Россия
Россия
Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Методами компьютерного моделирования выполнен сравнительный анализ сопротивления движению и силового воздействия на путь грузовых вагонов на тележках типов 18-100 (осевая нагрузка 23,5 тс), 18-9855 (осевая нагрузка 25 тс) и 18-6863 (осевая нагрузка 27 тс) в новом и средне-изношенном состоянии при движении в груженом режиме по прямым и кривым участкам пути с неизношенными и среднеизношенными профилями рельсов.
компьютерное моделирование, грузовые вагоны, воздействие на путь, сопротивление движению
Введение
В статье представлены результаты сравнительных исследований движения грузового полувагона на тележках типа 18-100 с нагрузкой от оси 23,5 тс, типа 18-9855 с нагрузкой от оси 25 тс и типа 18-6863 с нагрузкой от оси 27 тс. С этой целью использованы модели, разработанные в программном комплексе «Универсальный механизм» (ПК «УМ») [1; 2]. Полнофункциональные модели тележек разработаны с учетом данных, приведенных в [3–9].
Модели вагонов на тележках типов 18-100, 18-9855 и 18-6863 разрабатывались средствами ПК «УМ» по единой методике (рис. 1). Это позволяет свести к минимуму относительную погрешность моделей, которая определяется в данном случае точностью численных методов. Модель вагона на тележках 18-100 образована 19 абсолютно твердыми телами (кузов, две надрессорные балки, 4 боковые рамы, 8 клиньев, 4 колесные пары) и имеет 114 степеней свободы [10]. Модели вагонов на тележках 18-9855 и 18-6863 образованы 43 абсолютно твердыми телами (кузов, две надрессорные балки, 4 боковые рамы, 16 клиньев, 8 букс, 8 адаптеров, 4 колесные пары) и имеют по 218 степеней свободы.
Инерционные характеристики кузова полувагона для тележки 18-100 соответствуют полувагону 12-132-03 с базой 8,65 м. Моменты инерции кузовов полувагонов с осевыми нагрузками 25 и 27 тс получены путем увеличения этих параметров для вагона 12-123-03 пропорционально отношению масс кузовов. Характеристики рессорного подвешивания инновационных вагонов соответствуют расчетным данным, приведенным в [7–9].
На рис. 2 - 4 показаны реализованные в моделях силовые характеристики рессорного подвешивания вагонов в графических окнах ПК «УМ», полученные моделированием теста «сброс с клиньев».
Моделировалось движение вагонов по прямым участкам пути, кривым радиусом 650 и 350 м и стрелочным переводам марок 1/9 и 1/11. Схема исследований для каждой из тележек включает четыре основных этапа для возможных сочетаний состояний тележек и пути, соответствующих новому и изношенному состояниям клиновой системы, профилей колес и рельсов. Выполнены также исследования для профиля колес вагонов с повышенным износом. Проведены контрольные расчеты на уточненных моделях контакта колес с рельсами с использованием интерфейса ПК «УМ» к программе CONTACT [11].
Учет изношенного состояния вагонов осуществлялся путем снижения эффективности фрикционных гасителей колебаний (за счет возвышения клина) и использования изношенных профилей колес. В качестве изношенного профиля применялся среднеизношенный профиль с прокатом 1,1 мм и износом гребня 3,75 мм. Кроме того, для дополнительных исследований применялся профиль с повышенным износом - с прокатом 1,4 мм и износом гребня 5,22 мм (рис. 5).
Состояние пути варьировалось за счет использования неизношенных и изношенных профилей рельса. Для прямых участков пути и внутренних рельсовых нитей в кривых принимался рельс с величиной проката 1мм, для наружных нитей в кривых в качестве изношенного использовался профиль с износом боковой поверхности 5 мм (рис. 6). В стрелочных переводах профиль рельса принимался неизношенным. В численных экспериментах неровности рельсовых нитей соответствовали пути удовлетворительного содержания.
Динамика вагона при движении в прямых и кривых участках пути оценивалась по следующим пяти показателям:
1) удельное сопротивление движению (н/кН) за счет фрикционных потерь в системе «колесо - рельс» (часть полного удельного сопротивления вагона без таких компонент, как сопротивление ветра, трение в подшипниках и т.д.);
2) рамные силы (кН);
3) боковые силы по отжатию рельса (кН);
4) вертикальные силы в контакте «колесо - рельс» (кН);
5) коэффициенты динамики вертикальных сил между колесом и рельсом.
