Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы исследования продольной динамики поездов повышенной массы 9
1 1. Схемы формирования поездов повышенной массы 9
1.2. Особенности работы тормозной сети 13
1.3. Расчет продольных сил 20
1.4. Исследование переходных режимов движения поездов 27
1.4.1. Расчетная схема поезда 27
1.4.2. Аналитические методы исследования динамики торможения поезда 31
1.4.3. Электрические и электронные модели поезда 39
1.5. Цель и задачи исследования 41
Глава 2. Теоретические исследования продольных динамических усилий при торможении тяжеловесных грузовых поездов 45
2.1. Общие закономерности возникновения возмущений в тяжело-весных поездах 45
2.2. Дифференциальные уравнения движения при торможении поезда поездах 53
2.3. Математическое описание характеристик междувагонных связей 59
2.4. Продольные возмущения в поезде при подвижном их источнике 66
2.5. Продольные возмущения в сверхдлинных и соединенных поездах 69
Глава 3. Математическое описание тормозных средств поезда 73
3.1. Основные уравнения неустановившегося движения воздуха 73
3.2. Выбор метода решения 75
3.3. Решение уравнений неустановившегося движения воздуха в тормозной магистрали методом характеристик 76
3.4. Граничные условия 79
3.5. Определение потерь давления в магистрали 81
3.6. Алгоритм расчета неустановившегося движения воздуха в тормозной магистрали 86
3.7. Математическая модель крана машиниста усл. №395 . 88
3.8. Уравнительный резервуар 93
3.9. Математическая модель воздухораспределителя усл. №483 96
3.10. Тормозной цилиндр 112
Глава 4. Результаты моделирования тормозной системы поезда 117
4.1. Проверка адекватности математической модели тормозных приборов 117
4.2. Задание параметров торможения и состава 121
4.3. Влияние характеристик воздухораспределителей на динамику торможения поезда 128
4.4. Влияние характеристики состава на переходные процессы торможения 139
4.5. Расчетные диаграммы наполнения тормозных цилиндров . 147
Глава 5. Экспериментальные исследования динамики поездов повышенной массы и длины . 154
5.1. Стендовые испытания тормозных приборов 154
5.2. Движение воздуха в магистрали с переменным расходом . 156
5.3. Вождение поездов с локомотивами в голове состава . 161
5.4. Вождение соединенных поездов с системой синхронизации 166 5.3. Вождение поездов с объединенной тормозной магистралью 171
Заключение 176
Список использованных источников 180
- Особенности работы тормозной сети
- Дифференциальные уравнения движения при торможении поезда поездах
- Выбор метода решения
- Задание параметров торможения и состава
Введение к работе
Актуальность темы. Увеличение провозной способности железных
дорог при повышении массы и скорости грузовых поездов, внедрение
большегрузных вагонов позволяют обеспечить наименьшую себестои
мость перевозок. Средняя масса брутто грузового поезда на железных до
рогах возросла за 50 лет в 4 раза. В перспективе масса состава должна воз
расти до 10000 ... 12000 т, а при использовании соединенных грузовых по-
; ездов до 15000 ... 20000 т.
Для постоянного повышения провозной способности участка удлиняют пути на определенных станциях и формируют на них поезда повышенной массы и длины, располагая локомотивы в голове (кратная тяга) либо в голове и составе или хвосте поезда.
Вместе с тем увеличение массы поезда приводит к увеличению про
дольных усилий в междувагонных соединениях. Наибольших значений эти
усилия достигают при переходных (неустановившихся) режимах движения
поезда, когда система в сравнительно малые промежутки времени перехо
дит из одного состояния в другое. К таким режимам относятся трогание
поезда с места, резкое приложение дополнительной силы тяги или сброс
> этой силы, торможение, движение через переломы продольного профиля
пути.
