автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оценка влияния боковых опор кузова на безопасность движения и износ в контакте колеса и рельса

1о

На правах рукописи

005013087

АДИЛЬХАНОВ ЕРЖАН ГАЗИЗОВИЧ

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ БОКОВЫХ ОПОР КУЗОВА НА БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ И ИЗНОС В КОНТАКТЕ КОЛЕСА И РЕЛЬСА

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 (лдр 2С;2

Москва-2012 г.

005013087

Работа выполнена на кафедре "Вагоны и вагонное хозяйство" федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Петров Геннадий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, главный

научный сотрудник ОАО "ВНИИЖТ" Ромен Юрий Семёнович

кандидат технических наук, профессор кафедры "Электрическая тяга" МГУПС (МИИТ) Рыбников Евгений Константинович

Ведущая организация: ОАО "НИИ ВАГОНОСТРОЕНИЯ"

Защита диссертации состоится « /3 » А/у^ЧЯ 2012 г. в /^~часов минут на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 в Московском государственном университете путей сообщения по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного университета путей сообщения.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу диссертационного Совета университета.

Автореферат разослан:« » марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 218.005.01, д.т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Опыт эксплуатации показывает, что существующая традиционная схема опирания кузова грузового вагона на тележки не обеспечивает безопасную эксплуатацию грузовых вагонов, что проявляется в склонности к самовозбуждению колебаний виляния и потере устойчивости во время движения на прямых участках пути и в кривых большого радиуса. Это явление оказывает негативное влияние на безопасность движения, а в некоторых случаях приводит к сходу подвижного состава с рельсов. В практике эксплуатации имеются факты сходов исправных порожних грузовых вагонов на исправной рельсовой колее, при отсутствии нарушений в режимах вождения поездов из-за повышенной извилистости колесных пар.

Вагоностроительная промышленность пытается решить данную проблему путем внедрения в конструкцию грузовых вагонов боковых скользунов постоянного контакта, которые способствуют увеличению момента сил трения между кузовом и тележкой. Внедрение боковых скользунов постоянного контакта, сопряжено с необходимостью исследования влияния опор данного типа на показатели динамики, безопасность движения и износ колеса и рельса, а также выбора рациональных значений параметров упругих боковых скользунов с учетом особенностей конструкции тележки. В настоящее время, большинство применяющихся на практике отечественного вагоностроения вариантов конструкций упругих скользунов постоянного контакта являются, в основном, разработками зарубежных фирм. При этом,- не смотря на наличие теоретических исследований и результатов испытаний параметры упругих элементов часто выбираются идентичными своим зарубежным аналогам. Это связано с тем, что в настоящее время не существует универсальной математической модели грузового вагона, оборудованного упругими скользунами постоянного контакта, которая позволяла бы на стадии проектирования определять диапазоны рациональных значений основных характеристик скользунов данного типа при минимальных затратах времени и средств на экспериментальные исследования, выполнять оценку динамических характеристик эксплуатируемых грузовых вагонов.

Исходя из вышеизложенного, вытекает необходимость в разработке универсальной математической модели движения грузового вагона, оборудованного скользунами постоянного контакта по пути с произвольным очертанием и определения с ее помощью рационального диапазона параметров упругих скользунов, с учетом особенностей конструкции, эксплуатации и норм

содержания грузовых вагонов и пути отечественных железных дорог исходя из обеспечения наилучших динамических показателей и уменьшения износа колеса и рельсов.

Цели и задачи работы. Цель данной диссертационной работы заключалась в исследовании показателей динамики, безопасности движения и износа колеса и рельсов при наличии упругих скользунов постоянного контакта, а также в определении диапазона рациональных значений параметров упругих скользунов.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие научные задачи:

- проведен анализ конструкций современных боковых упругих скользунов постоянного контакта;

- разработана уточненная математическая модель движения грузового вагона, оборудованного упругими скользунами постоянного контакта, по прямым и кривым участкам железнодорожного пути;

- разработана математическая модель упругого скользуна постоянного контакта, позволяющая учитывать геометрические, упруго-диссипативные и трибологические параметры опоры, а также с высокой точностью моделировать упругокатковые скользуны.

- для проверки адекватности и точности предложенной уточненной математической модели автором проведены сравнительный анализ полученных расчетных данных и сопоставление их с экспериментальными данными;

- проведен системный анализ влияния параметров упругих боковых скользунов постоянного контакта на динамические характеристики грузового вагона и параметры износа в системе колесо - рельс;

- на основании численных экспериментов определен диапазон рациональных величин параметров скользунов постоянного контакта по условию получения наилучших динамических параметров грузового вагона.

Общая методика исследований построена на методах планирования экспериментов, аналитической механики, имитационного моделирования и положений теории взаимодействия подвижного состава и пути. В качестве математического аппарата использована аналитическая программная среда синтеза уравнений движения «Универсальный механизм».

Научная новизна работы заключается в разработке уточненной, параметризировшшой математической модели движения грузового вагона, оборудованного упругими скользунами постоянного контакта по прямым и криволинейным участкам пути. Разработанная модель позволяет:

- проводить широкий спектр исследований динамических характеристик грузовых вагонов основных типов, оборудованных упругими скользунами постоянного контакта при движении по участкам железнодорожного пути с произвольным очертанием с учетом воздействия неровностей рельсовых нитей;

- оценивать влияние отклонений в размерах деталей вагона и износов отдельных элементов ходовых частей на динамические показатели и безопасность движения грузовых вагонов;

- оценивать влияние отклонений в техническом состоянии рельсовой колеи в прямых и криволинейных участках пути на динамические показатели грузового вагона;

- осуществлять подбор рациональных параметров геометрических, инерционных, жесткостных и демпфирующих характеристик элементов грузового вагона и тележки.

Основные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель движения грузового вагона, оборудованного упругими скользунами постоянного контакта;

- верификация разработанной модели, в частности связи кузова с тележкой и клиновой системы гашения колебаний;

- оценка влияния основных параметров упругих боковых скользунов постоянного контакта на безопасность движения и износ колеса и рельса;

- результаты исследований по выбору рациональных параметров упругих скользунов постоянного контакта;

- оценка влияния каткового механизма упругокаткового скользуна на безопасность движения и износ колеса и рельса.

Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций,

сформулированных в диссертации, обусловлена корректностью применяемых автором математических методов, обоснованностью принятых допущений, большим объемом имитационных экспериментов и обоснованием адекватности разработанных математических моделей, выполненным путем сравнения расчетных и экспериментальных данных.

