автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оценка динамической нагруженности несущих конструкций автомотрис

На правах рукописи

ГОНЧАРОВ ДМИТРИЙ ИГОРЕВИЧ

ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ АВТОМОТРИС

05.22.07 -Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 ИЮЛ 2015

Москва 2015

005571Ю2

005571102

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет» на кафедре «Подвижной состав железных дорог»

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Кобищанов Владимир Владимирович

Официальные оппоненты: Волков Игорь Васильевич,

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения», кафедра «Электрический подвижной состав», профессор

Афанасьев Александр Евгеньевич,

кандидат технических наук, общество с ограниченной ответственностью «Инженерный центр подвижного состава», заместитель руководителя отдела

Ведущая организация — Открытое акционерное общество «Научно-

исследовательскнй институт вагоностроения»,

г. Москва

Защита состоится «7» октября 2015 г. в 15м часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ), www.miit.ru.

Автореферат разослан «_» июля 2015 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В современных экономических условиях для обеспечения безопасности железнодорожного движения, обслуживания пути, железнодорожных перевозок пассажиров и бригад специалистов на малонагруженных не электрифицированных линиях целесообразно использовать автомотрисы. Достоинством данного вида подвижного состава является экономичность, универсальность, надежность и приспособленность к использованию в качестве платформ для специализированных лабораторий и транспортных комплексов.

Особенностью несущей конструкции подобного подвижного состава является восприятие дополнительных динамических нагрузок, возникающих вследствие работы силовой установки и специализированного бортового оборудования, а также наличие значительного количества вырезов, ослабляющих несущую конструкцию, но необходимых для размещения и обслуживания данного оборудования.

В настоящее время на отечественном рынке подвижного состава представлено незначительное количество подобных конструкций. Одной из причин этого является отсутствие опыта в проектировании автомотрис и оценке динамической нагруженности и надежности их несущих конструкций.

Актуальной проблемой при проектировании является решение задач по сокращению сроков и минимизации материальных затрат за счет активного внедрения в процесс проектирования методов компьютерного моделирования, позволяющих на ранних стадиях создания подвижного состава с достаточной степенью надежности прогнозировать его параметры и, в случае необходимости, принимать обоснованные решения по их корректировке. Методы компьютерного моделирования значительно сокращают затраты на создание подвижного состава за счет уменьшения объема необходимых дорогостоящих натурных испытаний и объемов работ, связанных с доработкой опытных образцов. Получение положительного эффекта от использования методов моделирования при проектировании возможно только при обеспечении жесткого контроля достоверности получаемых результатов на основе данных натурных экспериментальных исследований.

С учетом изложенного, актуальным является использование методов компьютерного моделирования при исследовании динамических характеристик единиц специального мотор-вагонного подвижного состава, в частности самоходных автомотрис специального назначения.

Степень разработанности темы исследования. Вопросам исследования прочности несущих конструкций подвижного состава, в том числе с практическим применением метода конечных элементов (МКЭ), посвящены работы ученых: Шадура JI.A., Котуранова В.Н., Беспалько C.B., Филиппова В.Н., Воронина H.H., Шевченко П.В. Козлова М.П., Быкова А.И., Овечнико-

3 \ ;

л > - —

\ J -

\

ваМ.Н., Проскурнева П.Г., Бороненко Ю.П., Третьякова A.B., Соколова М.М., Битюцкого A.A., Кобищанова В.В., Лозбинева В.П., Лозбинева Ф.Ю., Серпика И.Н., Антипина Д.Я., Расина Д.Ю., Ольшевского A.A., Черкашина Ю.М., Соколова A.M., Краснобаева A.M., Барбарича С.С.', Юхневского A.A., Ломакова П.С., Василевского В.В., Оганьяна Э.С., Волохова Г.М., Колясова K.M., Лапшина В.Ф., Бачурина Н.С., Смольянинова A.B., Павлюкова А.Э., Цви-ка Л.Б., Пигунова A.B. и др.

Прочностным расчетам несущей конструкции подвижного состава посвящены исследования зарубежных ученых Ирана Rezvani M. A., Feizi М.М., Shadfar M.; Турции С. Baykasoglu a,b, E. Sunbuloglu a, S. E. Bozdag a; Австралии Hanson D., Winton M.; Китая Miaoa В., Yu L., Jianmin GE; Германии Zabeld V.; Бельгии Brehme M.; Португалии Ribeiroa D., Calçadab R., Delgadob R.; Мексики Leyva-Diaz A., Trejo-Escandôn J. O.,

Tamayo-Meza P.A. и др.

