h) либо при сходе колеса с рельса движение считается неустойчивым.

Варьируя различные значения сил в автосцепках можно определять критические значения 5J* этих сил, приводящих к потере устойчивости экипажа от опрокидывания и схода с рельсов. Возможно также исследовать устойчивость движения вагона при действии сил в автосцепках, полученных из решения задачи продольной динамики поезда.

На основе разработанного алгоритма и программы расчета (программа 1) исследовалось пространственное движение порожнего и полностью загруженного полувагона со скоростями v=4(W?0 км/ч в кривой радиусом Л=300м для случаев, когда поперечные горизонтальные составляющие сил в автосцепках направлены в сторону наружного рельса (ч/„;=0,21рад, у„1=-0,21рад) и когда указанные составляющие направлены в разные стороны (\|;<,;=\^о,=0,21рад). Полученные результаты сравнивались с данными расчетов по программе для исследования малых колебаний вагона (программа 2). Получено, что значения критических сил, вызывающих сход с рельсов порожнего вагона, по программе 1 на 50кН ниже критических значений, полученных по программе 2. Для полностью загруженного вагона разница в значениях критических сил увеличивается и составляет в первом случае 200+350кН, во втором - 50-г-200кН.

Значения полученных критических сил (¿'*Р=0,35+0,55МН - для порожнего и 5,*р=1,8-!-2,0МН - для загруженного вагона) сравнивались со значениями сил, полученных в результате теоретических и экспериментальных исследований, проведенных во ВНИИЖТе. Результаты сравнений можно считать удовлетворится ьн ы м и.

Разработанная программа расчета позволяет также исследовать свободные колебания вагона. Результаты проведенных исследований свободных колебаний порожнего и полностью загруженного грузового вагона хорошо согласуются с данными, полученными другими исследователями.

В четвертой главе "Определение предельных значений продольных сжимающих сил, вызывающих сход вагонов с рельсов или опрокидывание" приведены результаты исследований динамической устойчивости порожнего и полностью загруженного грузового вагона, платформы, транспортирующей колесную технику, а также цистерны, частично заполненной жидкостью. Для различных скоростей движения определены уровни критических продольных сжимающих сил, приводящих вагон к сходу или опрокидыванию наружу кривой.

На рис.1 для порожнего (рис.1,а) и загруженного (рис. 1,6) полувагонов приведены зависимости от скоростей движения предельных значений продольных сжимающих сил, при которых вагон сходит с рельсов, когда у„;=0,21рад, 0,21 рад, <ра/=-0,05рад, фа2=0,05рад. Линии 1, 2. 3, 4 соответствует результатам, полученным при движении полувагонов в кривых с радиусами Я, равными соответственно 250, 300, 650 и 1000м. Движение порожнего полувагона рассматривалось для диапазона скоростей у=40-г-90км/ч, загруженного вагона -50-ь120км/ч.

700 -600 £00 -400 ■ 300 ■ 200 ■

40 60 60 70 80 У,км/ч 40 60 80 100 у. км/ч 50 40 70 у, км/ч а) б) в)

кН ¿я.кН ,кН

Рис.1

Получено, что в кривых малого радиуса предельные значения продольных сжимающих сил, приводящих к сходу с рельсов порожнего вагона, движущегося со скоростью выше 70км/ч, могут быть ниже 0,5МН, а предельные силы, приводящие к сходу загруженного вагона, который движется со скоростью выше 90км/ч - ниже 1МН.

В кривой радиусом Л=300м исследовалось влияние положения автосцепок грузового вагона на уровень предельных значений продольных сжимающих сил, приводящих к сходу вагона с рельсов. В случае, когда углы перекоса осей автосцепок в горизонтальной плоскости составляют ч/а;=0,15рад, 15рад,

значения критических сил повышаются на 0,15-М),20МН для порожнего и на 0,25+0,60МН для загруженного вагона. В случае критических углов перекоса автосцепок, когда ч/„;=0,21рад, ч/„г=-0,2!рад, ф„,=-0,14рад, фо2=0,14рад, для полностью загруженного грузового вагона, движущегося со скоростью выше 80км/ч, критические силы могут быть ниже 1МН.

Проведенные исследования показали, что предельные значения продольных сжимающих сил, приводящих к сходу порожнего вагона с рельсов, существенно зависят от состояния пути. Так, при увеличении амплитуды вертикальных неровностей с 0,5мм до 15мм и повышенных скоростях движения предельные значения сил могут понизиться на 250кН.