Практическая ценность проведенных исследований.

1. Разработанная в работе уточненная математическая модель грузового вагона, оборудованного упругими боковыми скользунами постоянного контакта, позволяет уже на стадии проектирования определять диапазоны рациональных значений основных характеристик опор данного типа при минимальных затратах времени и средств на экспериментальные исследования, выполнять оценку динамических характеристик грузовых вагонов, оборудованных скользунами постоянного контакта, а также проведение мероприятий по модернизации.

2. Методами компьютерного моделирования выполнены исследования влияния параметров упругих скользунов постоянного контакта на ходовые качества грузовых вагонов, безопасность их движения и износ в системе «колесо-рельс», а также выбраны значения параметров боковых скользунов постоянного по условиям получения наилучших оцениваемых показателей.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на 1Х-ОШ Международной научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» МИИТ, 2008^-2011 гг., г. Москва; заседаниях кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» МГУПСа в 2008-2011 гг., г. Москва.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе три работы входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК России.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов по результатам исследований, 4-х приложений и списка использованной литературы, включающего 246 наименований, изложена на 142 страницах и поясняется 120 рисунками, 24 таблицами.

Автор выражает признательность научному руководителю Г.И. Петрову за помощь и поддержку в работе, а также сердечно благодарит профессоров П.С. Анисимова, В.Н. Филиппова, Д.Ю. Погорелова за ценные научные консультации при подготовке работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены ее цель и основные задачи исследований.

В первой главе проведен анализ научно-исследовательских работ в области динамики подвижного состава. Отмечен большой вклад в развитие раздела транспортной науки «Динамика подвижного состава» следующих ученых: П.С. Анисимова, И.В. Бирюкова, Е.П. Блохина, Ю.П. Бороненко, Г.П. Бурчака, М.Ф.

Вериго, C.B. Вертинского, JI.B. Вшшика, А.У. Галеева, А.Л. Голубенко, Л.О. Грачевой, В.Д. Дановича, Б.С. Евстафьева, В.Н. Иванова, И.П. Исаева, A.A. Камаева, В.А. Камаева, Б.Г. Кеглина, H.A. Ковалева, А.Я. Когана, С.И. Коношенко, Е.П. Королькова, М.Л. Коротенко, B.C. Коссова, В.Н. Котуранова, H.H. Кудрявцева, В.А. Лазаряна, A.A. Львова, Л.А. Магашкина, В.Б. Меделя, Л.Н. Никольского, H.A. Панькина, Г.И. Петрова, B.C. Плоткина, H.A. Радченко, Ю.С. Ромена, Е.К. Рыбникова, А.Н. Савоськина, М.М. Соколова, Т.А. Тибилова, П.А. Устича, В.Ф. Ушкалова, В.Н. Филиппова, A.A. Хохлова, В.Д. Хусидова, И.И. Челнокова, Ю.М. Черкашина, В.Н. Шсстакова и многих других.

Среди зарубежных ученых следует отметить работы Ами, Винклера, Викенса, Гарга, Дуккипати, Де ПатераДартера, Калкера, Куперрайда, Мюллера, Марье, Рокарда, Фрома, Хеймана, Шперлинга, Юбеллакера и других.

Определены основные направления дальнейшего развития научно -исследовательских работ в области динамики подвижного состава, связанные с уточнением математических моделей подвижного состава, а также решением проблем в области повышения безопасности движения грузовых поездов и оценкой влияния технического состояния ходовых частей и пути на безопасность движения и износ в системе колесо - рельс. Рассмотрены разновидности компьютерных математических моделей, применяемых в задачах исследования динамики подвижного состава и взаимодействия колеса и рельса, а также методы их анализа.

Выполнен анализ конструктивных решений, применяемых в отечественном и зарубежном вагоностроении при модернизации грузовых тележек с установкой упругих боковых скользунов постоянного контакта. Наиболее активно над созданием грузовых тележек работают коллективы в ОАО «НПК Уралвагонзавод», ОАО «ВНИИЖТ», ОАО «ВНИКТИ», МИИТ, УрГУПС, БГТУ, ПГУПС, ОАО «Алтайвагон», ФГУП «ЦКБ ТМ», ОАО «НВЦ «Вагоны» и др.

Во второй главе на основании представления грузового вагона в виде системы недеформируемых твердых тел произведен структурный синтез модели грузового вагона с модернизированными тележками. В результате грузовой вагон представлен механической системой из 27 абсолютно твердых тел (кузов, 2 надрессорные балки, 4 боковых рамы, 8 фрикционных клиньев, 4 колесные пары с буксами, 4 ролика упруго скользуна, 4 колпака упругого скользуна), имеющей 162 степеней свободы. Расчетная схема грузового вагона представлена на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная схема вагона и железнодорожного пути

Для каждого тела задана масса /и, и моменты инерции Л, где г - номер тела. Задание моментов инерции производилось относительно осей собственной системы координат тела (СЮ) {С,, х„ уг/}, начало которой совпадает с центром масс тела (см. рис. 2). Для описания положения и количества степеней свободы тел системы введены две общие системы координат: базовая неподвижная (СК0о) {С0, Х0, У0, и базовая подвижная (путевая) (СКО) {0, т],

Базовая подвижная СК

Рис. 2. Задание систем координат в модели тележки

Для однозначного определения положения тела, имеющего шесть степеней свободы, в системе координат СКО достаточно шести обобщенных координат, которые могут быть объединены в вектор положения размерности 6x1. Для ¿-го тела такой вектор будет иметь вид:

<40) ф $ $ (!)

где Л£.(0), Л,<0), Л'С(0) - проекции вектора описывающего положение начала СК/ в СКО на координатные оси СКО; ,х^К'У^ - углы между координатными осями СКЗ и СКО (х,Л 4; У1л г), г3 л ^соответственно).

Рассмотренное математическое описание расчета кинематических характеристик тел системы реализовано в комплексе «Универсальный механизм» в виде программной процедуры задания шарнира, соединяющего рассматриваемое тело с базовой системой координат. На предварительном этапе, задана параллельная осям СКО пространственная ориентация собственной системы координат каждого тела, входящего в модель грузового вагона. В процессе описания шарниров для каждого тела задан вектор г/0) в начальном положении (при 1 = 0) и выбран тип углов ориентации.