Исследованиям колебательных процессов, возникающих при движении подвижного состава по рельсовому пути, большое внимание уделяли ученые: Винокуров М.В., Вершинский C.B., Хусидов В.Д., Хохлов A.A., Аниси-мов П.С., Филиппов В.Н., Петров Г.И., Савоськин А.Н., Киселев В.И., Ко-роткевич М.А., Ковалев H.A., Львов A.A., Бирюков И.Б., Сердобинцев Е.В., Челноков И.И., Ромен Ю.С., Черкашин Ю.М., Попов A.A., Соколов A.M., Бороненко Ю.П., Соколов М.М., Орлова A.M., Коссов B.C., Оганьян Э.С., Маркин В.А., Юхневский A.A., Скачков А.Н., Василевский В.В., Погоре-лов Д.Ю., Кобищанов В.В., СелиновВ.И., Михальченко Г.С., ФедяеваГ.А., Забелин А.Л., Ковалев Р.В., Михеев Г.В., Бачурин Н.С., Колясов K.M., Пав-люков А.Э., Лазарян В.А., Ушкалов В.Ф., Коротенко М.Л., Мямлин C.B., Ти-билов Т.А., Волков И.В. и др.

Задачи о взаимодействии колебательной системы с источником энергии конечной мощности наиболее полно исследовал академик Кононенко В.О. Им показана зависимость режима работы источника энергии от режима движения колебательной системы, что в общем случае изменяет динамические свойства колебательной системы, содержащей такой источник.

Целью диссертационной работы является оценка динамической на-груженности и усталостной долговечности кузовов автомотрис с учетом влияния работы силовой установки и разработка рекомендаций при создании нового поколения подвижного состава.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1 Разработана твердотельная компьютерная модель автомотрисы, движущейся по неровностям пути.

2 Разработана гибридная модель автомотрисы, движущейся по неровностям пути.

3 Разработана методика учета влияния на нагруженность кузова автомотрисы силовой установки.

4 Проведено исследование динамической нагруже'нности кузова автомотрисы с учетом работы силовой установки.

5 Разработана детализированная конечно-элементная модель кузова автомотрисы.

6 Выполнена оценка адекватности конечно-элементной модели и моделей движения автомотрисы.

7 Определено напряженно—деформированное состояние несущей конструкции кузова в динамической постановке.

8 Проведена оценка усталостной долговечности сварной конструкции кузова автомотрисы.

Объектом исследования принята автомотриса специального назначения «СЕВЕР» модели 2850, оборудованная путеизмерительным и дефекто-скопным комплексами моделей 2800Т и 2820Т соответственно. Автомотриса производится ЗАО «Фирма ТВЕМА».

Методология и методы исследования. В теоретических исследованиях по определению динамической нагруженности кузова автомотрисы при движении ее по неровностям пути использованы методы твердотельного компьютерного моделирования. Для анализа напряженно-деформированного состояния несущей конструкции кузова автомотрисы при действии нагрузок по режимам «Норм...» использован программный комплекс, реализующий метод конечных элементов.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1 Разработана методика оценки влияния на нагруженность кузова автомотрисы работы силовой установки.

2 В рамках методики разработана математическая модель автомотрисы на основе объектно-ориентированной конечно-элементной модели кузова с учетом влияния работы силовой установки.

3 Проведена оценка влияния работы силовой установки на динамическую нагруженность и усталостную долговечность кузова автомотрисы.

Теоретическая и практическая значимость работы. Методика учета влияния на нагруженность кузова автомотрисы силовой установки может применяться для разработки конструкторских решений при проектировании металлоконструкции кузова, подборе параметров силовой установки и элементов ее крепления.

Разработанная компьютерная модель позволяет учитывать влияние силовой установки на динамическую нагруженность и усталостную долговечность кузова.

Разработана конструкция кузова автомотрисы для путеизмерения и де-фектоскопирования железнодорожных путей.

Определены показатели усталостной долговечности для несущей конструкции кузова автомотрисы с учетом работы силовой установки.

Полученные результаты переданы в ЗАО «Фирма ТВЕМА» и используются при проектировании и постройке автомотрис.

Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов расчетов с данными натурных' статических, динамических и поездных испытаний, проведенных испытательным центром ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения».

Личный вклад соискателя. Разработана методика учета влияния на нагруженность кузова автомотрисы силовой установки. Разработаны твердотельная и гибридная компьютерные модели движения автомотрисы по неровностям пути. Разработана объектно-ориентированная конечно-элементная модель кузова автомотрисы. Выполнена оценка адекватности моделей. Проведено исследование динамической нагруженности кузова автомотрисы с учетом работы силовой установки. Проведена оценка усталостной долговечности сварной конструкции кузова автомотрисы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1 Методика оценки влияния на нагруженность кузова автомотрисы работы силовой установки.

2 Математическая модель взаимодействия силовой установки с несущей конструкцией кузова автомотрисы.

3 Сравнительный анализ различных динамических моделей автомотрисы с точки зрения их адекватности и вычислительной эффективности.

4 Результаты оценки динамической нагруженности и усталостной долговечности кузова автомотрисы с учетом работы силовой установки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены на следующих международных и всероссийских научно-технических конференциях: «Безопасность движения поездов», (2014 г., г. Москва); «Подвижной состав XXI века: идеи, требования проекты», (2009, 2011, 2013 гг., г. Санкт - Петербург); «Проблемы и перспективы развития вагоностроения», посвященная 100 - летию со дня рождения профессора Никольского E.H., (2014 г., г. Брянск).