На рис.1, в показана зависимость критических продольных сил от скоростей движения платформы с автопоездом, при движении в кривой радиусом Л=300м со скоростями у=50+80км/ч для случая, когда ч;о/=0,21рад, ч/о2=-0,21рад, Ф„;=-0,05рад, <ро2=0,05рад. График 1 соответствует результатам, полученным с учетом действия бокового ветра, график 2 - без учета действия ветра. Проведенные расчеты показали, что при действии на платформу с автопоездом ветровой нагрузки, критические силы понижаются на 0.25МН, и при скорости движения выше 70км/ч могут быть ниже 1МН. Для критических углов перекоса автосцепок получены предельные силы ниже 0,9МН уже при скорости 70км/ч. Если углы перекоса автосцепок составляют Ч/о;=0,15рад, 15рад, (¡>а1=-

0,05рад, (р<,2=0,05рад, то для рассматриваемого диапазона скоростей значения критических сил будут выше 1МН.

Получено, что для порожнего и загруженного вагона и платформы с автопоездом опрокидывание может произойти только после схода с рельсов. На рис.2 для порожнего (рис.2,а) и загруженного (рис.2,б) вагонов, движущихся со скоростями у=50 и 80км/ч, приведены графики изменения углов 0 поворота в поперечной вертикальной плоскости кузова (кривая 1) и 9„; надрессорной балки

(кривая 2). Анализ результатов показал, что в момент схода колес с рельсов наблюдается значительный рост углов 6 поворота кузова и 0„, надрессорных балок, причем эти углы для груженого вагона значительно больше чем для порожнего.

у=50км/ч

у=50км/ч

в, рад 0,00 -0,01 -0,02

0, рад 0,00 -0,01 •0,02

2

у« {Щ 1

5 15 25 35 45 у=80км/ч

ис

42

1 41

0 10 20 30 |,с

а)

0, рад 0,00 -0,02 ДМ -0,06

—«-Н

2

1/ Л?'

1 1

5 15 25 35

1=80км/ч

в, рад -0,02 -0,0» -0,06 -0,(8

\trni

>

1

0 10 20 30 ^ с 6)

Рис.2

Проведены исследования динамической устойчивости цистерны модели 151443, транспортирующей карбомидо-аммиачную смесь (КАС) с недоливом 1,14м и бензин со стандартным 3%-ым недоливом, в кривой радиусом Я=300м. Предполагалось, что углы перекоса осей автосцепок следующие: ч/в/=0,21рад, ч/о2=-0,21рад, <ро|=-0,14рад, фо2=0,14рад. В табл.1 приведены предельные значения продольных сжимающих сил, при которых возможен сход цистерны с рельсов или ее опрокидывание, значения критических углов 6, 0„( (1=1,2), полученных на фазе развития аварийной ситуации и указан ее вид. Результаты получены в предположении подвижности жидкости, а также в случае неподвижной КАС (замороженной жидкости).

Таблица 1

v, Модель б, Ш, Вид 5,

км/ч колебаний рад рад рад рад м аварийной кН

жидкости ситуации

30 КАС -0,054 -0,055 -0,053 0,196 -0,199 сход 1450

Бензин -0,046 -0,043 -0,049 0,154 -0,172 сход 1500

40 КАС -0,060 -0,049 -0,056 0,055 -0,177 сход 1300

Бензин -0,060 -0,056 -0,048 -0,059 -0,203 сход 1350

Зам. КАС -0,067 -0,066 -0,065 - -0,190 сход 1300

50 КАС -0,083 -0,073 -0,072 0,206 -0,209 сход 1150

Бензин -0,085 -0,082 -0,074 0,060 -0,233 сход 1200

Зам. КАС -0,076 -0,070 -0,065 - -0,182 сход 1150

60 КАС -0,145 -0,136 -0,149 0,119 -0,399 сход 1050

Бензин -0,122 -0,127 -0,112 0,154 -0,339 сход 1100

Зам. КАС -0,104 -0,093 -0,094 - -0,265 сход 1000

70 КАС -0,431 -0,416 -0,421 0,218 -0,933 опрок. 900

Бензин -0,122 -0,121 -0,115 -0,056 -0,314 сход 900

Зам. КАС -0,078 -0,069 -0,066 - -0,194 сход 900

80 КАС -0,432 -0,410 -0,409 0,098 -0,893 опрок. 700

Бензин -0,224 -0,213 -0,215 0,182 -0,507 сход 700

Проведенные расчеты показали, что значения критических продольных сжимающих сил для цистерны, заполненной бензином со стандартным недоливом составляют 0,7*1,5МН при скоростях движения 30-г-80км/ч. В случае цистерны, заполненной КАС до полной грузоподъемности с недоливом 1,14м, на скоростях движения 30-гб0км/ч значения критических продольных сил уменьшаются на 50кН. При скоростях у=70 и 80км/ч критические продольные силы такие же, как и для цистерны с бензином, однако они могут приводить не только к сходу с рельсов, но и к опрокидыванию.