Ограничение максимальной массы грузового поезда по прочности автосцепки в режиме трогания с места или движения наступает при продольной нагрузке 160 тс. Поэтому актуально исследование автотормозов и поглощающих аппаратов автосцепки, способствующих снижению продольных усилий в тяжеловесных грузовых поездах при переходных режимах движения. Для проектирования современного подвижного состава и тормозных устройств, решения вопросов, связанных с вождением грузовых поездов повышенной массы и длины, важное значение имеют результаты исследования продольной дЬ«мвдш*цек»да,яьнАя 1
С. Петер' 09
33&J
Цель работы - уменьшение продольных усилий в автосцепках вагонов при движении тяжеловесных и длинносоставных грузовых поездов за счет эффективного управления автоматическими тормозами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- определить абсолютные значения величин продольных ди
намических усилий и их распределение по длине поезда;
получить значения коэффициентов продольной динамики торможения;
определить критическую скорость поезда и скорость движения источника возмущения, при которых в междувагонных соединениях возникают наибольшие продольные усилия;
установить влияние скорости распространения тормозной волны и времени наполнения тормозных цилиндров на величину продольных усилий в поездах с однородными и неоднородными диаграммами торможения;
-рекомендовать рациональные режимы служебных регулировочных торможений с учетом переломов профиля пути, длины и массы поезда.
Объект исследования - автоматические тормоза тяжеловесных и длинносоставных грузовых поездов.
Общая методика исследований. Методической и теоретической базой исследований являются труды отечественных и зарубежных ученых в области тяговых расчетов, продольной динамики подвижного состава и классической газодинамики. При решении поставленных в диссертации задач использовались методы математического моделирования с использованием современных компьютерных технологий и теории дифференциальных уравнений. Расчеты и моделирование производились с применением пакетов программ Matlab 6,5, Pascal 7,0, Lab View 5,0.
Научная новизна. В процессе исследований получены следующие новые результаты:
разработана методика расчета продольных динамических сил в автосцепках грузовых вагонов длинносоставных и тяжеловесных поездов, учитывающая особенности характеристик тормозных приборов и поглощающих аппаратов;
на базе современных достижений теории газодинамики и учета параметров сжатого воздуха разработаны уточненные математические модели автотормозных приборов локомотивов и грузовых вагонов;
установлены зависимости характеристик состава и диаграмм наполнения тормозных цилиндров на величину продольных динамических усилий в автосцепках грузовых вагонов длинносоставных и тяжеловесных поездов;
разработаны рациональные алгоритмы торможения и отпуска автотормозов, снижающие уровень продольных динамических сил в поезде;
предложены новые методы изучения эффективности работы автоматических тормозов железнодорожного подвижного состава на основе компьютерных обучающих программ, созданных с использованием разработанных математических моделей;
Практическая ценность работы состоит в следующем:
предложенные математические модели позволяют дать количественную оценку продольных динамических сил в автосцепках длинносоставных и тяжеловесных поездов;
выработаны практические рекомендации по снижению продольных динамических сил в автосцепках длинносоставных и тяжеловесных поездов;
разработанные программные тренажеры позволяют анализировать эффективность управления автотормозами длинносоставных и тяжеловесных поездов и вырабатывать у машинистов навыки практического управления автотормозами таких поездов.
Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы в новых технологиях управления автотормозами грузовых поездов в локомотивных депо Октябрьской ж.д. филиала ОАО «РЖД». Разработанные обучающие программы используются при подготовке и повышении квалификации локомотивных бригад для вождения длинносоставных и тяжеловесных поездов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технической конференции «Повышение надежности локомотивов и эффективности их работы» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2003 г.) научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2003, 2004, 2005 гг.) и расширенном заседании кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ПГУПС.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, из которых 5 статей в сборниках ПГУПС и 1 тезисы докладов на научно-технических конференциях.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованных источников из 124 наименований. Материалы диссертации изложены на 179 страницах основного текста и включают 35 рисунок и 9 таблиц.