Основные положения диссертации докладывались на семинаре кафедры и научно-техническом совете.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК России, 7 работ опубликовано в трудах международных и всероссийских научно-технических конференций. Получен патент на полезную модель № 151037.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения, списка использованных источников из 138 наименований. Общий объем диссертации составляет 146 страниц, включает 49 рисунков и 12 таблиц в текстовой части.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводятся обоснование актуальности темы диссертации, цель и задачи исследования, указаны научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, положения, выносимые на защиту, обоснованность и достоверность полученных результатов, апробация работы и личный вклад соискателя.

В первой главе диссертации проведен обзор применяемых конструкций автомотрис отечественного и зарубежного производства. Приведена классификация автомотрис по их назначению и по характеру размещения несущих элементов. Отмечено, что в связи с оптимизацией эксплуатационных расходов на железнодорожном транспорте и стоимости железнодорожных перевозок преимущественным является создание автомотрис с кузовом в виде тонкостенной оболочки с вырезами, подкрепленной продольными и поперечными силовыми элементами. Исключение составляют автомотрисы для монтажно-восстановительных работ, где невозможность создания несущего кузова обусловлена конструкцией технологического оборудования.

Выполнен обзор работ, посвященных методам прочностных расчетов кузовов вагонов. В настоящее время, для решения задач расчета тонкостенных подкрепленных систем используются приближённые численные методы. Наибольшую популярность получил метод конечных элементов (МКЭ).

Указывается, что при использовании МКЭ для проведения поверочных расчётов рассматривается кузов в целом со сравнительно крупными конечными элементами, но при этом расчётная схема обладает достаточно большим числом степеней свободы. Для уточнения результатов расчёта отдельных зон и кузова в целом существует ряд способов. Один из распространённых - это метод последовательного выделения областей с возрастающей густотой сетки (метод Кожевниковой Л.Л.).

Кроме обсуждения методов прочностных расчетов в первой главе сделан обзор работ по исследованию динамики подвижного состава.

Указано, что динамические процессы, возникающие в процессе эксплуатации единиц подвижного состава, имеют различную природу и традиционно разделяются на три основные группы:

- динамика, описывающая процессы взаимодействия единиц подвижного состава между собой в составе поезда и при маневровых работах;

- динамика взаимодействия железнодорожных колес с элементами путевой инфраструктуры;

- колебания единиц подвижного состава.

На основании приведенного обзора исследований в области динамики поезда сделан вывод, что на первых этапах исследований динамики

подвижного состава, в зависимости от поставленной задачи, использовались одномерные и двумерные (плоские) математические модели. Однако, увеличение сложности моделей, переход к пространственным расчетным схемам и необходимость учета значительного' количества эксплуатационных факторов привело к переходу от аналитических и части экспериментальных методов исследований к численным методам. Были разработаны высокопроизводительные методы решения обыкновенных

дифференциальных уравнений большой размерности, предложен метод подсистем. Применение современных численных методов, реализованных в виде расчетных программ, позволило формировать многотельные детализированные компьютерные модели подвижного состава. В рамках данных программ подвижной состав представляется в виде систем абсолютно твердых и упругих тел. В настоящее время на рынке программного обеспечения имеется значительное количество программных комплексов, позволяющих исследовать динамику систем тел, как в твердотельной постановке, так и с учетом их упругих свойств. Существующие комплексы можно разделить на универсальные и специализированные.

Проведенный обзор показал, что исследованием динамической нагруженности автомотрис посвящено незначительное количество работ. В тоже время существует тенденция к увеличению объемов использования подвижного состава такого типа в качестве как пассажирского подвижного состава, так и в качестве базы для создания транспортно-технологических комплексов. При этом на стадии разработки к ним предъявляются повышенные требования по безопасности, динамическим характеристикам и надежности. По этой причине актуальной является задача создания методик, позволяющих на стадии проектирования с достаточной степенью точности прогнозировать динамико-прочностные свойства создаваемых автомотрис. В связи с этим, целью работы является оценка динамической нагруженности и усталостной долговечности кузовов автомотрис с учетом влияния работы силовой установки и разработка рекомендаций при создании нового поколения подвижного состава.

Во второй главе приведено описание объекта исследования, разработаны твердотельные и гибридная компьютерные модели автомотрисы.

На первом этапе исследования динамической нагруженности несущей конструкции кузова автомотрисы использовано твердотельное математическое моделирование. В качестве инструмента для исследований использован программный комплекс моделирования динамики систем тел «Универсальный механизм».

При моделировании автомотриса представлена в виде системы связанных абсолютно твердых тел (рисунок 1), описывающей ее

пространственные колебания при движении по неровностям пути на прямых и кривых участках пути и на стрелочных переводах в скоростном интервале 40-120 км/ч. Поскольку модель автомотрисы содержит одинаковые части (две моторные тележки, четыре приводные колесные пары) при ее разработке использован метод подсистем.