Расчеты показали, что при учете подвижности жидкости предельные значения продольных сил понижаются на 100*200кН.

Отмечено, что опрокидывание цистерны сопровождается существенными структурными изменениями системы. На рис.3 показаны зависимости от времени вертикальных реакций пятников Рт1 (/-1,2) (кривая 1) и скользунов В, (/=1,2) (кривая 2), которые возникают при относительных перемещениях элементов

конструкции цистерны с КАС, движущейся со скоростью 80км/ч, полученные для промежутка времени, предшествующего моменту начала опрокидывания.

Рт„В„ кН 700 •

600 500 400 300 200 100 0

«1

г

1 2 - кг\ ГкЛ

к М-

4 V

35,46 35,51 35,56 35,61

а)

Рп,:, В2, кН 600

500 400 300 200 100 О

1\ ь

N /

у /

2Ч- / N Г ПЛ

35,46 35,51 35,56 35,61 t) С б)

Рис.3

Как видно из графиков, в процессе опрокидывания цистерны при повороте эквивалентного твердого тела в поперечной вертикальной плоскости относительно надрессорной балки происходит разгрузка подпятника и растет нагрузка, передаваемая на скользун. При полном обезгруживании подпятника происходит перестройка структуры системы: разрывается связь пятник рамы цистерны - подпятник надрессорной балки и фиксируется связь скользун надрессорной балки - скользун шкворневой балки., после чего поворот котла с рамой осуществляется относительно скользуна.

ВЫВОДЫ

Результаты многочисленных теоретических и экспериментальных исследований показывают, что существующие критерии устойчивости вагонов от схода с рельсов и опрокидывания имеют значительный запас. В работе проведены исследования устойчивости грузовых вагонов в рельсовой колее при экстремальных режимах, когда указанные коэффициенты выходят за рамки допустимых.

Основные результаты диссертационных исследований следующие:

1. Разработаны математические модели, описывающие пространственные колебания грузовых вагонов, в том числе вагонов - цистерн с жидким грузом, при

движении в кривых с учетом действия продольных сжимающих сил. Полученные модели позволяют исследовать развитие возможных аварийных режимов движения вагона до момента достижения критических перемещений, когда уже одни силы тяжести без дополнительных боковых возмущений неминуемо приводят к его опрокидыванию либо до момента падения колес на подрельсовое основание. При моделировании приняты во внимание следующие уточняющие факторы:

1.1. Учтена переменность структуры системы, связанная с возможной потерей связей элементов конструкции в процессе движения вагона (пятник -подпятник, надрессорная балка - нижний пояс боковины, колесная пара -боковина, колесо - рельс) или установлением дополнительных связей (надрессорная балка - верхний пояс боковины, скользун кузова - скользун надрессорной балки);

1.2. Учтена возможность вкатывания колеса на головку рельса с последующим сходом;

1.3. Уравнения движения грузовых вагонов составлены с учетом конечности немалых перемещений тел рассматриваемой системы.

2. Разработан алгоритм оценки динамической устойчивости вагона от опрокидывания и схода с рельсов, основанный на анализе перемещений элементов вагонной конструкции и положения колеса относительно рельса, который позволяет непосредственно определять, происходит авария или нет при заданных условиях движения экипажа. Эффективность расчетного комплекса подтверждается совпадением результатов расчета с данными эксперимента и с результатами, полученными другими авторами.

3. На основе разработанных алгоритмов и программного обеспечения исследованы пространственные колебания порожнего и загруженного полувагонов в кривой радиусом Я=300м при действии продольных сжимающих сил. Проведено сравнение полученных результатов с данными, рассчитанными по программе для малых колебаний вагона. В случае, когда имеет место сход вагонов с рельсов без опрокидывания, учет конечности перемещений может понизить значение предельной силы до 250кН.

4. Проведено исследование устойчивости движения в кривых порожнего и полностью загруженного полувагонов. Получено, что для порожнего вагона, движущегося в кривой радиуса Я=300м со скоростью выше 70км/ч, предельные значения продольных сжимающих сил, при которых вагон сходит с рельсов, могут

быть ниже допустимого значения 0,5МН и зависят от расположения автосцепок исследуемого и соседних с ним вагонов, а также от состояния пути.