Уравнения, описывающие движение ;-го тела механической системы «вагон-путь» при совпадении СЮ с главными осями инерции тел, на основании теоремы о движении центра масс и динамических уравнений Эйлера, имеют вид:

■ 4> ■ ^+«М ■ (4° - )=X +х 4>; (2)

4> • ^+■ (4> - 4»)=Х<+ 14?; 4° ■ ^+44' • - 4,)=Х^)+14?,

где от, - масса /-го тела, кг; а^^Ка^ - проекции вектора ускорения /-го тела на координатные оси СКО, м/с2; Х^^-^'Х^ ~ сУмма пРоек«ий всех активньк сил, приложенных к г'-му телу, на координатные оси СКО, Н; ~

сумма проекций всех реактивных сил, приложенных к г'-му телу, на координатные оси СКО, Н; 4)>Л>'4) ~ моменты инерции ¿-го тела относительно осей СКг,

кгм3; - проекции вектора угловой скорости 1-го тела на координатные

оси СК/, рад/с; £ А^0>ХМу'.Х~ сУмма моментов всех активных сил, приложенных к |-му телу, относительно осей СК/, Н/м; ~ сУмма момен" тов всех реактивных сил, приложенных к /-му телу, относительно осей СК/, Н/м.

Уравнения, входящие в систему (2), записаны в разных системах координат: первые три - в базовой подвижной, три последних - в собственной, связанной с телом. На основании систем уравнений (2), записанных для всех тел механической системы, может быть получена система обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка, описывающих движение системы в обобщенных координатах, с нелинейными правыми частями (в матричном виде):

М(д)''д] + к(д,д) = д, (3)

где М(д) - матрица масс; к(д, д) - вектор-столбец обобщенных сил инерции; Q -вектор-столбец обобщенных активных сил.

= = .ИГ + лГ ■^■ВГ); (4)

Кя.я>£*,(?.?)=£(«. ■-иг -"Г +-ВГ ■№•<?> "РЬ (5)

-гг+вг -К')- (6)

м 1=1 '

Решение системы уравнений (3) относительно обобщенных координат, позволяет определить линейные и угловые перемещения, скорости и ускорения тел, входящих в модель вагона, а также любых принадлежащих телам точек, при задании их положения в системе координат соответствующего тела.

Упругие и упругокатковые боковые скользуны были реализованы путем добавления в модель тележки дополнительных упруго-диссипативных силовых элементов и твердых тел, моделирующих упругие элементы, ролики и колпаки, соответственно. Для описания контактного взаимодействия колпака скользуна тележки со скользуном кузова с последним связывается бесконечная плоскость, а с опорной поверхностью колпака - набор из четырех точек (рис. 3).

Рис.3. Взаимодействие колпака и корпуса упругого бокового скользуна

Связь колпака и корпуса скользуна в горизонтальной плоскости также реализована при помощи контактных элементов. В продольном и поперечном направлении между колпаком и корпусом скользуна предусмотрены зазоры А„х, АкУ. Характеристика упругого элемента скользуна в вертикальной плоскости представлена в виде нелинейной силовой характеристики с предварительной нагрузкой (рис. 4).

-Агт /•5 С* 0 / А, мм

Рис. 4. Нелинейная характеристика упругой составляющей силы в упругом боковом скользуне

Упругая составляющая описывается следующими идентификаторами: Лет (м) - статический прогиб упругого скользуна в положении равновесия; (м) - ход колпака; Fcr (Н) - значение силы в скользунах в положении равновесия (при статическом прогибе); Сск (Н/м) - коэффициент линейной жесткости скользуна; Сск» (Н/м) - коэффициент линейной жесткости скользуна при увеличении прогиба выше статического (наклон графика на рис. 4) при сжатии больше статического.

Сжатие упругого элемента скользуна приводит к увеличению абсциссы. Ноль абсциссы соответствует положению равновесия вагона, при котором упругий элемент сжат на величину Лет, а сила равна FCT- При растяжении упругого элемента до значения абсциссы - Лет сила линейно уменьшается до нуля, и далее происходит отрыв от скользуна.

Диссипативная составляющая силы в скользуне определяется соотношением

где х - вертикальная координата в момент времени; V - скорость изменения длины элемента; АСт~ предварительная затяжка элемента; х0 - длина упругого элемента к началу моделирования; Б - идентификатор, характеризующий величину демпфирования; ИеаV) - функция Хевисайда.

Например, если х0=94мм и А0=22 мм то при х<116 мм колебания будут

затухать, в ином случае выражение (7) будет равно нулю. В соответствии с моделью, коэффициент демпфирования линейно растет с величиной прогиба (х-(х0+Лсг))-О. В продольной плоскости упругий элемент реализован линейной моделью Фойгта.

Ролик упругокаткового скользуна моделируется как отдельное тело с шестью степенями свободы. Учитывается взаимодействие между роликом и корпусом скользуна в вертикальной и горизонтальной плоскостях (зазоры ДХ1 и Д^) и моделируется качение ролика по вкладышу скользуна. Для упрощения принято, что ролик скользит по поверхности постоянного радиуса (рис. 5).

Fd(x,v) = heavi(-x+(xo+/ia))(x-(x„+Acj))vD,

(7)

контактная поверхность

Рис. 5. Схема контактного взаимодействия ролика и вкладыша упругокаткового скользуна

В третьей главе произведена качественная оценка разработанной математической модели, а также сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.

На первом этапе было произведена верификация работы клинового гасителя колебаний. Моделирование производилось по методике, предложенной В.Д. Хусидовым, согласно которой вертикальные и поперечные колебания надрессорной балки тележки были заданы в виде гармонических функций вида:

z = а(1 - cos(a)z t)), (8)

у = Dsin(wy t+5) (9)

где z и у - вертикальные и боковые перемещения надрессорной балки тележки; а = -А/2; А и D - амплитуды вертикальных и боковых колебаний надрессорной балки тележки; e>z и шу - круговые частоты вертикальных и боковых колебаний надрессорной балки; 8 - фазовый сдвиг: t - время.

На рис. 6 и 7 проиллюстрированы некоторые зависимости, полученные при моделировании.

Рис. 6. Зависимость вертикальной реакции от клина на надрессорную балку при ее вертикальном отклонении (со2=18,84 рад/с)

Рис. 7. Зависимость горизонтальной силы трения на фрикционной планке от поперечного отклонения надрессорной балки (соу= 18,84 рад/с)

На втором этапе была произведена верификация работы скользунов постоянного контакта. При моделировании задавались угловые колебания половины кузова как твердого тела в виде гармонических функции угловых перемещений вокруг осей координат Ъ'.