Показатели определялись по наихудшим значениям на всех колесных парах и обрабатывались путем фильтрации процессов фильтром низких частот с частотой среза 20 Гц и оценкой максимальных величин как квантилей распределений с вероятностью 0,999 (для боковых сил - с вероятностью 0,994 без фильтрации).
Процедура осреднения показателей, необходимая для получения интегральных оценок (свертка на множестве условий функционирования), построена при следующих допущениях. Доли прямых участков, кривых с R = 650 м и R = 350 м приняты 0,82, 0,14 и 0,04 соответственно. Доля эксплуатации тележек и рельсов в среднеизношенном состоянии принята равной 0,8, а в новом - 0,2. В качестве представительных режимов принято движение вагона по прямым и кривым участкам пути радиусом 650 м со скоростями 20, 40, 60, 80 и 100 км/ч с вероятностями, представленными долями пробега. Рассмотрены два варианта распределения вероятностей скоростей. Вариант 2 соответствует режимам движения, исключающим скорость 100 км/ч, что во многих случаях соответствует реально существующим распределениям скоростей с учетом действующих ограничений. Для движения по стрелочным переводам использовались свои два варианта распределения скоростей - соответственно для переводов марок 1/9 и 1/11.
Общая схема основных исследований в виде иерархической структуры изображена на рис. 7.
Результаты исследований
Движение по прямым и кривым участкам пути. Результаты сравнительных исследований движения вагонов с различными типами тележек по прямым и кривым участкам пути в виде средневзвешенных оценок показателей представлены на рис. 8-12.
Результаты сравнительных исследований движения вагонов с различными типами тележек по прямым и кривым участкам пути позволяют сделать следующие выводы:
- Вагон на тележках типа 18-100 в среднем имеет меньшее удельное сопротивление движению, вызванное силами фрикционного взаимодействия колес с рельсами, чем вагоны на тележках типов 18-9855 и 18-6863: на 10 и 13 % соответственно при оценке по варианту 1; на 15 и 18 % соответственно при оценке по варианту 2 (рис. 8).
- Вагон на тележках типа 18-100 имеет примерно одинаковый с вагонами на тележках типов 18-9855 и 18-6863 средневзвешенный уровень максимальных рамных сил в случае оценки по варианту 1 и меньший уровень рамных сил, чем вагоны на тележках типов 18-9855 и 18-6863, в среднем на 6 и 7 % соответственно в случае оценки по варианту 2 (рис. 9).
- Вагон на тележках типа 18-100 имеет меньший уровень боковых и вертикальных сил, чем вагоны на тележках типов 18-9855 и 18-6863 (рис. 10, 11).
- Вагон на тележках типа 18-100 имеет преимущество перед вагоном на тележках 18-9855 по величине коэффициентов динамики в среднем на 5-6 % и незначительно уступает вагону на тележках типа 18-6863 по варианту 2 (рис. 12).
Движение по стрелочным переводам. Результаты сравнительных исследований движения вагонов с различными типами тележек по стрелочным переводам марок 1/9 и 1/11 в противошерстном направлении в виде средневзвешенных оценок максимальных рамных сил, боковых сил по отжатию рельса и вертикальных сил между колесом и рельсом представлены ниже на рис.
13-
15.
Представленные результаты сравнительных исследований движения вагонов с различными типами тележек по стрелочным переводам позволяют сделать следующий вывод. Вагон на тележках 18-100 оказывает существенно меньшее силовое воздействие на путь при прохождении стрелочных переводов (оцениваемое рамными силами, боковыми силами отжатия рельсов, вертикальными силами от колес на рельсы), чем вагоны на тележках типов 18-9855 и 18-6863.
Особенности движения вагона на тележках 18-100 с высокими скоростями. Моделирование показало склонность к потере устойчивости груженого вагона на тележках 18-100 со среднеизношенным профилем колес при скоростях движения выше 80 км/ч. На рис. 16 приведен характерный график зависимости среднеквадратического отклонения (СКО) поперечных смещений колеса относительно рельса от скорости движения в прямой. Из графика видно, что мощность процесса боковых колебаний начинает интенсивно нарастать при скоростях свыше 80 км/ч.
Характерные осциллограммы рамных сил для скорости 80 км/ч (до потери устойчивости), 86 км/ч (устойчивость теряется на некоторых участках пути) и 100 км/ч (полная потеря устойчивости) в одном масштабе показаны на рис. 17.