В исследовании динамических характеристик автомотрисы применены два варианта твердотельной компьютерной модели. В первом варианте (модель 1) силовая установка автомотрисы MTU Power Pack является частью абсолютно твердого тела, моделирующего кузов вагона. Во втором варианте (модель 2) силовая установка представляется в виде отдельного абсолютно твердого тела 8 (рисунок 1) с реальными геометрическими и инерционными характеристиками. Установка связана с кузовом автомотрисы через специальные упруго-диссипативные элементы, имитирующих работу ее опор.

Моделирование опирания кузова автомотрисы на скользуны тележки осуществлялось посредством силовых контактных элементов 3, 4 (рисунок 1) типа точка-плоскость, входящих в стандартный набор элементов программного комплекса «Универсальный механизм».

Компьютерная модель подсистемы «моторная тележка» представлена в виде системы абсолютно твердых тел, связанных силовыми элементами и шарнирами. Ее структурная схема с описанием элементов приведена на рисунке 2.

Инерционные и геометрические характеристики абсолютно твердых тел соответствуют полностью экипированному кузову и получены на основе детализированной трехмерной модели. Параметры упруго-диссипативных элементов, используемых в модели, принимались на основе данных натурных экспериментов, проведенных ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения».

При моделировании рассматривался только режим тяги. Тяговое усилие моделировалось с помощью специальных сил в соответствии с тяговой характеристикой автомотрисы, представленной в работе (Протокол приемочных тягово-теплотехнических испытаний СУПДК «Север»/ИЦ ПС ОАО «ВНИКТИ»,- 20.12.2009г.- № ИЦ ПС-18-09.- 7с.).

При моделировании движения автомотрисы силы сопротивления движению учитывались в соответствии с эмпирическими зависимостями, приведенными в работе (Гребенюк, П.Т. Тяговые расчеты: Справочник./ П.Т. Гребенюк, А.Н. Долганов, А.И. Скворцов. - М.: Транспорт , 1987. - 272 е.).

Упруго-диссипативные характеристики верхнего строения пути принимались в соответствии с рекомендациями работы (Вертинский, C.B. Динамика вагона/С.В. Вертинский, В.Н. Данилов, И.И. Челноков. - М.: Транспорт, 2004. — 304 с.) для летнего периода при хорошем состоянии пути и рельсов типа Р65, уложенных на железобетонные шпалы.

ракгеристики верхнего строения пути в вертикальном направлении; 2 - упруго-диссипативный элемент, моделирующий упруго-дисснпативные характеристики верхнего строения пути в горизонтальном направлении; 3 - силовой контактный элемент, моделирующий опирание кузова автомотрисы на скользуны (вид А); 4 —линейный силовой элемент, моделирующий ограничения горизонтальных перемещений кузова относительно надрессорного бруса в пятниковом узле; 5 - нелинейный упруго-диссипативный элемент, описывающего работу резинового амортизатора шкворня (вид А); 6 - кузов автомотрисы в виде абсолютно твердого тела; 7 - абсолютно твердое тело, моделирующее силовую установку; 8 - упруго-диссипативные элементы, моделирующие характеристики опор силовой установки (вид Б,В)

лежка»: 1 - линейный силовой элемент, моделирующий пружины центрального подвешивания; 2 - диссипативный линейный биполярный силовой элемент, моделирующий вертикальный гаситель колебаний центрального подвешивания; 3 — упруго-диссипативные элементы, моделирующие резинометаллические блоки продольного поводка центрального подвешивания (вид В); 4 - совокупность твердых тел, соединенных вращательными шарнирами, моделирующая маятниковые подвески; 5 — линейный силовой элемент, моделирующий пружины буксового подвешивания; 6 — вращательный шарнир, моделирующий буксу; 7 — нелинейные уп-руго-диссипативными силовые элементы, моделирующие упруго-диссипативные свойства резинометаллических блоков буксовых поводков (вид Г); 8 - нелинейные упруго-диссипативные силовые элементы, моделирующие амортизаторы подвески редуктора (вид Б); 9 - абсолютно твердое тело, моделирующее раму тележки (вид Б); 10 - абсолютно твердое тело, моделирующее надрессорный брус; 11 - абсолютно твердое тело, моделирующее поддон центральной ступени подвешивания; 12 - абсолютно твердое тело, моделирующее редуктор (вид Б); 13 - абсолютно твердое тело, моделирующее электродвигатель; 14 - фрикционный силовой элемент, описывающий работу дискового гасителя буксовой ступени подвешивания тележки.

Формирование случайных неровностей пути производилось с использованием функции спектральной плотности эквивалентной расчетной неровности, определяемой по методике, приведенной в РД 32.68-96.