<Рх = (Ю)

где <рх - угол поворота кузова; - амплитуда угловых колебаний; шгх - круговая частота угловых колебаний;

При моделировании основное внимание уделялось корректной отработке сил трения на колпаке упругого скользуна и работе его упругого элемента в вертикальном направлении, так как именно эти параметры являются определяющими для упругих боковых скользунов. На рис. 8 представлены зависимости силы трения в продольном направлении на колпаке скользуна от угла поворота кузова вагона при отсутствии продольной жесткости упругого элемента скользуна (а) и при Сх=5МН/м (б).

а)

4-т4 -

Л->

Т\

кН

Р-1....: •4-4—

У*

Ш

-0.03 -0.02 -0.01

<Рг. рад

0.01 0.02 0.03

ф2, рад

03 -0.02 -0.01 О 0.01 0.02 0.03

а) - Сх=0, б) - Сх=5 МН/м Рис. 8. Зависимость силы трения на колпаке скользуна от угла поворота кузова

Из анализа сил трения на колпаке скользуна видно, что модель адекватно отрабатывает выход колпака на зазор. Также видно, что силы трения на колпаке зависят от предварительной нагрузки элемента, поскольку именно силы трения на колпаке способствуют увеличению момента сил трения.

Качественная оценка уточненных разработанных моделей грузовых вагонов осуществлялась путем сравнения результатов расчета с экспериментальными данными, полученными по результатам комплексных динамических испытаний многофункциональной длиннобазной платформы, проведенных ФГУП "ЦКБ ТМ" на полигоне Белореченская - Майкоп.

Некоторые результаты сравнительного моделирования представлены на рис. 9 и 10. На основе результатов моделирования установлено, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных не превышает 15%, что свидетельствует о достоверности разработанных уточненных математических моделей.

Ку

.....••*> е*—... г—- •••)

1 [-__^ __ _ .

0

10 20

Область

экспериментальных значений

— - Значения полученные

при моделировании для тележки модели 18-100

— • "Средние значения

полученные при

проведении

эксперимента

— Предельно допустимое значение

■ Значения полученные при компьютерном моделировании для новой модели

30

40 50

60

70

80 90 Скорость, км/ч

Рис. 9. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных по коэффициенту запаса устойчивости колеса на рельсе (порожний режим, И=350м, возвышение наружного рельса 100мм)

0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

Нр/Р 0

__I__

-т* 1-

, • а * 1

. — • • •

1----- к...... /

¡й*

1

10 20 30 40 50 60

70 80

90

■»Область экспериментальных значений

- Значений полученные при моделировании для тележки модели 18-100

"Средние значения полученные при проведении эксперимента

' Предельно допустимое значение

• Значения полученные при компьютерном моделировании для новой модели

Скорость, км/ч

Рис. 10. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных по отношениям рамных сил к осевой нагрузке (порожний режим, К=350м, возвышение наружного

рельса 100мм)

Четвертая глава посвящена оценке влияния таких параметров упругих боковых скользунов, как вертикальная жесткость упругого элемента скользуна в сочетании с ее предварительной нагрузкой при статической деформации, продольная жесткость упругого элемента на показатели безопасности движения и износа колеса и рельса, а также выбору рационального диапазона вышеупомянутых параметров. С этой целью проводилось многовариантное компьютерное

моделирование движения порожнего и груженого грузового вагона в прямых и кривых радиусом 350 и 650 метров.

В настоящее время большинство грузовых вагонов с тележками нового поколения с осевой нагрузкой 23,5т оборудуются скользунами постоянного контакта с предварительной нагрузкой на них 20-23кН, при величине статической деформации 10, 22 мм. Данным деформациям соответствуют значения вертикальных жесткостей в пределах 2-2.3МН/м и 0.91-1МН/м соответственно. Оценка исследуемых показателей производилась путем сравнения полученных численных значений с результатами моделирования движения тележки модели 18100 в процентном соотношении. Оценивались значения показателя по усредненным процентным значениям для всех скоростей ХСг,%.

(П)

Хуж

где Хгу - усредненное значение показателя для всех скоростей движения при упругих скользунах; Хгж - усредненное значение показателя для всех скоростей движения при жестких скользунах. Здесь х„ Xхп' суммарное значение

и

показателя для всех скоростей движения, п - количество скоростей.

В конечном итоге за рациональный диапазон принимался такой диапазон,

который в порожнем режиме улучшает безопасность движения, а в груженном

снижает уровень силового взаимодействия между вагоном и железнодорожным

путем и износ в контакте колеса и рельса.

■ Сг=2 асг=2.3 ПС2=3 ИСг=4

-10%

-12%

■ 02=0.91 ВСг=1.05 ВСг=1.36 НСг=1.82__

а) - по показателям (кривая Я=350, груженый режим, А=10 мм); б) - по коэффициенту запаса устойчивости колеса на рельсе (порожний режим, А-22 мм) Рис. 11. Гистограммы влияния вертикальной жесткости упругого элемента

скользуна

Оценка влияния различных сочетаний вертикальной жесткости упругого элемента скользуна с ее статической деформацией, полученная в результате многовариантных расчетов, показала, что для величин статической деформации Д=10мм и Д=22мм рациональные значения соответствуют предварительной нагрузке 15-23 кН, которым соответствуют вертикальные жесткости 1,5-2,3 МН/м (при Д=10 мм) и 0,68-1,05 МН/м (при Д=22 мм) (см. рис. 11 и табл. 1).

С целью определения рационального диапазона продольной жесткости упругого элемента скользуна было проведено многовариантное моделирование движения порожней и груженой цистерны по прямому и криволинейному участкам пути с варьированием ее в пределах от 100 кН/м до 50 МН/м. Основное внимание при этом уделялось оценке виляния тележек под порожним кузовом при движении на прямом участке, а на кривых участках пути - оценке силового взаимодействия подвижного состава и пути. Некоторые результаты представлены на рис. 12 и 13 в виде гистограмм.

■ сх=0.1МН/м Эсх=0.5МН/м Нсх=1МН/м

■ сх=2.5МН/м Нсх=5МН/м Есх=10МН/м Шсх=25МН/м Есх=50МН/м

Рис. 12. Гистограмма показателей (прямая, порожний режим)

Всх-0.1МН/м Исх=0.5МН/м Всх=1МН/м ■ сх=2.5МН/м Исх=5МН/м Всх=10МН/м йсх=25МН/м □ сх=50МН/м

Рис. 13. Гистограмма показателей (прямая, груженый режим)

Из проделанной оценки влияния продольной жесткости бокового упругого скользуна постоянного контакта следует, что наличие любой продольной жесткости оказывает положительное влияние на все показатели при движении вагона в кривой К=350 м, а наибольший эффект в прямых участках достигается при значениях жесткости 2,5; 5 и 10 МН/м (см. табл. 1).

