Введение к работе
Актуальность темы. Ведущая роль в транспортном комплексе Украины по-прежнему сохраняется за железными дорогами. При этом важной задачей остается обеспечение безопасности железнодорожных перевозок грузов, в особенности, экологически опасных, повреждение которых может причинить непоправимый ущерб населению и окружающей среде. К сожалению, несмотря на все предпринимаемые меры, полностью исключить аварии на железнодорожном транспорте пока не удается. В этой связи возрастает роль научно-исследовательских работ в области динамики подвижного состава по исследованию условий устойчивости грузовых вагонов и анализу динамичесхих процессов, протекающих в системе вагон-путь при аварийных режимах движения, характеризующихся сходом вагонов с рельсов и их опрокидыванием.
Для установления допускаемых скоростей движения новых и модернизируемых вагонов колеи 1520мм применяется система критериев, сложившихся, главным образом, на основе квазистатического представления о силовом воздействии, которому подвергаются взаимодействующие элементы вагонов и пути. В настоящее время накоплен значительный опыт решения задач динамики подвижного состава методами математического моделирования, что создает предпосылки для уточненного подхода к оценке безопасности движения вагонов.
Первые фундаментальные исследования динамики железнодорожного подвижного состава связаны с именами выдающихся ученых - механиков Н.П.Петрова, Н.Е.Жуковского и СП. Тимошенко. Созданию основ теории колебаний и устойчивости движения рельсовых экипажей посвятили свои труды М.В. Винокуров, A.M. Годыцкий-Цвирко, В.Н. Данилов, С.М. Куценко, В.А.Лазарян, В.Б. Медель, И.И. Челноков.
Существенный вклад в развитие методов исследования условий безопасности движения локомотивов и вагонов внесли П.С. Анисимов, Е.П. Блохин, Ю.П.Бороненко, М.Ф. Вериго, СВ. Вершинский, А.Л. Голубенке Л.О. Грачева, В.Д. Данович, Ю.В. Демин, А.Я. Коган, М.Л. Коротенко, Н.Н. Кудрявцев, А.А. Львов, Л.А. Манашкин, Н.А. Радченко, С.Ф. Редько, Ю.С Ромен, О.М. Савчук, М.М. Соколов, В.Ф. Ушкалов, В.Н. Филиппов, А.А. Хохлов, В.Д. Хусидов, Ю.М. Черкашин и другие ведущие ученые в области механики железнодорожных транспортных средств.
При оценке динамических качеств грузовых вагонов определяются нормируемые показатели: вертикальные и горизонтальные ускорения кузова, коэффициенты горизонтальной и вертикальной динамики, а также коэффициенты запаса устойчивости вагона от схода с рельсов и от опрокидывания. По этим величинам определяются условия нормальной эксплуатации вагонов. В тоже время, представляет интерес исследование устойчивости вагонов при экстремальных режимах движения, когда показатели безопасности движения превышают допускаемые значения.
Анализ работ, посвященных исследованию причин крушений грузовых вагонов, показал, что одной из наиболее распространенных аварий, вызывающей серьезные повреждения конструкций вагонов и транспортируемых грузов, является выжимание вагонов в кривых при торможении поезда. Поэтому проблема прогнозирования условий динамической устойчивости вагонов в кривых от схода с рельсов и опрокидывания, определяющейся динамическим поведением экипажа в колее под действием продольных сжимающих сил, является актуальной.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась согласно с планами поисковых НИР, утвержденными Президиумом Национальной академии наук Украины: тема №28 "Разработка методов исследования и моделирования динамики систем твердых тел и деформируемых конструкций, содержащих ограниченные объемы жидкости"; тема №54 "Исследование динамической нагруженности и безопасности движения средств транспортировки опасных грузов"; тема №115 "Динамические качества и безопасность движения железнодорожных транспортных средств"; тема №216 "Математическое моделирование и исследование динамики многомерных систем, в том числе взаимодействующих с жидкой средой".