Макрогеометрия кривых участков пути в плане определялась исходя из скорости прохождения кривой. Значения радиусов кривых, рассматриваемых при моделировании, принимались в соответствии с планом железнодорожного пути ско-

-эксперимент

А в. м/с 2

■ модель 1 -модель 2 ростного испытательного

полигона г. Белореченск.

Оценка адекватности разработанной твердотельной модели движения автомотрисы выполнена на основе данных натурных поездных испытаний, проведенных испытательным центром ЗАО НО «ТИВ» на скоростном испытательном полигоне г. Белореченск.

Для сравнения теоретических и экспериментальных значений выбраны следующие величины: км1ч вертикальные и горизон-14=650 м тальные ускорения рамы кузова в пятниковой зоне, расположенной ближе к месту монтажа силовой установки автомотрисы; рамные силы; коэффициенты вертикальной динамики.

Оценка полученных при моделировании движения автомотрисы осциллограмм временных зависимостей для показателей ходовой динамики была проведена по их средним значениям с вероятностью непревышения Р=0,999, определен-в соответствии с РД 24.050.37

На рисунке 3 в виде графиков представлены результаты сопоставления вертикальных

100 (Р(=500 м)

(К=350 м)

г

Рисунок 3 - Зависимость вертикальных ускорений кузова (а — по прямой; б - в кривых) и рамных сил (в - по прямой; г - в кривых) от скорости движения автомотрисы.

V, кмгч (Я=650 м) ным

ускорений кузова и рамных сил подвижной единицы, полученные экспериментальным и расчетным путем.

Анализ результатов моделирования выявил устойчивую тенденцию занижения вертикальных, горизонтальных ускорений и коэффициентов вертикальной динамики автомотрисы, получаемых с использованием твердотельной модели 1 на 23 - 31 % и завышение рамных сил на 31-32 %. Учет упруго-диссипативных свойств амортизаторов силовой установки автомотрисы в модели 2 позволил уменьшить расхождение на 3 — б %.

На втором этапе исследования в соответствии с результатами исследований, приведенными в (Кобищанов, В.В., Антипин, Д.Я. Оценка динамической нагруженности пассажирских вагонов с использованием гибридных моделей // Тез. LXVI Междун. Науч.-практич. конфер. - Днепропетровск: ДИИТ, 2006. - С. 10-11.) для вагонов, имеющих базу более 10 - 12 м, при моделировании динамики движения выявилась необходимость учета упруго-диссипативных свойств кузова.

Учет указанных свойств кузова автомотрисы был выполнен путем использования гибридных-динамических моделей.

Гибридная модель выполнена на основе объектно-ориентированной пластинчатой конечно-элементной модели кузова. Пластинчатая расчетная модель кузова автомотрисы реализована в среде промышленного программного комплекса Siemens PLM Software Femap 9.3. Проведена оценка ее адекватности путем сопоставления картин напряженного состояния несущей конструкции кузова автомотрисы, полученных расчетным путем с использованием пластинчато-стержневой расчетной схемы и экспериментально на стенде. Также сопоставлялись максимальные прогибы кузова, полученные расчетным путем и экспериментально. Сопоставление показало, что предложенная модель адекватна.

Учет внутреннего трения в конструкции осуществлялся по гипотезе Фойхта. При моделировании динамики колебаний несущей конструкции совокупность действующих диссипативных сил заменялась эквивалентным вязким демпфированием, определяемым из условия равенства работ данных сил и сил вязкого сопротивления за период колебаний. Определение коэффициента эквивалентного вязкого демпфирования производилось с использованием резонансной кривой, получаемой при определении низшей частоты изгибных колебаний кузова.

Далее, с использованием гибридной модели, выполнено моделирование движения автомотрисы в условиях, описанных выше.

Результаты сопоставления вертикальных ускорений кузова и рамных сил подвижной единицы, полученные экспериментальным и с использованием гибридной модели, представлены в виде графиков на рисунке 4.

Анализ результатов показал, что вертикальные и горизонтальные ускорения и коэффициенты вертикальной динамики для гибридной компью-

-эксперимент

■ гибридная модель

(Я=350 м) Г

Рисунок 4 - Зависимость вертикальных ускорений кузова (а — по прямой; б — в кривых) и рамных сил (в - по прямой; г - в кривых) от скорости движения автомотрисы для гибридной модели.

тернои модели выше, чем соответствующие величины для твердотельной модели, т.е. они ближе к дан--ным эксперимента.

Анализ показал, что такое же утверждение (о сближении с экспериментом) справедливо и для рамных сил, которые для гибридной модели существенно снизились.

В третьей главе проведено исследование влияния работы силовой установки на динамическую нагруженность несущей конструкции кузова автомотрисы.

Обоснована необходимость учета дополнительных вибрационных нагрузок, возникающих за счет эксцентриситетов вращающихся элементов. Показано, что за счет конечной мощности силовой установки возникает обратное влияние вибраций кузова на режимы ее вращения (эффект Зоммер-фельда). Введены и обоснованы следующие ограничения:

1 В модели используются статические характеристики источника энергии.