Особенности работы тормозной сети
Вместе с тем увеличение массы поезда приводит к увеличению продольных усилий в междувагонных соединениях. Наибольших значений эти усилия достигают при переходных (неустановившихся) режимах движения поезда, когда система в сравнительно малые промежутки времени перехо дит из одного состояния в другое. К таким режимам относятся соударения вагонов при маневровой работе, трогание поезда с места, резкое приложение дополнительной силы тяги или сброс этой силы, торможение, движение через переломы продольного профиля пути.
В настоящее время пневматические тормоза по условиям динамики торможения позволяют эксплуатировать одинарные поезда массой до «6000 т. Примерно такой же величиной ограничивается максимальная мас i са грузового поезда по прочности автосцепки в режиме трогания с места, так как начало текучести материала изношенных деталей автосцепного оборудования, проработавших в эксплуатации несколько лет, наступает при нагрузке 160 тс [64]. Поэтому актуально создание автотормозов и по ГППШЯЮШИУ япгтярятгт автосцепки, способствующих снижению проппль ных усилий в тяжеловесных грузовых поездах при переходных режимах движения. Для проектирования подвижного состава и тормозных уст , ройств и решения вопросов, связанных с вождением грузовых поездов, важное значение имеют результаты исследования продольной динамики поезда.
Исследованием продольных колебаний при переходных режимах движения поездов занимались Н. Е. Жуковский, В. А. Лазарян, С. В. Вер шинский, Л. Н. Никольский, Н. А. Панькин, Е. П. Блохин, О. Г. Бойчев І ский, С. В. Дувалян, А. У. Галеев, Е. И. Кузьмина и др . Большой вклад в 4 развитие науки о торможении поездов и совершенствование автотормоз ной техники внесли В. Ф. Егорченко, Б. Л. Карвацкий, В. М. Казаринов, В. Г. Иноземцев, Д. Э. Карминский, И. К. Матросов, Н. А. Албегов, Е. В. Клыков, В. И. Крылов и др . Важные работы по совершенствованию автотормозов проводят В. Ф. Ясенцев, Л. А. Вуколов, М. Д. Фокин, Б. Д. Никифоров, А. М. Ножевников, Л. В. Козюлин, В. Г. Козубенко, Н. С- Буна-ков и др .
В большинстве теоретических работ, посвященных динамике поез 4 дов, исследовались процессы трогания с места и движения поезда под дей ствием силы, тяги локомотива на горизонтальных участках и переломах продольного профиля пути. При этом рассматривались составы, сформированные из однотипных и одинаково нагруженных вагонов, в соединениях которых зазоры отсутствуют, и принимались одинаковые силовые характеристики фрикционных поглощающих аппаратов автосцепки, причем считались, что зависимость усилия от деформации линейная. Эти допущения да-ли возможность использовать при решении задач линейные дифференциаль / ные уравнения, что позволило сравнительно легко с использованием анали тических зависимостей изучить основные особенности исследуемого процесса и определить продольные усилия в тех случаях, когда зазоры в упряжи поезда не оказывают влияния на переходный режим.
Дифференциальные уравнения движения при торможении поезда поездах
Характер движения поезда в период торможения в общем случае является функцией нескольких внешних, независимых от параметров поезда, и внутренних, присущих данному поезду, его тормозной системе, факторов. По- этому непосредственное решение уравнения движения поезда связано с существенными затруднениями ввиду разнообразия характеристик, применяемых в эксплуатации тормозных средств и наличия ряда случайных факторов, влияющих на тормозную эффективность поезда.
Для определения выходных характеристик эффективности тормозной системы поезда в любом случае используются либо приближенные методы оценки (тормозные номограммы), либо более точные, но достаточно громоздкие приемы (суммирование по интервалам скорости, численного или графического интегрирования уравнения движения и т.д.). Между тем для определенных групп поездов путем введения некоторых упрощений, допустимых в ряде случаев эксплуатации, удается найти достаточно простое и точное аналитическое решение уравнения движения поезда при торможении.
Так как решение такой задачи в общем виде затруднительно, для его упрощения заменим реальный процесс нарастания тормозной силы поезда некоторым условным, при котором темп роста суммарной тормозной силы определяется темпом нарастания тормозной силы любого вагона.