Для полностью загруженного полувагона критические значения продольных сжимающих сил существенно зависят от скорости движения и радиуса кривой, а также от расположения автосцепок исследуемого и соседних с ним вагонов. При движении груженого вагона в кривой радиуса К=300м со скоростью выше 90км/ч предельные значения продольных сжимающих сил могут быть ниже 1МН.

5. При движении платформы с транспортируемым автопоездом в кривой радиуса Я=300м со скоростью 70км/ч и выше в случае критического расположения автосцепок предельные значения продольных сжимающих сил, при которых возможен сход платформы с рельсов, могут быть ниже 1МН. Если платформа с автопоездом подвержены действию ветровой нагрузки, критические силы могут понизиться на 0.25МН.

6. Проведены исследования динамической устойчивости цистерны, заполненной карбомидо - аммиачной смесью (КАС) большой плотности с недоливом 1,14м и бензином с 3%-ым недоливом, в кривой радиусом Л=300м. Расчеты показали, что для скоростей движения 70км/ч и выше в случае максимально допустимых поперечных и вертикальных углов перекоса автосцепок предельные сжимающие силы могут быть ниже допустимых значений. Получено, что для цистерны, заполненной КАС, при действии в ее автосцепках сил, значения которых равны критическим, может произойти не только сход с рельсов, но и опрокидывание.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Науменко Н.Е., Пискунова Е.В., Хижа И.Ю. Нагруженность вагона и элементов транспортируемого груза при столкновении поездов II Техническая механика: Сб.науч.тр. ИТМ НАНУ. -Киев: Наукова думка. - 1994. - Вып.З. -С.72-75.

2. Демин Ю.В., Науменко Н.Е., Пискунова Е.В. Математическая модель процесса опрокидывания грузового вагона Н Техническая механика: Сб.науч.тр.-Днепропетровск: ИТМ НАНУ. - 1997. - Вып.5. - С.60-67.

3. Науменко Н.Е., Пискунова Е.В. Устойчивость полувагонов при движении в кривых с учетом действия продольных сжимающих сил // Техническая механика: Зб.науч.тр. - Днепропетровск: ИТМ НАНУ. -1998. -Вып.7.-С.74-76.

4. Богомаз Г.И., Науменко Н.Е., Пискунова Е.В., Черномашенцева Ю.Г. Математическое моделирование движения цистерны в кривых с учетом действия продольных сжимающих сил // Математичне моделювання в ¡нженерних та фшансово-економ1чних задачах: Сб.науч.тр. ДИИТа -Днепропетровск: Слч. - 1998. - С. 123-133.

5. Пискунова Е.В., Хижа И.Ю. Исследование динамики пространственных систем переменной структуры // Динамика и управление движением механических систем: Сб.науч.тр. ИТМ НАНУ. - Киев: Наукова думка. - 1992. - С.22-26.

6. Науменко Н.Е., Пискунова Е.В. Определение нагруженности рельса при движении вагона в условиях аварийной ситуации // Труды Польско-Украинского семинара «Theoretical Foundations of Civil Engineering». - Том 1, часть 2. - Днепропетровск. - 1996. -С.281-284.

7. Пискунова E.B. Моделирование динамической нагрузки, действующей на рельс при аварийных режимах движения грузовых вагонов // Труды Польско-Украинского семинара «Theoretical Foundations of Civil Engineering». -Варшава. - 1997. - С. 179-183.

В выполнение научно-исследовательских работ, изложенных в статьях [1-5] и докладе на конференции [б], автором диссертации сделан следующий вклад -работа [1J: разработка подпрограммы для реализации алгоритма Парка прямого численного интегрирования уравнений движения железнодорожной платформы с грузом; проведение расчетов нагруженности вагона и элементов транспортируемого груза при столкновении поездов с использованием метода Парка прямого численного интегрирования;

работа [2]: участие в разработке математической модели процесса опрокидывания грузовых вагонов;

работа [3]: участие в разработке алгоритма и программного обеспечения для оценки динамической устойчивости вагонов; проведение исследований по определению условий динамической устойчивости полувагонов; работа [4]: участие в разработке математической модели экстремальных режимов движения вагонов-цистерн; разработка программного обеспечения и проведение исследований по определению условий динамической устойчивости вагонов-цистерн с КАС и бензином;

работа [5]: доработка программы для расчета нагруженности машиностроительных конструкций методом конечных элементов и проведение расчетов динамики пространственных систем переменной структуры; работа [б]: участие в моделировании взаимодействия колеса и рельса при вкатывании колеса на головку рельса с последующим его падением на основание пути.

АН0ТАЦ1Я

Шскунова О. В. Динам1чна стшюсть вагошв у поТздах з урахуванням дп стискуючих навантажень. - Рукопис.