Таблица 1

Рациональные значения вертикальной и продольной жесткости упругого

_элемента бокового скользуна _

Тип лгаягткя Вертикальная Продольная

кривая Я=650м (порожнии вагон) 1.3-/..3 и.оа-лл^___

Кривая Я=650м (груженый вагон) 1.5-3 0.68-1.36__5-25_

Кривая 11=350м (порожний вагон) 0.5-2.3 0.23-1.05 Весь диапазон Кривая 11-3 50м (груженый вагон) 0.5-4 0.68-1.36 0,1-25

Для оценки эффективности разработанной модели на заключительном этапе произведено сравнительное численное испытание вагона, оборудованного боковыми скользунами постоянного контакта, и вагона - аналога оборудованного скользунами жесткого типа с вертикальным зазором 4 мм. Особое внимание при анализе показателей было обращено на показатель безопасности - коэффициент запаса устойчивости колеса против схода с рельсов (в порожнем режиме), на углы виляния надрессорной балки (в порожнем режиме на прямой), на рамные силы (в груженом режиме) и на показатель износа колеса и рельса - удельную работу сил трения в контакте колеса и рельса (в порожнем и груженом режимах). Некоторые результаты приведены на рис. 14-16.

т-------- -----! ................. 1 1 ! к„_ !

I л_ 1 [ * * -ки > • • | I* * * : •••и-..

1 ... .; ..... I - -:-- | т Скс -1--- рость, кмД

! 60 70 80 90 100 110 120 | | «^«тележка модели 18-100 • 4» • тележка с упругими скользунами ..........допускае значение____|

Рис. 14. Зависимости минимальных значений коэффициента запаса устойчивости колеса на рельса от скорости движения вагона (порожний режим, прямая)

элемента бокового скользуна

Тип участка (загруженность вагона)

Прямая (порожний вагон)

Прямая (груженый вагон)

Кривая И=650м (порожний вагон)

Кривая Я=650м (груженый вагон)

Вертикальная жесткость, МН/м

10 мм

2-3

2.3

1.5-2.3

1.5-3

22 мм

0.91-1.05

0.68, 0.91

0.68-1.05

0.68-1.36

Продольная жесткость, МН/м

2,5-10

2,5-10

1-10

5-25

Кривая 11=3 50м (порожний вагон)

0.5-2.3

0.23-1.05

Весь диапазон

Кривая Я=350м (груженый вагон)

0.5-4

0.68-1.36

0,1-25

0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 о

60 70 80 90 100 110 120

—»—тележка модели 18-100 _ • «тележка с упругими скользунами

Рис. 15. Зависимости максимальных значений углов виляния надрессорной балки тележки от скорости движения вагона (порожний режим, прямая)

300 250 200 150 100 50 о

Рис. 16. Зависимости суммарных значений показателя износа от скорости движения вагона (груженый режим, прямая)

Из проведенного анализа зависимостей оцениваемых показателей, полученных при моделировании движения грузового вагона, оборудованного боковыми упругими скользунами с выбранными параметрами, было выявлено, что наличие упругого скользуна постоянного контакта способствует повышению уровня безопасности движения и уменьшению износа в контакте колеса с рельсом, однако это приводит к увеличению рамных сил в кривых участках железнодорожного пути. В качестве решения данной проблемы вагоностроительные заводы предлагают установить катковый механизм параллельно упругим элементам скользуна.

В связи этим на следующем этапе была проведена оценка влияния наличия каткового механизма упругокаткового скользуна на безопасность движения и

Sw дж/м ! 1 j i

X

i

j

i j ! Ск< рость, KMA

60 70 80 90 100 110 120

—♦—тележка модели 18-100 • • тележка с упругими скользунами

износ в контакте колеса с рельсом. При этом было проведено моделирование движения груженого вагона по кривому участку пути без неровностей радиусом 350 м и с возвышением наружного рельса 130 мм. Проведённое моделирование позволило установить, что наличие ролика скользуна способствует уменьшению момента силы трения между колпаком скользуна тележки и скользуном кузова до 20% (см. рис.17). Улучшения в среднем по основным показателям составляют от 3 до 11%. В связи с этим внедрение в конструкцию тележек грузовых вагонов упругокатковых скользунов позволяет достичь улучшения динамических качеств и снижения износа колеса и рельса.

Рис. 17. Осциллограммы момента силы трения на левом колпаке скользуна первой

по ходу тележки

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате проведенных исследований произведена оценка влияния упругих боковых скользунов постоянного контакта на ходовые качества грузовых вагонов, безопасность движения и износ в системе «колесо-рельс», и определены рациональные величины параметров скользунов постоянного контакта исходя из обеспечения наилучших динамических показателей и уменьшения износа колес и рельсов.

Нижеприведенные выводы, результаты и рекомендации являются основными составными частями решенной задачи:

1. Разработана улучшенная математическая модель движения грузового вагона, оборудованного боковыми упругими скользунами постоянного контакта, по прямым и кривым участкам пути. Модель реализована в программном

комплексе «Универсальный механизм» в виде системы твердых тел, связанных между собой шарнирами и силовыми элементами.

2. Разработана полностью параметризованная, обобщенная расчетная схема и математическая модель бокового упругого скользуна постоянного контакта, адаптированная к изменению параметров и позволяющая моделировать различные варианты конструктивного исполнения и технического состояния таких скользунов.

3. Разработанная математическая модель движения вагона обладает высокой степенью детализации и учета реальной геометрии тел, что позволяет использовать ее для изучения влияния параметров боковых скользунов постоянного контакта грузового вагона на динамику и безопасность движения подвижного состава с учетом возникающих в эксплуатации взносов и повреждений деталей и узлов тележки.

4. Верификация работы клинового гасителя колебаний и упругих боковых скользунов постоянного контакта показала хорошую сходимость полученных результатов проведенных исследований, с результатами ранее проведенных исследований. Сопоставление результатов компьютерного моделирования и экспериментальных данных по показателям динамики и безопасности движения показало их удовлетворительную сходимость. При этом их расхождения не превышают 10-15%, что свидетельствует о достоверности полученных результатов расчетов.