Теоретическое исследование динамики торможения тяжеловесных грузовых поездов относится к сложным задачам о нелинейных колебаниях многомассовой системы с движущимся вдоль нее переменным источником возмущения.
Движение заторможенного поезда как системы дискретных масс будем изучать в координатах Лагранжа в функции времени / и начальной координаты этих масс. Такое описание движения поезда позволяет непосредственно сравнивать результаты теоретического исследования с экспериментальными значениями скорости, деформации и усилия, измеряемыми в сечениях поезда в различные моменты времени.
Рассмотрим общий случай движения заторможенного поезда в неподвижной системе координат z, учитывая, что межвагонные соединения имеют зазоры, допускающие относительные перемещения вагонов.
Текущая координата вагона с номером / в системе z будет
где i(. - координата центра масс вагона с номером / в начальный момент торможения (/ = 0) в неподвижной системе координат; ; - перемещение центра вагона с номером і относительно его положения в статически равновесном состоянии (перемещение центра масс вагона относительно его начального положения в неподвижной системе координат). Пусть поезд движется по участку пути, имеющему, перелом профиля (рис.2.1). На состав действует сила пневматического тормоза, а на локомотив - пневматического или электрического.
Движение поезда как системы дискретных масс, связанных упруго-вязкими соединениями (рис.2.2), описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка:
Рассмотрим движение поезда на прямом участке пути [R(z,) = 0], принимая во внимание только основное сопротивление движению поезда, зависящее от скорости, W x,). Поскольку величины продольных усилий в междувагонных соединениях, возникающие при торможении, зависят от их относительных перемещений и скоростей, перейдем от системы уравнений (2.2) для абсолютных перемещений к системе уравнений для относительных перемещений. При торможении силы внешнего сопротивления вагонов из-за небольшой разности их абсолютных скоростей отличаются незначительно. Поэтому можно пренебречь разностями сил внешнего сопротивления любых соседних вагонов.
В системе уравнений (2.2) вычитаем из предыдущего уравнения последующее, предварительно умножив первое на массу последующего, а второе - на массу предыдущего экипажей. Получим следующую систему дифференциальных уравнений
Выбор метода решения
Схема алгоритма расчета неустановившегося движения воздуха в тормозной магистрали представлена на рис.3.4. Для каждого у -го вагона определяются граничные условия на входе (блок 6). Если данный вагон является первым, через точку Р первого сечения проходит только обратная характеристика PS (см. рис.3.2), поэтому расчет давления и плотности в точке в точке Р( выполняется по формулам (3.25) и (3.26); при этом скорость и( определяется величиной давления І /"1 характеристикой присоединенного источника (например, крана машиниста).
Еслиу-й вагон не является первым и целостность магистрали между у-м и (/-1)-м вагоном не нарушена, то его сечение Р/ совпадает с сечением предыдущего вагона. Значения всех параметров точки Р{ принимаются равными значениям параметров точки Pfx. Если целостность магистрали нарушена (обрыв с выпуском воздуха из обеих частей магистрали, закупорка без выпуска воздуха, перекрытие крана (/-1)-го с выпуском воздуха из задней или передней части магистрали - последний вариант реально невозможен, однако он предусмотрен в расчете с целью моделирования перекрытия крана у-го вагона; расстояние между кранами всего 1,5 м, вследствие чего погрешность расчета возрастает незначительно при существенном сокращении его объема из-за уменьшения количества расчетных сечений), определяется вариант задания граничных условий и рассчитываются значения параметров точки Р/с использованием зависимостей (3.25)... (3.27) с учетом (3.40) ... (3.42).
Расчет расхода утечки в первом сечении производится в блоке 8 по формуле (3.43) с использованием вычисленного значения давления. Параметры точки Р/ вычисляются в блоке 9 из выражений (3.17) ... (3.19) с учетом (3.40) ... (3.42). Расход утечки во втором сечении будет определяться режимом работы воздухораспределителя.