Дисерташя на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук за спешальшстю 05.02. 09 - динамка, мщшсть машин, прилад1в та апаратури. -Дшпропетровський державний техшчний ушверситет зал(зничного транспорту, Дншропетровськ, 1998.

Дисертащю присвячено питаниям визначення умов динам'1чноТ стшкосп вантажних вагошв у кривих з урахуванням ди поздовжн'|х стискуючих сил. У дисертавд? досл'щжувалися екстремальш режими руху, при яких коефшенти стшкосп вагошв в"|д сходу з рейок 1 перевертання виходять за рамки допустимих. Розроблено базову математичну модель для дослщження вимушених просторових коливань вантажних вагошв в умовах розвитку аваршноТ ситуацИ, що характеризуеться сходом вагошв з рейок або Тх перевертанням. Розрахункова модель враховуе суттев! структурт змши системи в процесс руху, можлив1сть вкочування гребня колеса на головку рейки з наступним падшням його на пщрейкову основу, а також кшцев! перемодення тш. Розроблено алгоритм оцшки динамично! стшкосп вагошв, який грунтуеться на анал1з1 перемщень елеметтв ТхньоТ конструкцн та положения колеса вщносно рейки. Для порожнього та завантаженого нашввагошв, платформи, що транспортуе автопоТзд, 1 цистерни з рщким вантажем отримано залежносп в'щ швидкост! граничних значень поздовжшх стискуючих сил, як1 спричиняють схщ вагошв з рейок або 1х перевертання, та визначено допустим! швидкосп руху.

Ключов1 слова: вантажний вагон, екстремальш режими руху, схщ, перевертання, динам1чна стшкклъ, граничш значения поздовжшх стискуючих сил.

АННОТАЦИЯ

Пискунова Е.В. Динамическая устойчивость вагонов в поездах с учетом действия сжимающих нагрузок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры. -Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта, Днепропетровск, 1998.

Диссертация посвящена вопросам определения условий динамической устойчивости грузовых вагонов в кривых с учетом действия продольных сжимающих сил. В работе исследовались экстремальные режимы движения, при которых коэффициенты устойчивости вагонов от схода с рельсов и опрокидывания выходят за рамки допустимых. Разработана базовая

математическая модель для исследования вынужденных пространственных колебаний четырехосных грузовых вагонов в условиях развития аварийной ситуации, характеризующейся сходом вагонов с рельсов или их опрокидыванием. Расчетная модель учитывает существенные структурные изменения системы в процессе движения, возможность вкатывания гребня колеса на головку рельса с последующим падением его на основание пути, а также конечные перемещения тел. Разработан алгоритм оценки динамической устойчивости вагонов, основанный на анализе перемещений элементов их конструкции и положения колеса относительно рельса. Для порожнего и загруженного полувагонов, платформы, транспортирующей автопоезд и цистерны с жидким грузом получены зависимости от скорости предельных значений продольных сжимающих сил, вызывающих сход вагонов с рельсов или опрокидывание, и определены допустимые скорости движения.

Ключевые слова: грузовой вагон, экстремальные режимы движения, сход, опрокидывание, динамическая устойчивость, предельные значения продольных сжимающих сил.

ABSTRACT

Piskunova O.V. Dynamic stability of cars in the trains with taking into account the compressive loads action. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 05.02.09 - dynamics, strength of the machines, instruments and apparatus. - The Dnipropetrovsk State Technical University of Railway Transport, Dnipropetrovsk, 1998.

The dissertations is devoted to the questions of the determination of the conditions of freight cars dynamic stability in curves with taking into account an action of longitudinal compressive forces. The extreme motion regimes were investigated when stability index against the derailment and overturning exceeded the limits. The base mathematical model for investigations of forced space vibrations of freight car in emergency situations was worked out. The dynamic model was created with taking into account essential structural changes of a system during motion, possibility of the derailment and finite displacements of the bodies. An algorithm of cars dynamic stability estimation which based on the analysis of the displacements of structure elements and wheel position relative to the rail was developed. For empty and loaded cars, flat car transporting trailers and railway tanks partly filled with liquid the dependencies of the limit values of forces leading to car derailment or overturning on the velocity are defined.

Key words: freight car, extreme motion regimes, derailment, overturning, dynamic stability, limit values of longitudinal compressive forces

ПГАСиА

Подп.кпечати 20.07.1998. Форматб0х84'/|б.Бум.печ. Печать офсет. Успов. печ. лист 0,75. Учет листов 2,2 Тираж 100 прим. Зам. №506. Безплатно