2 Скорость вращения силовой установки изменяется медленно.

3 Воздействие неидеального источника на несущую конструкцию кузова находится в виде неявной функции времени Qi.cc, а) , где а - угловая координата ротора. При этом моделируемая система становится автономной, в отличие от системы с идеальным источником энергии.

При таком подходе оказывается возможным характеризовать уровень взаимодействия силовой установки и несущей конструкции кузова с использованием поправок на величину коэффициента динамичности.

4 Колебательная система «автомотриса» является линейной.

5 Движение автомотрисы является равномерным, т.е. все локальные системы координат являются инерциальными.

6 Рассматривается плоское движение.

7 Все тела в модели считаются абсолютно жёсткими.

На основании ограничений 6,7 приняты выражения для перемещений в виде: '

их = и + гв; и2=иг—х9, (1)

где ось х направлена вдоль кузова, а ось 2 - вертикально вверх.

Окончательные выражения представлены в матричном виде, для чего, с использованием (1), Введены векторы

Р,= {и:,\\\,в:}. г— к, л, п, д, (2)

где к, л, п, д - индексы, обозначающие элементы математической модели автомотрисы: кузов, левую и правую тележки и дизель соответственно.

8 Рамы тележек считаются симметричными.

9 Решение задачи производится методом малого параметра в нулевом и первом приближениях.

10 Считается, что существуют установившиеся одночастотные режимы, параметры которых являются функциями параметров объекта.

11 Устойчивость системы исследуется по уравнениям первого приближения на основании ограничения 9.

12 Трение в элементах подвешивания считается вязким, что, помимо очевидных упрощений, позволяет также сократить объём преобразований при выводе уравнений на основании использования теоремы Релея о дис-сипативной функции.

13 При описании пружин рессорного подвешивания используется теория эквивалентного бруса для определения поперечной жёсткости и формула Рело для осевой жёсткости.

Структурная схема математической модели взаимодействия кузова и силовой установки представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структурная схема математической модели автомотрисы с раздельными гасителями

С помощью принципа Гамильтона и с использованием теоремы Релея выведена автономная система обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений для принятой модели.

+ атт%+ + А^Х + = ф, + А-1-Ж + В^ + А'КТХ + В^ = ф; + А^Х + ^хЛ + А"«Л + - « ЙГлота + ^соот) +

+аг (Д^зта — д^созаг) = ф-,

Мктг2а + ка — (с^зта 4- ^сога)^" = М0;

м0 = м-рж<*та,

где М,- - диагональные матрицы масс, В,7 - матрицы демпфирования, А;/- матрицы жесткости (¡, ] = к, л, п, д), а - угол поворота ротора силовой установки, вектора , являются функциями массово-геометрических параметров вращающихся частей, М0 - крутящий момент на валу силовой установки, Рс(У(а)) - преобразованная зависимость силы тяги от скорости движения.

Система линеаризована с помощью метода малого параметра. Из полученной таким образом линейной системы обыкновенных дифференциальных уравнений нулевого приближения определены векторы Р1 и с их помощью — реакции в связях кузова с силовой установкой. Устойчивость полученного режима исследована методами асимптотического интегрирования

16

•эксперимент

, гибридная модель с учетом дополнительных реакций

Ав, м/с 2

У,км/ч

Ав, М/С 2

(И=350 м)

Рисунок 6 - Зависимость вертикальных ускорений кузова (а - по прямой; б - в кривых) и рамных сил (в - по прямой; г — в кривых) от скорости движения автомотрисы для гибридной модели с учетом дополнительных реакций от работы силовой установки.

для уравнений первого приближения.

Проведенные вычисления показали, что первоначально гармонические реактивные добавки, возникающие за счет эксцентриситета вращающихся частей, значительно искажаются из-за влияния вибрации кузова на режим вращения силовой установки. Указанные изменения приводят к повышению уровня усилий до 13 % и уровня напряжений в наиболее нагруженных сварных соединениях на 10-14%

Реакции в связях получены в графическом и аналитическом виде. Аналитические зависимости для дополнительных реактивных усилий использовались при расчетах динамической на-груженности несущей конструкции кузова автомотрисы с помощью комплекса «Универсальный механизм» путем введения в гибридную модель четырех специальных биполярных элементов типа «внешняя функция».

В качестве примера для данной модели на рисунке 6 приведены графики зависимостей

вертикальных ускорений кузова и рамных сил от скорости движения вагона по прямому участку пути и в кривых.

Анализ показателей ходовой динамики, полученных с учетом дополнительных реакций на гибридной динамической модели, показал, что указанные показатели превышают экспериментальные данные не более чем на 15 %, обеспечивая, таким образом, запас в отношении безопасности движения.

Полученные дополнительные реакции учитывались также при проведении расчетов для оценки динамической нагруженности несущей конструкции автомотрисы. Анализ результатов показал, что учет дополнительных реакций, обусловленных работой силовой установки, приводит к повышению уровня усилий в различных зонах кузова до 13 %, причем это влияние несколько снижается с ростом скорости движения.

