Введение к работе
Актуальность проблемы. Успешное выполнение задач, поставленных перед железнодорожным транспортом по полному и своевременному удовлетворению потребностей населения и народного хозяйства страны в перевозке различных грузов, обусловливает значительное увеличение скоростей движения и веса поездов, повышение интенсивности использования подв;шюго состава, создание новых совершенных конструкций вагонов, обладающих при минимальной материалеемкости высокой несущей способностью и надежностью в эксплуатации.
В этой связи существенно возрастает роль специализированных вагонов, предназначешшх обеспечить не только максимальную грузоподъемность, ко такие сохранность и минимальные потери грузов при их транспортировке, выполнении логрузочно-разгрузочных работ.
Рост объемов перевозок по хелоэнш дорогам нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, кислот, щелочей, плодоовощных соков и т.д. определяет повышенные требования к конструкциям специализированного подвійного состава, предназначенным для транспортировки жидких грузов. В соответствии с планами экономического и социального развития страны, начиная с двенадцатой пятилетки и в перспективе до 2000 года, реализуется обширная программа технического перевооружения существующего парка вагонов, направленная на создание новых большегрузных вагонов-цистерн с увеличенным диаметром котла и повышенными осевыми нагрузками. Постановлениями директивних органов предусматривается также организация производства по выпуску крупнотоннажных контейнеров-цистерн, с помощью которых в соответствии с рекомендациями ПромтраисНШ'лроект Госстроя СССР к 2000-му году в стране должна осуществляться перевозка порядка і млн.тонн жидких грузов.
Создание конструкций цистерн с необходимыми технико-экономическими характеристиками в значительной мере связано с использованием научно обоснованных решений, полученных на базе современных методов исследований.
Данная работа направлена на решение проблемы прогнозирования динамической нагруденности элементов перспективных конструкций вагонов-цистерн ц специализированных коптопнаров-цлстзрн с учетом воздействия транспортируемого кпдкого груза при ударных нагрузках, возшкаодих при маневровых операциях и переходных режимах движения поездов. Ужесточение условий експлуатації:! приводит к интенсивному
росту указанных нагрузок, которые могут достигать значений, опасных по условиям прочности конструкции вагона и устойчивости от выдавливания его из состава. Б отличие от других типов вагонов, нагруженнссть элементов конструкции вагонов-цистерн и транспортируемых на платформах контейнеров-цистерн при ударах в автосцепку во многом зависит от поведения жидкого груза, имеющего свободную поверхность. Уровни эксплуатационных недоливов котлов цистерн для различных жидкостей, обусловленные специфическими свойствами грузов и техническими требованиями их транспортировки, находятся, как правило, в диапазоне 0,1-0,5 радиуса є.улсости, что при продольных ударах приводит к движению скидкой среды и появлению в ряде случаев значительных нагрузок на котел, а такта на узлы его крепления и другие несущие элементы конструкции. Кроме того, колебания кидкого груза в котлах цистерн, находящихся в составе поезда, оказывают влияние на формирование динамических усилий," возникающих в его меж-вагонных соединениях в процессе движения. Используемые в настоящее время и положенные в основу "Норм для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МнС колеи 1520 мм (не самоходных)" методики не учитывают подвижность кидкого груза, что не может не влиять на результаты оценок напряженно-дефор.чпрованно-го состояния конструкции и имеет особое значение при обеспечении сохранности цистерн и перевозишх жидкостей. В связи с этим актуальным является проведение целенаправленных теоретических п экспериментальных исследований гидродинамических нагрузок, возникающих в цистернах при ударах в автосцепку.
цель'п цисоортац-іи является разработка и обоснование методов моделирования и исследования динамической нагруженностп элементов конструкций цистерн с учетом колебаний транспортируемых жидких грузов при маневровых соударениях и переходных режимах движения поездов, направленных на создание перспективных с у.>,уч:::енш.к.:н тсх-нпко-оконо.!ическп'/и показателя:.:;! и уменьшенной металлоемкостью специализированных вагонов и контейнеров для перевозки хидких, е том числе экологически опасных, грузов'.