5. На основании результатов численных экспериментов и последующего анализа всех оцениваемых показателей определена рациональная величина параметра вертикальной жесткости упругого элемента боковых скользунов постоянного контакта. По условиям получения наилучших динамических показателей вагона диапазон ее рациональных величин находится в пределах 1,5-106 - 2,3'106 Н/м при статической деформации 10 мм и 6,82-105 - 1,05-106 Н/м для деформации 22 мм.

6. Произведена оценка влияния продольной горизонтальной жесткости упругого скользуна постоянного контакта на показатели динамики, безопасности движения и износ в системе «колесо - рельс» грузовых вагонов. Исходя из результатов многовариантного компьютерного моделирования в качестве

рациональных значений горизонтальной жесткости, рекомендовано принимать значения в пределах от 5-106 Н/м до 10-106 Н/м.

7. Результаты многовариантных расчетов, выполненных для вагона, оборудованного упругими скользунами постоянного контакта с выбранными рациональными параметрами, показывают улучшение основных оцениваемых показателей при движении по прямолинейным и криволинейным в плане участкам пути по сравнению с вагоном с жесткими скользунами с зазором 4 мм. Усредненный эффект по показателям безопасности порожнего вагона составляет 31% для прямой, 7% для кривой R=650m и 8% - для кривой R=350m. Усредненный эффект по углам поворота надрессорной балки при движении порожнего вагона по прямому участку пути составил 53%.

8. Уменьшение износа в контакте колеса с рельсом при наличии упругого скользуна составляет 45% - для прямой в порожнем режиме, 26% - для прямой в груженом режиме, 17% - для кривой R=650m в порожнем режиме, 24% - для кривой R=650m в груженом режиме, 18% - для кривой R=350m в порожнем режиме и 27% - для кривой R=3 50м в груженом режиме.

9. Расчеты по оценке влияния каткового механизма упруго-каткового скользуна на оцениваемые параметры показали, что наличие в нем ролика способствует снижению момента сил трения между скользуном кузова и скользуном надрессорной балкой при движении по кривой R=350m до 22%, а уменьшение по основным показателям составляет 3-11%. В этой связи, внедрение в конструкцию тележек грузовых вагонов упругокатковых скользунов позволяет достичь улучшения динамических качеств и снижения износа колеса и рельса.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Петров Г.И., Адильханов Е.Г., Секерова Ш.А. Оценка скользунов постоянного контакта// Мир транспорта, №1, 2011 г. - с. 28-37.

2. Петров Г.И., Адильханов Е.Г., Секерова Ш.А. Влияние отступления геометрии пути на динамику полувагона // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения, №1,2011 г. - с. 72-78.

3. Адильханов Е.Г., Секерова Ш.А. Динамика грузовых вагонов при торможении // Мир транспорта. №3,2011 г. - с. 62-69.

Другие статьи и материалы конференций:

1. Петров Г.И., Адильханов Е.Г., Секерова Ш.А., Игембаев Н.К. Влияние отступления геометрии пути на динамику грузового вагона Ч Безопасность движения поездов: труды десятой научно-практической конференции. - М: МИИТ. - 2009 - с. УН-З.

2. Филиппов В.Н., Петров Г.И., Игембаев Н.К., Адильханов Е.Г. Анализ по изменению норм содержания верхнего строения пути.// Десятая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов», Труды научно-практической конференции - М.гМИИТ, 2009.- с. УН-6.

3. Петров Г.И., Игембаев Н.К., Адильханов Е.Г., Секерова Ш.А. Результаты компьютерных расчетов по выбору рациональных параметров демпфирования опытной скоростной тележки модели 18-9945 для дпиннобазных вагонов.// Одиннадцатая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов», Труды научно-практической конференции - М.гМИИТ, 2010.- с. VII-! 1.

4. Адильханов Е.Г., Секерова Ш.А., Мусаев Ж.С. Моделирование клинового гасителя колебаний тележек грузовых вагонов в программном комплексе «Универсальный механизм»//Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций. №6, 2010 г. - с. 26-31.

5. Анисимов П.С., Адильханов Е.Г., Секерова Ш.А., Игембаев Н.К. Динамика сцепа в смешанных грузовых поездах при торможении // Безопасность движения поездов: труды одиннадцатой научно-практической конференции. -М.: МИИТ.-2010.-c.VH-3.

6. Петров Г.И., Анисимов П.С., Адильханов Е.Г, Секерова Ш.А., Игембаев Н.К. Преимущество скользунов постоянного контакта // Безопасность движения поездов: труды одиннадцатой научно-практической конференции. -М.:МИИТ,-2010.-с. УИ-З.

7. Секерова Ш.А., Адильханов Е.Г., Мусаев Ж.С. Анализ научно-исследовательских работ по продольной динамике грузового поезда // Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций. №6,2010г.-с.32-37.

8. Солоненко В.Г., Секерова Ш.А., Адильханов Е.Г. Анализ конструкций современных поглощающих аппаратов // Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций. №6,2010 г. - с. 37-42.

АДИЛЬХАНОВ ЕРЖАН ГАЗИЗОВИЧ

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ БОКОВЫХ ОПОР КУЗОВА НА БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ И ИЗНОС В КОНТАКТЕ КОЛЕСА И РЕЛЬСА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

Подписано в печать 06Р2.£О& г. Тираж 80 экз. Заказ №

Объем 1.5 п.л. Формат 60*84/16

127994, Россия, г. Москва, ул. Образцова, дом 9, стр. 9., УПЦ ГИ МИИТ

61 12-5/2336

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный университет путей сообщения

На правах рукописи

АдильхановБржан Газизович

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ БОКОВЫХ ОПОР КУЗОВА НА БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ И ИЗНОС В КОНТАКТЕ КОЛЕСА И РЕЛЬСА

Специальность 05.22.07 -Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Д.т.н., профессор Г.И. Петров

Москва-2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 5

1 ОБЗОР РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........... 10

1.1 Анализ исследований динамики подвижного состава и его взаимодействие с ж.д. путем........................................................ 10

1.2 Анализ конструктивных особенностей боковых опор тележек грузовых вагонов, применяемых в вагоностроении......................... 23

1.3 Анализ программных комплексов для моделирования динамики 29 подвижного состава и его взаимодействия с ж.д. путем..................