В четвертой главе приведены результаты исследований усталостной долговечности кузова автомотрисы. На первом этапе для оценки динамического напряженно - деформированного состояния к узлам конечноэлементной модели, соответствующим зонам взаимодействия кузова с тележками, силовой установкой и топливным баком, прикладывались изменяющиеся во времени усилия, взятые из осциллограмм, полученных на основе динамической гибридной модели при движении автомотрисы по неровностям пути с различными скоростями.

Вычисления проводились для двух наборов динамических усилий, один из которых получен с учетом дополнительных реакций в опорах силовой установки, второй - без учета. В качестве примера на рисунке 7 приведены вертикальные динамические усилия, действующие на кузов в левой первой по ходу движения опоре силовой установки при движении автомотрисы по прямому участку пути со скоростью 80 км/ч.

_без учета дополнительных с учетом дополтттепьных

реакций реакций ....... реакций

Рисунок 7 - Вертикальные динамические усилия, действующие на кузой при движении автомотрисы по прямому участку пути со скоростью 80 км/ч.

Расчет модели в динамической постановке проводился методом непосредственного интегрирования уравнений узловых перемещений, реализованным в программном комплексе Simens PLM Software Femap 9.3 от действия динамических усилий, соответствующих движению автомотрисы в течение 40 с. Рассматривались следующие режимы эксплуатации:

- движение автомотрисы по прямому участку пути со скоростями от 20 до 120 км/ч с шагом в 20 км/ч;

- движение в кривых радиусом R, равным 350 м, 500 м, 650 м;

- противошерстное прохождение автомотрисой стрелочного перевода с крестовиной марки 1/11.

Таким образом, серия расчетов свелась к десяти возможным режимам эксплуатации для двух наборов динамических усилий.

В результате проведенного анализа были выявлены три наиболее нагруженные зоны, включающие десять сварных соединений.

Анализ полученных результатов позволил определить наиболее нагруженные в эксплуатации зоны несущей конструкции кузова автомотрисы. Для сварных соединений (рисунок 8) в этих зонах получены осциллограммы изменения напряжений во времени. Из них видно, что учет дополнительных реакций в опорах силовой установки приводит к увеличению уровня напряжений в наиболее нагруженных сварных соединениях на 10-14 %.

В качестве примера на рисунке 9 приведена осциллограмма изменения напряжений во времени для сварного шва № 2 при движении автомотрисы на прямом участке пути со скоростью 80 км/ч.

На рисунке 9 под номером 1 представлены кривые, соответствующие расчету без учета дополнительных динамических нагрузок, под номером 2-е учетом.

СЭ-'зП ©

'\Т1-ЧП|- Вд ©

\ ; 1 — -111-. г,—1

(9)-номер сБарного соединения

Рисунок 8 - Наиболее нагруженные сварные соединения

СГ„ МПа

Рисунок 9 - Осциллограмма изменения напряжений в сварном соединении № 2

На втором этапе произведен расчет наиболее нагруженных сварных соединений на сопротивление усталости с использованием методики и рекомендаций «Норм...» (Нормы для расчета и оценки прочности несущих элементов и динамических

качеств экипажной части мотор-вагонного подвижного состава железных дорог МПС колеи 1520 мм / - М.: ВНИИВ - ВНИИЖТ, 1997. - 147 е.).

Определение уровней амплитуд напряжений (ра]) и соответствующих им значений вероятности появления данных амплитуд Рац производилось путем статистической обработки осциллограмм процесса изменения динамических эквивалентных напряжений (по четвертой теории прочности) во времени методом полных циклов.

Ресурс сварного шва в циклах нагружения определялся в предположении, что предельное состояние наступает при снижении коэффициента запаса сопротивления усталости ниже допускаемого.

Определение сроков службы на основании расчетов усталостной долговечности в предположении достижения предельного состояния позволило установить, что неучет дополнительных динамических реакций в опорах силовой установки при анализе усталостной прочности приводит к завышению получаемых результатов для наиболее нагруженных сварных соединений на

4-11%. Указанные расчеты позволили также выявить сварные соединения со сроком службы менее назначенного. Введение коррективов в несущую конструкцию кузова, позволило повысить срок службы до 28 лет. Проведенный повторный расчет, показал эффективность принятых изменений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования и разработки, приведенные в диссертационной работе, заключаются в следующем:

1 Разработаны твердотельные и гибридные компьютерные модели автомотрисы. На их основе проведены расчеты и выполнен анализ влияния

упруго-диссипативных свойств кузова на показатели ходовой динамики автомотрисы.

2 Использование твердотельной компьютерной модели приводит к занижению результатов для вертикальных, горизонтальных ускорений и коэффициентов вертикальной динамики кузова и завышению их для рамных сил по сравнению с экспериментальными результатами до 32 %.