Для достижения отой цели были сгор:.:./лнрогани следуюі,.:е задачи: 1) построен/о уточненных математических ючелоп цистерн, позволяющих прогноз.:рспать погруженность алиментов конструкции при ударах в автосш'-Гії'" с учете; гюдвнжност.і транспортируемого жидкого груза; І!) ;::>:,;.>...:: ..і-'..'. г.прот,:ііГ'л'ічоС''..л ік^а'-.ч :.оь системы писп L па-жпдкесть;
3) совершенствование стендового оборудования и разработка методик экспериментального определения гидродинамических характеристик и нагружешгости емкостей, частично заполненных жидкостью, при гармонических и ударных воздействиях; 4) создание математического обеспечения для исследования процессов соударения цистерн с учетом плоских колебании экппа'кей и специфики работы межвагонных соединений; 5) исследование особенностей гидродинамических процессов,протекающих в котлах железнодорожных цистерн при ударах в автосцепку; 6) определение иагружениости конструкций нагонов-цистерн и контейнеров-цистерн при продольных ударах; 7) исследование усилий, возші-кающих в ме;;'.вагокных соединениях поездов, в составе которых находятся цистерны, при переходных режимах движения; 0) разработка методики оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкций цистерн при продолышх ударах в случаях замены одного хищного груза другім; 9) решение конкретных задач и разработка практических рекомендаций по использованию предложенных методов при создании перспективных специализированных вагонов и контейнеров для жидких грузов.
Обіїьтя методика исследований. В основу работы положен комплексный подход, заключающийся в эффективном сочетании теоретических и экспериментальных методов исследования. Теоретической базой работы являлись современные представления о колебаниях вагонов и грузов, как существенно нелинейных контипуачьно-диекретных механических систем. Составление математических моделей осуществлялось на основе методов аналитической механики. Решение гидродинамических задач базировалось на использовании вариационных методов, при этом особое внимание уделялось выбору систем координатных функций. При проведении опытов в реальных условиях использовались современные методы тензометрии и статистической обработки экспериментальных данных. В лабораторных исследованиях на специально разработанных стендах применялись также методы физического моделирования и скоростной кинофотосъемки. Результаты теоретических исследований и полученные с помощью динамически подобных физических моделей сопоставлялись с данными натурных экспериментов.
Научная новизна. Совокупность разработанных в диссертации научных положили и полученных результатов представляет собой теоретическое обобщение и решение научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и связанной с созданием перспективных конструкций вагонов-ипстерн и специализированных контейнеров для
жидких грузов путем выбора их параметров на основе прогнозирования динамической нагружешости элементов конструкции при ударах в автосцепку с учетом воздействия транспортируемого жидкого груза.
В диссертации построены мохглическио модели-аналоги железнодорожной цистерны, учитывающие подвижность транспортируемой жидкости при пространственных колебаниях котла и позволяющие рассматривать его движение в вертикальной продольной, вертикальной поперечной плоскостях и яри вращении вокруг вертикальной оси. Разработан алгоритм и получены формулы для вычисления гидродинамических параметров указанных механических моделей с использованием объемных сферических функций, обеспечивающих эффективную численную реализацию с помощью ЭВ;'.1.
На основе специально созданного стендового оборудования разработана методика проведения испытаний емкостей с жидкостью при гармонических воздействиях, позволяющая повысить точность экспериментального определения гидродинамических параметров, особенно при ог-ршшчеш-шх возможностях визуального наблюдения за колебаниями свободной поверхности жидкости.
Предложен способ измерения амплитуд колебании жидкости, взаимодействующей с верхней частью емкости.
Изучены особенности протекания динамических процессов при ударних нагружениях емкостей, частично заполненных жидкостью, ц разработана методика физического моделирования гидродинамической нагруженное котлов железнодорожных цистерн при ударах в автосцепку.
Предложена математическая модель для исследования нелинейных
колебаний жидкого груза в котле цистерны, позволяющая участь взаимодействие жидкости с верхней частью котла.
Разработан алгоритм, позволяющий с использованием одномерных и плоских расчетных схем экипажей, а таїсже с учетом характера транспортируемых грузов и особенностей работы межвагошшх соедшю-ннй строить с полющью ЭВМ математические модели сцепов или поездов, рациональные но числу решаемых систем. ди$4ероіщиальньіх уравнений.
Исслодовани динамические процессы, протекающие в железнодорожных поездах, в состав которых включены цистерны, при пуске в ход, торможении, движении через переломы продольного профиля путл. Установлены качественные и количсстпзшше отличия отих процессов, полу-чышых с учетом и без учета подвижности транспортируемых жидких грузов. Определено влияние параметров системы на динамические нагрузки, і^зннк'.пщне .1 указанных поездах при рассмотренных резки-
мах движения.