1.4 Постановка цели и задач исследования................................... 32

2 ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА НА ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ ТЕЛЕЖКАХ............................................ 35

2.1 Расчетная схема грузового вагона и выбор системы координат.... 37

2.2 Описание силовых элементов, используемых в модели вагона..... 43

2.3 Описание модели вагона..................................................... 48

2.3.1 Моделирование конструктивных особенностей трехэлементных тележек............................................................... 53

2.4 Выбор показателей для оценки влияния параметров боковых скользунов на динамические качества грузовых вагонов, безопасность движения и износ в системе колесо и рельс.................. 64

Выводы по разделу 2.................................................................... 70

3 ВЕРИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ. ТЕСТОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ И СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ......................................... 71

3.1 Верификация работы фрикционных гасителей колебаний.......... 71

3.2 Верификация работы скользунов и узла пятник-подпятник......... 77

3.3 Тестовое моделирование движения и сравнение результатов с экспериментальными данными............................................... • • 81

Выводы по разделу 3.................................................................... 88

4 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ БОКОВЫХ СКОЛЬЗУНОВ ПОСТОЯННОГО КОНТАКТА ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ КАЧЕСТВА, БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ И 89 ИЗНОС В СИСТЕМЕ КОЛЕСО-РЕЛЬС..........................................

4.1 Оценка влияния вертикальной жесткости и предварительной нагрузки упругого элемента боковой опоры на ходовые качества грузового вагона................................................................... 90

4.2 Оценка влияния продольной жесткости упругого элемента скользуна постоянного контакта.................................................. 114

4.3 Результаты моделирования движения вагона, оборудованного боковыми опорами с выбранными величинами параметров...... ....... 125

4.4 Оценка наличия ролика упругокаткового скользуна.................. 132

Выводы по разделу 4.................................................................... 140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................... 141

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................ 144

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Иллюстрация моделирования сил трения на поверхностях фрикционного гасителя колебаний двухосного действия (к

разделу 3)................................................................................... 170

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Зависимости и таблицы численных значений компьютерного моделирования движения цистерны при оценке влияния вертикальной жесткости упругого элемента скользуна постоянного

контакта (статическая деформация 10 мм) (к разделу 4)........................ 177

ПРИЛОЖЕНИЕ В - Зависимости и таблицы численных значений компьютерного моделирования движения цистерны при оценке влияния вертикальной жесткости упругого элемента скользуна постоянного

контакта (статическая деформация 22 мм) (к разделу 4)........................ 208

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Зависимости и таблицы численных значений компьютерного моделирования движения цистерны при оценке влияния продольной жесткости упругого элемента скользуна постоянного контакта (к разделу 4)................................................................... 239

ВВЕДЕНИЕ

Территория Российской Федерации становится одним из основных транспортных коридоров для доставки грузов из Юго-Восточной Азии и Дальнего Востока в Европу, что ведет к росту объемов железнодорожных перевозок и вызывает необходимость повышать эффективность работы дорог ОАО «РЖД», как при перевозке грузов, так и при ремонте подвижного состава и пути. В связи с этим, необходимо решение вопросов увеличения грузоподъемности вагонов, межремонтного пробега и допускаемых скоростей движения без ущерба для безопасности движения.

Вот уже более 50 лет грузовые вагоны эксплуатируются на тележках модели 18-100, которые, изначально, были спроектированы под осевую нагрузку 20,5 т. За это время осевая нагрузка без внесения каких-либо серьезных изменений в конструкцию тележки была увеличена до 23,5 т. Однако, с увеличением нагрузки на ось режим работы тележек начал отличаться от расчетного и стали проявляться конструктивные недостатки, которые приводят к возникновению значительных сил в зоне контакта колеса и рельса, интенсивному и неравномерному износу пар трения, недостаточно демпфируемым колебаниям вагона в движении.

В течение последних 10 лет многие научно-исследовательские и конструкторские организации решают данную задачу путем создания грузовых вагонов нового поколения с повышенными осевыми нагрузками и увеличенным межремонтным пробегом. Основные конструктивные решения, к которым прибегает вагоностроительная промышленность при создании тележек нового поколения это - применение упругих адаптеров между буксой и боковиной, скользунов постоянного контакта, билинейного рессорного подвешивания и др.

Опыт эксплуатации показывает, что существующая традиционная схема опирания кузова грузового вагона на ходовые части не обеспечивает безопасную эксплуатацию подвижного состава, что проявляется в

склонности к вилянию и потере устойчивости во время движения на прямых участках пути и в пологих кривых. В практике эксплуатации отечественного подвижного состава имеются факты сходов исправных порожних грузовых вагонов на исправной рельсовой колее, при отсутствии нарушений в режимах вождения поездов из-за повышенной извилистости.

Вагоностроительная промышленность старается решить рассмотренную проблему за счет внедрения в конструкцию грузовых вагонов дополнительных устройств, к которым относятся скользуны постоянного контакта, способствующие увеличению момента сил трения между кузовом и тележкой. Внедрение беззазорных боковых скользунов постоянного контакта, сопряжено с необходимостью исследования влияния опор данного типа на показатели динамики, безопасности движения и износа в контакте колеса и рельса и выбора рациональных значений параметров опор с учетом норм содержания пути и ходовых частей. Однако, на данный момент, большинство, применяющихся в практике отечественного вагоностроения, вариантов конструкции боковых опор кузова непрерывного контакта являются разработками зарубежных фирм. При этом, не смотря на наличие теоретических исследований, результатов испытаний и стендовых экспериментов, на сегодняшний день, не существует математических моделей, позволяющих с достаточной точностью моделировать движение грузового вагона, оборудованного опорами данного типа и производить выбор параметров скользунов постоянного контакта, в связи с этим параметры упругих элементов, часто выбираются идентичными своим зарубежным аналогам. В современных условиях, требующих анализа значительного количества вариантов без изготовления опытных образцов, большое значение приобретает разработка численных аналогов опор и выбор рациональных значений параметров боковых опор кузова, основанных на результатах численных экспериментов на имитационных моделях. Современное развитие средств вычислительной техники и методов имитационного моделирования делает возможным решение подобных задач

на основании численных экспериментов на математических моделях, что позволяет снизить экономические затраты и уменьшить временные сроки решения.

Исходя из вышесказанного, вытекает необходимость в разработке уточненной математической модели движения грузового вагона по прямым и криволинейным участкам пути и определения рационального диапазона параметров боковых опор кузова, с учетом особенностей конструкции, эксплуатации и норм содержания подвижного состава и пути отечественных железных дорог.