3 При оценке динамической нагруженности кузовов автомотрис необходимо учитывать их упруго-диссипативные свойства. Учет упруго-диссипативных свойств кузова в гибридной модели уменьшает расхождение динамических характеристик, перечисленных в п. 2, по сравнению с экспериментальными результатами на 18 %.

4 Обоснована необходимость учета эффекта Зоммерфельда при исследовании динамической нагруженности несущей конструкции кузова автомотрисы.

5 На основе разработанной математической модели взаимодействия силовой установки с несущей конструкцией кузова автомотрисы установлено влияние дополнительных реакций в опорах силовой установки на ее динамические характеристики. При этом расчетные данные превышают экспериментальные не более чем на 16 %, что обеспечивает запас в отношении безопасности движения.

6 Оценка динамических усилий, действующих на несущую конструкцию кузова автомотрисы, показала, что учет дополнительных реакций в опорах силовой установки приводит к увеличению действующих динамических усилий до 13 %.

7 По первоначальному расчету усталостной долговечности наиболее нагруженных сварных соединений на основе результатов исследований введены коррективы в несущую конструкцию кузова, которые позволили повысить расчетный срок службы до 28 лет.

8 Предложенная методика учета влияния работы силовой установки на динамическую нагруженность и усталостную долговечность кузовов автомотрис может быть использована также при проектировании кузовов несамоходных вагонов (электростанций, вагонов сопровождения и т.д.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

I Публикации в печатных изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Гончаров, Д.И. Особенности конструкций автомотрис нового поколения / A.A. Юхневский, Д.И. Гончаров // Тяжелое машиностроение. -2015.-№ 1-2.-С. 25-30

2 Гончаров, Д.И. Исследование динамических характеристик самоходной автомотрисы методами математического моделирования / Д.И. Гончаров, В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2014. - №4. - С. 16-20.

3 Гончаров, Д.И. Оценка несущей способности кузова автомотрисы расчетными и экспериментальными методами / Д.И. Гончаров, В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2015. -№ 3(311) - С. 42-46.*

II В научных журналах, материалах конференций

4 Гончаров, Д.И. Анализ возможности повышения скоростей эксплуатации пассажирских тележек моделей 68-4071 и 68-4075 / В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин, Д.И. Гончаров, С.Ю. Овсянников // Проблемы и перспективы развития вагоностроения, Материалы II международной научно-практической конференции. - 2005. - С. 34-36.

5 Гончаров Д.И. Обоснование технических решений для кузова автомотрисы «Север» / Д.И. Гончаров, П.С. Ломаков, A.A. Юхневский // в сб. VI Международной научно-техн. конф. «Подвижной состав XXI века: идеи, требования проекты». - 2009. - С. 223-227

6 Гончаров, Д.И. Исследования влияния конструктивных особенностей на прочность рам тележек безлюлечного типа для пассажирских вагонов / Д.И. Гончаров, В.В. Василевский, А.А Юхневский и др. // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты. VI Международная научно-техническая конференция. - 2011. - С. 142-145

7 Гончаров, Д.И. Обоснование технических решений для кузова автомотрисы с двумя дизель-генераторными установками / Д.И. Гончаров,

A.C. Жуков, П.С. Ломаков и др. // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты, VIII Международная научно-техническая конференция.-2013. - С.76-79.

8 Гончаров, Д.И. Проведение исследований по оценке несущей способности кузова головного вагона электропоезда Эг2Тв / Д.И. Гончаров, П.С. Ломаков, A.A. Юхневский, A.A. Смирнов // в сб.: «Проблемы и перспективы развития вагоностроения», Материалы V Всероссийской научно-практической конференции. - 2014. - С. 57-60

9 Гончаров, Д.И. Взаимодействие кузова автомотрисы с источником энергии, расположенным на нем / Д.И. Гончаров, A.A. Юхневский,

B.В. Василевский // в сб.: «Проблемы и перспективы развития вагоностроения», Материалы V Всероссийской научно-практической конференции. -2014.-С. 5-7

* Опубликовано после размещения диссертации.

10 Патент на полезную модель №151037 Российской Федерации. Автомотриса облегченной конструкции [Текст]/ A.A. Юхневский, Д.И. Гончаров, П.С. Ломаков, В.Ф: Тарабрин, A.A. Федотов, Д.В. Кузнецов, Д.А. Главатский: патентообладатели ЗАО НО «ТИВ» и ЗАО «Фирма ТВЕМА». № 2014125293/11; заявл. 23.06.2014; опубл. 20.03.2015, Бюл. № 8.

Гончаров Дмитрий Игоревич

ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ АВТОМОТРИС

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 07.07.2015г. Формат 60x90/16 Бумага офсетная.

Офсетная печать. Печ. л. 1. Усл.-печ. л. - 1. Тираж 80 экз. Заказ № 284 Бесплатно

Издательство Тверского института вагоностроения. 170003 , г. Тверь, Петербургское ш., д. 45г, Телефон 8(4822) 55-58-62, Множительный участок