Для оценки влияния износа профиля колес и величины неровностей пути были выполнены исследования вагонов с сильно изношенными профилями колес (рис. 5б) при движении по пути с неровностями, соответствующими пути удовлетворительного и хорошего содержания. Результаты этих исследований для скорости движения 100 км/ч показали, что при движении вагона на тележках типа 18-100 по пути с удовлетворительным содержанием с сильно изношенными профилями колес возможно нарушение норм по боковому воздействию на путь (в данном случае - по рамным силам, равным 102 кН, при допустимых значениях для типовой конструкции пути 0,4.Рст = 92,2 кН [12]). На пути хорошего содержания этого не наблюдается.
Заключение
Вагон на тележках типа 18-100 с осевой нагрузкой 23,5 тс в среднем оказывает меньшее силовое воздействие на путь и имеет меньшее удельное сопротивление движению, вызванное фрикционным взаимодействием в контактах «колесо - рельс», чем инновационные вагоны на тележках типов 18-9855 и 18-6863 с осевыми нагрузками 25 и 27 тс соответственно. Это преимущество реализуется при движении по прямым и кривым участкам пути, а также стрелочным переводам.
Преимущества инновационных вагонов проявляются на скоростях движения свыше 80 км/ч при движении в прямых участках пути и пологих кривых.
Приведенные оценки основаны на предположении об отсутствии режимов движения груженых вагонов на тележках типа 18-100 со скоростями свыше 100 км/ч (вариант 1) и свыше 80 км/ч (вариант 2).
1. Сайт «Универсальный механизм». - Режим дос-тупа: http://www.universalmechanism.com.
2. Pogorelov, D.Yu. Simulation of rail vehicle dynamics with Universal Mechanism software / D.Yu. Pogorelov; A. Sladkowski (ed.) // Rail Vehicle Dynamics and Associated Problems. - Gliwice, 2005. - P. 13-58.
3. Коссов, В.С. Оценка воздействия на путь грузовых вагонов с осевыми нагрузками 23,5 и 25 тс / В.С. Коссов, А.А. Лунин, О.Г. Краснов, А.В. Спиров // Железнодорожный транспорт. - 2018. - № 3. - С. 63-68.
4. Дмитриев, С.В. О втором этапе подконтрольной эксплуатации инфраструктуры участка Качка-нар - Смычка под полувагонами с осевой на-грузкой 27 тс / С.В. Дмитриев, В.С. Лесничий, Р.А. Савушкин [и др.] // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2018. - Т. 53. - № 1. - С. 27-29.
5. Лосев, Д.Н. Результаты эксплуатации тихвинских вагонов за пять лет / Д.Н. Лосев // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2017. - № 3. - С. 18-19.
6. Результаты поездных испытаний тележки 18-9855. - Режим доступа: http://www.ttcenter.ru/about-company/vnictt-publishing/rezultatyi-poezdnyix-ispyitanij-telezhki-18-9855.html.
7. Гусев, А.В. Особенности конструкции и расчета рессорного подвешивания перспективных теле-жек грузовых вагонов / А.В. Гусев. - Режим доступа: http://opzt.ru/sites/default/files/files/zhiznennyy_cikl _ pruzhin_podvizhnogo_sostva_zheleznodorozhnogo_transporta._sovremennye_metody_povysheniya_ekspluatacionnogo_sroka.pdf.
8. Орлова, А.М. Совершенствование рессорного подвешивания грузовых вагонов для повышения осевых нагрузок / А.М. Орлова, Е.А.Рудакова, А.В. Гусев // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: материалы ХII междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: ЦТТ, 2017.
9. Щербаков, Е.А. Конструкция и результаты испытаний тележки модели 18-6863 с осевой нагрузкой 27тс / Е.А. Щербаков, В.С. Бабанин, И.В. Турутин // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: материалы ХII меж-дунар. науч.-техн. конф. - СПб.: ЦТТ, 2017.
10. Kovalev, R. Freight car models and their computeraided dynamic analysis / R. Kovalev, N. Lysikov, G. Mikheev [et al.] // Multibody Syst. Dyn. - 2009. - V. 22. - P. 399-423.
11. Vollebregt & Kalker's rolling and sliding contact model. - Режим доступа: https://www.kalkersoftware.org/.
12. ГОСТ Р 55050-2012. Нормы допустимого воздействия на железнодорожный путь и методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2013.