В блоке 11 определяются граничные условия в третьем сечении магистрального трубопровода вагона. Если данный у-й вагон является последним, через точку Р этого сечения будут проходить только две характеристики: PR и РМ . В этом случае параметры точки PJ вычисляются с использованием зависимостей (3.19) и (3.27). Скорость v является граничным условием и принимается равной нулю, если концевой кран закрыт, или определяется величиной расхода через открытый концевой кран вагона, вычисляемой по формуле (3.43). Если вагон не является последним, через точку Р третьего сечения проходят все три характеристики: PR и РМ принадлежат данному у-му вагону, PS - следующемуу+1 - му вагону. Поэтому расчет параметров точки / 3 выполняется с использованием выражений (3.17)... (3.19) с учетом (3.40)... (3.42).
Цикл повторяется до выполнения условияу = Л ВАГ где 7VBAr - количество вагонов в составе.
В настоящей работе предлагается математическая модель наиболее распространенного на тяговом подвижном составе железных дорог РФ крана машиниста усл. № 395.
В процессе разработки модели учитывались следующие основные допущения: 1) температура корпуса крана равна температуре окружающей среды (температуре в кабине машиниста); 2) температура воздуха во внутренних каналах и объемах крана равна температуре его корпуса; 3) сила трения движения в парах трения равна силе трения покоя; 4) уравнительный резервуар находится за пределами кузова локомотива.
Задание параметров торможения и состава
Достоинствами любой программы математического моделирования является удобство ввода переменных величин и наглядность представления результатов расчета. Разработанная математическая модель тормозных средств поезда и расчета динамики торможения предоставляет широкие возможности расчета различных поездных ситуаций. Для обеспечения оперативного ввода характеристик локомотива, состава и тормозных приборов разработан специальный терминал ввода исходных данных и вывода результатов расчета в виде измерительных приборов (рис.4.3). Количество вагонов в поезде, начальная скорость торможения и коэффициент сцепления задаются перед началом расчета. Здесь же можно изменять положение рукоятки крана машиниста.
Все переменные величины, обозначенные в верхней части терминала на поле характеристик локомотива и вагонов синим цветом, можно изменять в широких пределах путем нажатия на соответствующие клавиши.
Изменение давлений в различных местах тормозной магистрали и тормозных приборов представлены в виде измерительных приборов.
Линейные перемещения поршней и золотников воздухораспределителя и штока тормозного цилиндра каждого вагона выведены на отдельной панели.
Программа позволяет выводить на экран характеристики всех вагонов, а при необходимости изображения промежуточных вагонов можно скрывать, которые могут восстанавливаться по требованию оператора.
Программа газодинамического расчета тормозной магистрали составлена таким образом, что появляется возможность моделировать некоторые нестандартные ситуации во время движения. К ним относятся: - регулируемая утечка воздуха из тормозной магистрали; - регулируемая утечка воздуха из запасного резервуара (рис.4.4); - регулируемая повышенная утечка воздуха из рабочей и магистральной камер воздухораспределителя (рис. 4.5). - регулируемая повышенная утечка воздуха в межвагонном соединении и из тормозного цилиндра (рис.4.6).
В каждом из указанных случаев с помощью специальных кнопок задается диаметр эквивалентного отверстия. Количество задаваемых неисправностей не ограничено.
Одновременно с этим появляется возможность моделирования аварийных ситуаций, которые могут возникнуть во время движения поезда. К таким ситуациям относится: - одностороннего перекрытия концевых кранов как со стороны головы, так и с хвоста поезда (рис.4.7); - разъединения тормозных рукавов без перекрытия концевых кранов или двухстороннего перекрытия концевых кранов в любом месте поезда или в нескольких местах (4.8);
Количество комбинаций аварийных ситуаций или неисправностей тормозных приборов в разработанной математической модели не ограничивается. Расчеты производятся в каждом конкретном случае исходя из фактического состояния тормозной магистрали и состояния тормозных приборов и их характеристик.
