Введение к работе
Актуальность проблемы. Основными условиями нормальной работы железнодорожного подвижного состава являются обеспечение безопасности движения по отсутствию сходов колес с рельсов, свойства ходовых частей, определяющие их нагруженность и нагруженность железнодорожного пути, при которых исключаются случаи повреждений и повышенных износов, комфорт пассажиров, локомотивных бригад и обслуживающего персонала.
В железнодорожной транспортной механике динамика вагонов занимает определяющую роль, т.к. на ее выводах базируются проектирование, ремонт и эксплуатация подвижного состава.
За последние 100 лет вместе с развитием железных дорог в России и в других странах динамика вагонов и поезда сделала громадные успехи благодаря исследованиям выдающихся отечественных и зарубежных ученых.
В настоящее время в России и других странах развита сеть научных и проектных организаций и железнодорожных вузов с громадным научным потенциалом. В России это ВНИИЖТ и его филиалы, ГосНИИВ, вагоностроительные заводы, проектно-конструкторские бюро, университеты путей сообщения, академии транспорта.
На исследованиях этих организаций созданы Нормы проектирования подвижного состава и железнодорожного пути, правила технической эксплуатации и ремонта.
Казалось бы, столь обширные экспериментальные и теоретические исследования, проведенные в течение длительного периода времени, не оставляют места для дальнейших поисков новых методов динамического расчета вагонов.
Однако практика проектирования, эксплуатации и ремонта вагонов показала, что методы динамического расчета нуждаются в дальнейшем совершенствовании, т.к. актуальность технической проблемы (безопасность, прочность, износы, комфорт) в ряде случаев становится неадекватной с существующими научными методами исследования этих проблем.
Важнейшей проблемой железнодорожного транспорта, которая до сегодняшнего дня не получила научного завершения, является проблема предотвращения сходов колес подвижного состава с рельсов. Наиболее остро эта проблема стоит для грузовых вагонов.
Большинство типов грузовых вагонов имеют двухосные тележки ЦНИИ-ХЗ (заводской номер 18-100).
Несмотря на простую конструктивную схему такой тележки, математическая модель ее движения до настоящего времени не детализирована в той мере, в которой необходимо для анализа причин схода колес с рельсов.
Другой важнейшей проблемой, которая не получила научного решения, является проблема повышенного износа гребней колес и бокового износа рельсов.
Обе указанные проблемы требуют глубоких теоретических исследований на базе принципиально новых математических моделей вагонов, которые позволили бы дать научно обоснованные данные о причинах сходов подвижного состава и повышенного износа колес и рельсов.
В этих проблемах до сих пор не выяснены предельно допустимые с позиций безопасности величины следующих параметров ходовых частей:
углов фрикционных клиньев;
возвышений фрикционных клиньев относительно
нижней поверхности надрессорной балки тележки;
- величины продольных и поперечных зазоров в
буксовых проемах, которые вследствие износов могут меняться в широких преде лах;
величины зазоров в скользунах;
допуски на линейные размеры боковых рам.
При моделировании движения вагонов в прямых и криволинейных участках необходимо исследовать влияние на безопасность и износы состояния железнодорожного пути, которое характеризуется формами регулярных и локальных неровностей, возвышениями рельсов в кривых участках, их радиусами, уширениями колеи.
-г-
При проведении таких исследований необходимо разработать математическую модель грузового вагона, которая могла бы дать достоверную количественную оценку влияния перечисленных параметров тележки и пути на безопасность по сходу колес и износы колес и рельсов.
До настоящего времени криволинейное движение железнодорожных экипажей описывалось математическими моделями, уравнения которых построены в подвижной системе координат, которая движется по очертанию криволинейного участка пути. При этом колебания экипажа рассматриваются относительно этой подвижной системы.
Физически это означает, что экипаж движется в прямом участке, но испытывает инерционные нагрузки от ускорений, вызванных поворотом координатной системы.
В механику теория подвижных координат пришла из астрономии. Практическое воплощение в технике она получила в динамике летательных аппаратов, где по заданной траектории движения аппарата определяются силы, действующие на него.
Вписывание экипажа в кривой участок происходит иначе.
Траектория каждого элемента вагона заранее неизвестна. Ее надо определить при движении колес с гребнями по пути заданной конфигурации.