В настоящей работе объектом исследования является грузовой вагон, оборудованный боковыми скользунами постоянного контакта, учитывающий все геометрические и инерционные характеристики реальных аналогов. Предметом исследования являются показатели динамики, безопасности движения и износа в системе колесо и рельс.

Цели и задачи работы. Цель данной диссертационной работы заключалась в исследовании показателей динамики, безопасности движения и износа колеса и рельсов при наличии упругих скользунов постоянного контакта, а также в определении диапазона рациональных значений параметров упругих скользунов.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие научные задачи:

- проведен анализ конструкций современных боковых упругих скользунов постоянного контакта;

- разработана уточненная математическая модель движения грузового вагона, оборудованного упругими скользунами постоянного контакта, по прямым и кривым участкам железнодорожного пути;

- разработана математическая модель упругого скользуна постоянного контакта, позволяющая учитывать геометрические, упруго-диссипативные и трибологические параметры опоры, а также с высокой точностью моделировать упругокатковые скользуны.

- для проверки адекватности и точности предложенной уточненной математической модели автором проведены сравнительный анализ полученных расчетных данных и сопоставление их с экспериментальными данными;

- проведен системный анализ влияния параметров упругих боковых скользунов постоянного контакта на динамические характеристики грузового вагона и параметры износа в системе колесо - рельс;

- на основании численных экспериментов определен диапазон рациональных величин параметров скользунов постоянного контакта по условию получения наилучших динамических параметров грузового вагона.

Общая методика исследований построена на методах планирования экспериментов, аналитической механики, имитационного моделирования и положений теории взаимодействия подвижного состава и пути. В качестве математического аппарата использована аналитическая программная среда синтеза уравнений движения «Универсальный механизм».

Научная новизна работы заключается в разработке уточненной, параметризированной математической модели движения грузового вагона, оборудованного упругими скользунами постоянного контакта по прямым и криволинейным участкам пути. Разработанная модель позволяет:

- проводить широкий спектр исследований динамических характеристик грузовых вагонов основных типов, оборудованных упругими скользунами постоянного контакта при движении по участкам железнодорожного пути с произвольным очертанием с учетом воздействия неровностей рельсовых нитей;

- оценивать влияние отклонений в размерах деталей вагона и износов отдельных элементов ходовых частей на динамические показатели и безопасность движения грузовых вагонов;

- оценивать влияние отклонений в техническом состоянии рельсовой колеи в прямых и криволинейных участках пути на динамические показатели грузового вагона;

- осуществлять подбор рациональных параметров геометрических, инерционных, жесткостных и демпфирующих характеристик элементов грузового вагона и тележки.

Основные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель движения грузового вагона, оборудованного упругими скользунами постоянного контакта;

- верификация разработанной модели, в частности связи кузова с тележкой и клиновой системы гашения колебаний;

- оценка влияния основных параметров упругих боковых скользунов постоянного контакта на безопасность движения и износ колеса и рельса;

- результаты исследований по выбору рациональных параметров упругих скользунов постоянного контакта;

- оценка влияния каткового механизма упругокаткового скользуна на безопасность движения и износ колеса и рельса.

Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обусловлена корректностью применяемых автором математических методов, обоснованностью принятых допущений, большим объемом имитационных экспериментов и обоснованием адекватности разработанных математических моделей, выполненным путем сравнения расчетных и экспериментальных данных.

Практическая ценность проведенных исследований.

1. Разработанная в работе уточненная математическая модель грузового вагона, оборудованного упругими боковыми скользунами постоянного контакта, позволяет уже на стадии проектирования определять диапазоны рациональных значений основных характеристик опор данного типа при минимальных затратах времени и средств на экспериментальные исследования, выполнять оценку динамических характеристик грузовых вагонов, оборудованных скользунами постоянного контакта, а также проведение мероприятий по модернизации.

2. Методами компьютерного моделирования выполнены исследования влияния параметров упругих скользунов постоянного контакта на ходовые качества грузовых вагонов, безопасность их движения и износ в системе «колесо-рельс», а также выбраны значения параметров боковых скользунов постоянного по условиям получения наилучших оцениваемых показателей.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на 1X^X11 Международной научно-практической конференции «Безопасность движе-ния поездов» МИИТ, 2008^-2011 гг., г. Москва; заседаниях кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» МГУПСа в 2008-2011 гг., г. Москва.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе три работы входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК России.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов по результатам исследований, 4-х приложений и списка использованной литературы, включающего 246 наименований, изложена на 142 страницах и поясняется 120 рисунками, 24 таблицами.

Автор выражает признательность научному руководителю Г.И. Петрову за помощь и поддержку в работе, а также сердечно благодарит профессоров П.С. Анисимова, В.Н. Филиппова, Д.Ю. Погорелова за ценные научные консультации при подготовке работы.

1 ОБЗОР РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ исследований динамики подвижного состава и его взаимодействие с ж.д. путем

Основными направлениями развития железнодорожного транспорта в мире, обеспечивающими его конкурентоспособность с другими видами транспорта, являются рост скоростей движения и весов поездов, снижение эксплуатационных расходов на содержание и ремонт подвижного состава, расширение номенклатуры выпускаемых типов подвижного состава, в большей мере отвечающего современным требованиям, предъявляемым к комфорту пассажиров и сохранности перевозимого груза.

Успешное продвижение по каждому из перечисленных направлений невозможно без глубокой проработки вопросов динамики подвижного состава и его взаимодействия с ж.д. путем. Одним из наиболее действенных методов решения перечисленных выше задач является применение современных алгоритмов и вычислительных программ, моделирующих движение железнодорожных экипажей адекватное их реальному движению. Это позволит существенно сократить сроки и затраты на создание и доработку экипажей нового поколения и модернизацию существующего. Исследовать в неизмеримо более полном объеме влияние параметров инерции, жесткости, демпфирования, отклонений в содержании рельсовой колеи, деталей и узлов ходовых частей на динамические качества экипажа, нагруженность его несущих узлов, износные характеристики пар трения фрикционных узлов тележки, колеса и рельса, безопасность движения рельсовых экипажей. Находить рациональные сочетания параметров экипажа, обеспечивающие требуемый уровень его динамических показателей, оценивать эффективность различных конструктивных решений, управлять процессом износа в системе «колесо - рельс», а также многое другое.

Основной задачей в решении проблемы безопасности движения рельсового экипажа является поиск эффективных методов и средств, позволяющих с большой точностью описывать динамические процессы, возникающие при движении поездов по реальным участка