Разработана методика определешш напряженно-деформированного состояния элементов конструкций железнодорожных цистерн при продольных ударах в случаях замени одного жидкого груза другим с использованием коэффициентов эквивалентности нагрузок. Показано,что предложенные коэффициенты представляют собой характеристики,незначительно зависящие от изменения параметров системы.
Практическая ценность. Разработанные в диссертации методы моделирования и псследовашш составляют научную основу для прогнозирования динамической погруженности элементов конструкций вагонов-цистерн и специализированных контейнеров для жидких грузов при маневрових соударениях и переходных режимах движения поездов.
Выполненные исследования позволили разработать программное обеспечение для определения с учетом колебаний транспортируемого кидкого груза динамических нагрузок, действующих на вагоны-цистерны и контейнеры-цистерны при ударах в автосцепку, которое может Зыть использовано каїс элементы САПР.
Полученные по результатам проведенных расчетов аналитические зависимости позволяют с приемлемой для практики точностью определять гидродинамические параметры жидкого заполнения (собственные тастоты, присоединенные массы, моменты инерции и т.д.) практически для любых типов железнодорожных цистерн.
Развитые в диссертации методы определения нагрунонности эле-лентов конструкций цистерн при ударах в автосцепку с учетом колебаний кидкого груза позволили на стадии проектирования оценить параметри разрабатываемых перспектшзных конструкцш'ї, ускорить экспериментальную отработку опытных образцов и способствовали созданию гисторн с улучшенными технико-экономическими характеристиками.
Проведенные исследования позволили тшежо оценить нагрузки в тяжеловесных наливных поездах при переходных режимах их движения, шределить рациональные, по наименьшему уровню возникающих максимальных продольных сил, схемы лорнирования поездов, в которые жлючены цистерны, обеспечить получение эквивалентных длнакичес-сих нагрузок на элементы конструкций цистерн при продольных ударах і случаях замены реального жидкого груза водой.
3 результате выполненных исследовании разработаны специальные (ешкіпрувідпе устройства, защищенные, авторскими свидетельствами '< I34G5GG и ' 1542859, улучжвдно эксплуатационные характеристики ш'онов-іпісторн ц поЕНі'іа'Оі'іпо точность прссодячих экснорнмепталь-
ных исследований. Разработанные на уровне изобретений новые технические решения (авторские свидетельства 1% І495І70 и li 1556969) позволяют при соответствующем виборе параг,;етров элементов аморти-зации контейнеров-цистерн на платформе существенно понизить нагру-жешюсть элементов их конструкций при продольных ударах. Предложенные методики испытаний и специальное стендовое оборудование, на которое получены авторские свидетельства & І4255І0 и її 1538076, по вышают точность определения гидродинамических характеристик и нагруженности баков различной конфигурации при гармонических и ударных воздействиях.
Реализация возулътато'в таооти. Основіша результати работ получены автором в ходе выполнения КИР по тематике, утверждонной Президиумом АН УССР и директивный органом Совета Министров СССР, а также при выполнении заказов производственного объединения "Азов-ыаш", ряда ШШ и КБ, зашшаюдкхся разработкой п созданием различных объектов с жидкими грузами. Отдельные Ш!Р были выполнены по договорам о научно-техническом содружестве с дШ'Гом, Институтом кибернетики АЗІ УССР, БШіівагоностроония и Институтом математики АН УССР.
Результаты исследовании, а также разработанные в диссертации методики, алгоритмы и программы нашли применение в разработках ряда предприятий и организации. В частности, рекомендации работы были использованы при создании цистерн для перевозки сжикешшх газов (мод.15-1519, 15-1520, І5-ІЄІ9, 15-1620), кислот (ыод.15-1548, 15-1487, I5-І614), плодоовощных соков (мод.15-1522), желтого фосфо ра (мод.15-1525), метанола (мод.15-1572), бензина ж светлых нефтепродуктов (мод.15-1500, 15-1547), разрабатываемых ПО "Азовмаш" в соответствии с Государственными иаучно-техішчоокиш ирограшагии и целевой комплексной программой развития отрасли.
Результаты исследований использованы также при доработке и совершенствовании ОСТ 24.050.37-84 "ВАГОНЫ ГРУЗОВЫЕ И ПАССАШІРСКПі Методы испытании на прочность и ходовые качества", определяющего методику и условия проведения испытаний вагонов-цистерн.