Из кинематической теории качения одиночной колесной пары в круговой кривой известно, что она может двигаться
-?-
без набегания гребнями на рельс при радиусе кривой порядка 1000 м.
При меньших радиусах всегда происходит набегание гребня на рельс, что вызывает их динамическое взаимодейстиие.
Направляющая (боковая) сила от рельса стремится развернуть колесные пары тележек по радиусу кривой и вследствие этого рамы тележек и кузова также поворачиваются на необходимый угол.
Поэтому причиной действия сил инерции на кузов и ходовые части вагона при движении по кривой являются направляющие усилия в колее.
Надо также иметь в виду, что экипаж входит в криволинейный участок пути из прямого участка.
При разработке математической модели возмущения автор исходил из идеи, предложенной профессором В.Д.Хусидовым, которая заключается в том, что уравнение криволинейного очертания пути может рассматриваться в динамической модели вагона как горизонтальная геометрическая неровность.
Кроме указанного, в математической модели движения грузового вагона автором разработан еще ряд принципиально новых положений, которые ранее не обсуждались исследователями видимо по причине стереотипа в постановке задач.
Во-первых, в модели дано детализированное описание работы фрикционного гасителя колебаний с учетом кинематики надрессорной балки, клина и боковой рамы тележки при пространственных колебаниях.
Во-вторых, предложена модель перевалки кузова на пятнике, на основе которой определяются реакции между скользунами кузова и тележек.
В-третьих, дано теоретическое описание процессов взаимодействия боковых рам с буксами колесных пар при закрытии продольных и поперечных зазоров в буксовых проемах.
В-четвертых, получены аналитические выражения для криволинейного очертания пути в той же системе координат, в которой записаны дифференциальные уравнения колебаний вагона. Это позволило по-новому представить задачу криволинейного движения экипажей без существенных допущений, сформулированных другими авторами.
Кроме указанного, в дифференциальных уравнениях модели все симметричные размеры и параметры жесткости и демпфирования предусмотрены неодинаковыми. Это сделано для того, чтобы в расчетах можно было учесть допуски или отказы элементов ходовых частей, например, излом пружин рессорных комплектов, износы клиньев, буксовых проемов, скользунов и т.п.
Заключая сказанное, можно отметить, что разработка детализированной математической модели грузового вагона,
проведение исследований с целью выработки научно обоснованных критериев безопасности движения и снижения изпосов колес и рельсов является актуальной проблемой, решение которой имеет важное народно-хозяйственное значение.
Целью диссертации является разработка научно обоснованных критериев, исключающих сход колес с рельсов, повышенный износ и определяющих условия минимального силового воздействия на элементы ходовых частей и пути при движении грузового вагона по прямым и криволинейным участкам.
Поставленная цель была достигнута на основе разработки принципиально новой математической модели грузового вагона с детатьным учетом конструктивных особенностей тележки ЦНИИ-ХЗ-0 (заводской номер 18-100), а также программно-вычислительного комплекса, позволяющего в короткие сроки проводить большой объем вычислений, связанных с моделированием движения грузового вагона и анализом его динамических показателей, показателей безопасности и износов.
Общая методика исследований заключается в:
- разработке детализированной расчетной схемы грузового вагона, имеющего тележки 18-100, в которых фрикционные клинья реализуют силы трения в двух плоскостях, между буксами и боковыми рамами имеются
-//7-продольные и поперечные зазоры, кузов имеет возможность переваливаться на пятнике в пределах зазоров в скользунах;
разработке математических зависимостей,
определяющих реакции в связях как нелинейные функции перемещений и скоростей элементов расчетной схемы;
разработке дифференциальных уравнений равновесия расчетной схемы при колебаниях вагона, движущегося по прямому или криволинейному участку пути;
разработке метода интегрирования дифференциальных уравнений модели, который "работает" в несколько раз быстрее общеизвестных;
разработке приближенного способа вычисления собственных частот и форм колебаний для "усеченной" линеаризованной модели по методу вращения векторов, предложенному Якоби;
разработке решения систем алгебраических уравнений с переменным порядком;
разработке аналитических зависимостей бокового отклонения пути от прямолинейного очертания при входе колес экипажа в переходную или круговую кривые или при выходе из них;
разработке программного комплекса для ПВМ, осуществляющего интегрирование дифференциальных уравнений модели и анализирующего выходные параметры расчетов.