Целью исследования является прогнозирование условий динамической устойчивости грузовых вагонов при действии продольных сжимающих сил, возникающих при торможении поезда, а также определение предельных значений этих сил, вызывающих сход вагона с рельсов и его опрокидывание. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
разработать математическую модель вынужденных пространственных колебаний вагона, позволяющую исследовать предаварийные режимы его движения;
разработать программное обеспечение для интегрирования полученных уравнений движения;
с помощью разработанного программного комплекса исследовать экстремальные режимы движения грузовых вагонов в кривых при различных скоростях движения с учетом действия сжимающих сил в автосцепках.
Научная новизна полученных результатов.
Разработана математическая модель пространственных колебаний грузовых вагонов в кривых с учетом действия продольных сжимающих сил, позволяющая исследовать движение вагона до момента достижения критических перемещений, когда уже одни только силы тяжести без дополнительных боковых возмущений неминуемо приводят к его опрокидыванию, либо до момента падения колеса на основание пути. При моделировании учтены следующие уточняющие факторы:
переменность структуры системы, обусловленная потерей некоторых связей элементов конструкции в процессе движения экипажа (пятник-подпятник, надрессорная балка - нижний пояс боковины, букса - боковина, колесо - рельс), а также появлением новых связей (надрессорная балка - верхний пояс боковины, скользун кузова - скользун тележки);
возможный подъем гребня колеса на головку рельса с последующим его падением на железнодорожное полотно.
С помощью разработанной математической модели исследовалась динамическая устойчивость грузовых вагонов при экстремальных режимах движения, когда значения коэффициентов запаса устойчивости от схода с рельсов и опрокидывания выходят за рамки допустимых.
Практическая ценность полученных результатов. Предложенная методика оценки динамической устойчивости вагонов в поездах позволяет определять предельные значения продольных сжимающих сил, превышение которых создает аварийную ситуацию.
Проведенные исследования позволили установить влияние на динамическую устойчивость вагонов следующих факторов: скорости движения; расположения осей автосцепок относительно продольной оси вагона; радиуса криволинейного участка пути; действия ветра; подвижности жидкого груза.
Разработки по теме диссертации использованы при проведении исследований с целью выдачи рекомендаций относительно установления допустимых скоростей движения вагонов-цистерн типа 15-1443, заполненных карбомидо-аммиачной смесью с большим недоливом.
Личный вклад соискателя в получение результатов, изложенных в диссертации, заключается в следующем:
участие я разработке математической модели для исследования экстремальных режимов движения грузовых вагонов;
разработке алгоритма оценки динамической устойчивости вагонов;
разработка программ для реализации математических моделей на ПЭВМ;
проведение конкретных исследований по определению условий динамической устойчивости полувагонов, платформы с автопоездом и вагонов-цистерн.
Апробация результатов диссертации. Результаты работы были изложены и обсуждены на III Всесоюзной научной конференции «Проблемы развития локомотивостроения» (г. Луганск, 1990г.), на Международных научных конференциях "Проблемы механики железнодорожного транспорта" (г. Днепропетровск, 1992, 1996гг.), на I научно-практическом семинаре "Проблемы комбинированного транспорта в Украине" (г. Днепропетровск, 1995), на V Польско-Украинском семинаре "Theoretical Foundations of Civil Engineering" (г. Днепропетровск, 1997г.), на семинаре отдела "Динамика многомерных механических систем" Института технической механики НАН Украины (г. Днепропетровск, 1998г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей в сборниках научных трудов и 2 доклада на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и трех приложений. Полный объем диссертации составляет 181 страницу, в том числе 37 иллюстраций, которые занимают 17 страниц, 16 таблиц, которые занимают 5 страниц, 3 приложения, которые занимают 35 страниц и 114 наименований использованных источников, расположенных на 9 страницах.