Разработанное при выполнении диссертационной работы математическое обеспечение, а также методики п результаты исследований используются КБ "КШюо", ЩБ транспортноl'o машиностроения, КБ специального машиностроения при проведении теоретических и зкспор.імеї тальннх исследований объектов, со,:',.;[.-;а^,:іх жидкие массы.
Вылолношше прои;уз::ру:.;.';п: ±'-.;'; ;/гы пагруліонпоотп оїишажоіі,
транспортирующих тверділе амортизированные и хсвдкіїе грузы, при переходных режимах движения железнодорожного поезда позволили разработать рекомендации по снижению динамических нагрузок, выбрать рациональные параметры амортизирующих элементов и управляющих воздействий, сократить объем транспортировочных испытании.
Результаты исследований влияния условий сопряжения элементов продольного профиля пути на наибольшие продольное усилия в тяжеловесных поездах внедрены в практику рабочего проектирования и использованы при корректировке проектной линии продольного профиля ряда перегонов БАМ.
Разработанное стендовое оборудование и методики проведения испытаний емкостей, частично заполненных жидкостью, при гармошгчес-ких и ударных воздействиях используются в ПТ.",1 Ж УССР при определении с помощью динамически подобных физических моделе;! гидродинамических характеристик и погруженности котлов железнодорожных цистерн и контейнеров-цистерн, а также друг;іх емкостей, имеющих сложную конфигурацию.
Отдельные разработки, выполненные по заказам предприятий, внедрены с экономическим эффектом, подтвержденным соответствующими документами, приведенными в прилояенпи диссертации.
Апробация работы. По теме диссертации сделана и были одобрены доклады: на симпозиуме по проблемам моделирования динамики подвійного состава (Брянск, 1974), на Всесоюзном совещании "Механика наземного транспорта" (Днепропетровск, 1977), на Всесоюзной конференции "Проблеми нелинейных .колебаний механических систем" (Киев,1978), на II Республиканском симпозиуме по дифференциальным и пнтегралышм уравнениям (Одесса, 1978), на научно-технической конфоронщш но проблемам проектирования, строительства и эксплуатации Байкало-Амурской магистрали (Москва, IS77), на Всесоюзной конференции по механике сплошных сред (Ташкент, 1979), на II республиканской конференции "Вычислительная математика з современном научно-техничес-адм прогресса" (Киев, 1970), на ІУ научном семинаре "Динамика упругих и твердых тол, взаимодействующих с жидкостью" (Томск, 1980), на ІУ Республиканском совещании по проблема;* динамики твердого тела [Донецк, 1984) , на XIУ Всесоюзной научно-технической конференции 'Высокоскоростная фотограТпя, фотонпка и метрология быстронротеказ-iiix процессов" (Москва, І9С9), на Всесоюзної; а;оло-ео;.шнаре "Дика-пка механических систем" (Томск, I0BG), на Воосоїзгпоіі конференции 10 впбргщноішоіі технике (Кутаиси, 1981), на П-УЇ Всесоюзных мо«-
ведомственных симпозиумах "Колебания упругих конструкций с жидкостью" (Новосибирск, 1974, 1976, 1979, 1982, 1988), на Всесоюзных конференциях "Проблемы механики железнодорожного транспорта" (Днепропетровск, 1980, 1984, 1988), на Всесоюзной школе-семинаре "Моделирование динамических процессов взаимодействия в системе тел с жидкостью" (Киев, 1989), на Всесоюзной конференции "Перспективы развития вагоностроения" (Москва, 1988).
В целом диссертационная работа рассматривалась на заседаниях объединенного семинара отделов Института технической механики АН УССР, научного семинара "Динамика и прочность вагонов" кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство" ШИТ, научно-технического совета БНИИвагоностроения, научного семинара кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство" ЖИЖТ, Ученого совета ИТМ АН УССР.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 62 работы общим объемом 21,3 печатшх листа. По результатам разработок получено 6 авторских свидетельств и два положительных решения на предполагаемые изобретения. Основные результаты диссертации изложены : 39 работах, указанных в конце автореферата.
Структура-и, объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованных источников а четырех приложений. Материал диссертации изложен на 348 страницах машинописного текста, содержит 78 иллюстраций и 32 таблицы. Список использованной литературы состоит из 242 наименований на 27 стр.
Считаю необходимым выразить глубокую признательность доктору технических наук, профессору Е.П.Блохину за научные консультации и обсуждение результатов исследований, представленных в диссертации. Выражаю также искреннюю благодарность всем моїм коллегам и товарищам, которые оказали мне помощь и поддержу при подготовке данной работы.