Научная новизна.
1. Для грузового вагона на тележках ЦНИИ-ХЗ-0 (18-І 00)
впервые построена .математическая модель, описывающая его
движение в прямых, переходных и круговых кривых.
В отличие от ранее известных, возмущение в такой модели при криволинейном движении задается не в виде известных сил инерции, а в виде неровностей железнодорожного пути, определяемых боковыми отклонениями рельсов от прямолинейного очертания при входе колес экипажа в переходные и круговые кривые и при выходе из них.
Вследствие пространственного описания колебаний вагона возвышения рельсов задаются также в виде вертикальных неровностей.
Кроме указанных, в модели предусмотрено движение вагона по регулярным и локальным неровностям рельсов в вертикальном и боковом направлениях.
2. При описании взаимодействия фрикционных пар
(демпфер тележки 18-100, узел сочленения буксы и боковой
рамы, колесо-рельс, скользуны) силовые зависимости между
ними имеют упругий и пластический участки, причем в
пластической стадии общий вектор сил трения проектируется
на два направления в зависимости от мгновенного
соотношения скоростей скольжения.
3. Разработан новый подход при определении реакций
между корпусами букс и боковыми рамами, а также
скользупами кузова и тележек при закрытии зазоров в
соответствующих связях. Этот подход основан на теории соударения системы твердых тел, подкрепленных упруго-фрикционными элементами. Например, для боковых рам такими элементами является рессорный комплект с клиновой системой, а для колесных пар - силы крипа.
-
Для анализа процессов схода колес с рельсов введен новый критерий, состоящий в ограничении высоты подъема колеса, превышающей высоту гребня.
-
При оценке интенсивности износов колес введен критерий мощности сил трения, развиваемых на ободе и гребне.
6. На основе многовариантных расчетов получены
области значений параметров ходовых частей и
железнодорожного пути, которые исключают сходы колес с
рельсов, снижают интенсивности их износов и дают
минимальные силовые воздействия на элементы тележек и
пути.
Практическая ценность.
1. Разработана принципиально новая математическая
модель грузового вагона на тележках 18-100 и программный
комплекс для ПВМ, позволяющий на новом качественном и
количественном уровнях давать оценку динамических
свойств, критериев сходов и износов колес.
2. Расчетными способами определены области
безопасного движения вагона в прямых и криволинейных
- «/з -
участках пути в зависимости от технического состояния ходовых частей и железнодорожного пути.
-
Даны научно обоснованные причины повышенного износа гребней колесных пар в кривых.
-
Исследования автора, изложенные в диссертации, вошли в "Методику компьютерной оценки безопасности движения подвижного состава", утвержденной МПС РФ в 1999 году.
Реализация результатов работы.
Методика и программный комплекс, разработанный автором, были использованы:
- в научно-исследовательских работах, связанных с
оценкой повышенного износа гребней колесных пар;
- в научно-исследовательских работах по оценке влияния
технического состояния подвижного состава и пути на
безопасность движения поездов.
Апробация работы.
Основные материалы диссертации были доложены на:
1. Международной научно-технической конференции
"Проблемы механики железнодорожного транспорта" -
г.Днепропетровск, 1992 г.
2. Конференции "Итоги недели науки" - г.Москва,
МИИТ, 1994 г.
3. 1-ой международной научно-технической конференции
"Актуальные проблемы развития железнодорожного
транспорта" - г.Москва, 1994 г.
4. ІХ-ой международной конференции "Проблемы
механики железнодорожного транспорта" - г.Днепропетровск,
1996 г.
5. Научно-практической конференции "Безопасность
движения поездов" - г.Москва, 1999 г.
6. Научно-технической конференции "Подвижной состав
21 века (идеи, требования, проекты)" - г.С.-Петербург, 1999 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ в журналах "Вестник ВНИИЖТ", "Железнодорожный транспорт" и трудах международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Она содержит 264 страницы машинописного текста, включающего 134 рисунка, 2 таблицы, 2 приложения. Список использованной литературы содержит 104 наименования.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность проф. В.Д. Хусидову, проф. П.С. Анисимову, проф. В.Н. Котуранову за постоянные консультации и ценные замечания по рукописи диссертации.
-1S-
