Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ коммерческих браков из-за нарушения креплений груза и методик их расчета 9
1.1. Анализ положения с обеспечением безопасности движения в хозяйстве коммерческой работы в сфере грузовых перевозок 9
1.2. Анализ положения с обеспечением безопасности движения в хозяйстве коммерческой работы в сфере грузовых перевозок, (на примере Свердловской ж.д.) 9
1.3. Обзор литературных источников по расчёту креплений груза в вагоне с использованием действующей методики (ТУ) 19
1.4. Анализ усовершенствованных методик расчетов креплений груза 28
Выводы по главе 1 30
2. Методы расчета технических и технологических параметров железнодорожных станций 32
2.1 .Пропускная и перерабатывающая способность станций 32
2.2.Потребное число путей на станциях 34
2.3. Время нахождения вагонов на станциях 36
2.4. Сравнительная характеристика различных методов расчета транспортных систем 3 6
Выводы по главе 2 42
3. Совершенствование методов расчета крепления грузов 45
3.1. Исследование нагрузочных способностей комплектов пружин тележек при несимметричном размещении груза 45
3.1.1. Нагрузочные способности комплектов пружин тележек вагона от действия веса механической системы «груз-рама вагона-надрессорная балка»
3.1.2. Исследование нагрузочных способностей комплектов пружин тележек вагона с учетом волны неровности пути 55
креплений груза, размещенного со смещением 59
3. 2.1. Математическое моделирование механической системы «путь-вагон-груз-крепление» 59
3.2.2. Решение статически неопределимой задачи для создания обобщенной математической модели закрепленного груза 72
3.2.3. Представление аналитических формул в виде, удобном для составления программы автоматизированного расчета 78
Выводы по главе 3 82
4. Расчет креплений грузов для нестандартных условий с помощью вычислительных экспериментов 84
4.1. Методика экспериментального расчета перемещений и натяжений креплений груза, размещенного со смещением 84
4.1.1. Методики расчета гибких элементов креплений груза 85
4.1.2. Методика проведения вычислительных экспериментов по определению усилий в гибких креплениях груза 86
4.2. Условия проведения вычислительных экспериментов 87
4.3. Проверка адекватности составленных программ расчета натяжений в креплениях груза при действии продольных сил 90
4.4. Проверка адекватности программы расчета натяжений в гибких элементах креплений груза при действии поперечных сил- 92
4.5. Исследование влияние смещения общего центра тяжести тяжеловесного груза на натяжения гибких элементов креплений при движении поезда по кривому участку пути 95
4.5.1. Условия проведения вычислительных экспериментов-— - 95
4.5.2. Исследование влияние смещения общего центра тяжести тяжеловесного груза на натяжения гибких элементов креплений 97
Выводы по главе 4 102
5. Исследование влияния коммерческих браков на технологические параметры сортировочных станций методом имитационного моделирования - 105
5.1. Постановка задачи 105
5.2. Построение модели с помощью системы ИСТРА 105
5.2.1. Характеристика системы ИСТРА 105
5.2.2. Принципы формирования элементов в системе ИСТРА— 110
5.2.3. Элементы модели Свердловск-сортировочный (нечетная система) 116
5.2.4. Операции модели 120
5.3. Технологические параметры сортировочной системы при современном уровне коммерческих браков 120
Выводы по главе 5 135
Общие выводы и рекомендации 138
Список литературы 140
Приложение 1
- Анализ положения с обеспечением безопасности движения в хозяйстве коммерческой работы в сфере грузовых перевозок, (на примере Свердловской ж.д.)
- Сравнительная характеристика различных методов расчета транспортных систем
- Нагрузочные способности комплектов пружин тележек вагона от действия веса механической системы «груз-рама вагона-надрессорная балка»
- Методика проведения вычислительных экспериментов по определению усилий в гибких креплениях груза
Введение к работе
Актуальность работы. Современные условия эксплуатации железных дорог характеризуются высокой степенью износа локомотивного и вагонного парка. В предыдущие годы в недостаточной степени осуществлялся текущий и капитальный ремонты железнодорожных путей. В результате более остро стоит проблема надёжного крепления грузов на открытом подвижном составе, т.к. возрастают колебательные движения вагонов. Количество вагонов с нарушениями требований технических условий размещения и крепления грузов в вагонах ежегодно увеличивается, и в 2006 г составило 832 вагона. Наблюдается рост случаев расстройства креплений груза на открытом подвижном составе в пути следования при отсутствии нарушений правил погрузки, в 2006 г произошло 1579 таких случаев.
Нарушения креплений груза ухудшают технологические параметры работы сортировочной станции, затрудняют процесс расформирования и формирования составов, требуется дополнительная маневровая работа.
Корректный расчет уменьшения перерабатывающей способности сортировочной станции, увеличения времени нахождения вагонов в парках, межоперационных простоев, производительное использование локомотивов и путей и ухудшения других технологических параметров из-за такого рода коммерческих браков имеет большое значение, так как это отражается на стратегии развития железнодорожной инфраструктуры и техническом нормировании на железнодорожном транспорте.
В действующих правилах расчета не достаточно отражены сложные случаи, такие, как перевозка тяжеловесных грузов со смещенным центром тяжести. При этом необходимо учитывать одновременное действие продольных, поперечных и вертикальных сил, особенно при движении в кривой и «галопировании» вагона из-за неровностей пути.
Таким образом, задачи исследования важны для теории и практики и актуальны.
Цель исследования. Целью исследования являются:
– анализ характера и частоты появления коммерческих браков из-за нарушения крепления груза и связанного с этим ухудшения работы сортировочных станций;
– разработка методики оценки влияния выявленных на сортировочной станции коммерческих браков на технологические параметры её работы;
– выбор наиболее опасных для технологии перевозок и наиболее сложных для расчёта вариантов крепления груза;
– разработка методики расчёта способа крепления для выбранного варианта, полагая, что для менее сложных случаев методику можно применять с введением упрощающих предположений.
В соответствии с поставленной в диссертации целью сформулированы следующие задачи:
1) выбрать метод расчёта технологических параметров железнодорожных станций для оценки влияния коммерческих браков на показатели их работы;
2) разработать методику построения имитационных моделей сортировочных станций, ориентированных на оценку эффективности работы по снижению числа коммерческих браков;
3) разработать методику работы с алгоритмом имитационного моделирования и провести вычислительные эксперименты с целью оценки влияния на показатели работы станции коммерческих браков вследствие нарушения крепления груза;
4) рассчитать реакцию комплектов пружин тележек вагона при его растущих вертикальных колебаниях для сложного случая размещения груза с боковым смещением центра тяжести, при движении по прямому участку пути;
5) построить математическую модель крепления груза для выбранного варианта, которая позволит рассчитать перемещение груза и натяжения в креплениях при одновременном действии продольных, вертикальных и поперечных сил при движении в прямых и кривых участках. Провести на модели комплекс расчётов.
Объект исследования. Груз, закреплённый на открытом подвижном составе с гибкими элементами креплений. Технология работы сортировочной станции.
Предмет исследования. Влияние коммерческих браков из-за нарушения креплений грузов на технологические параметры работы сортировочных станций. Нагруженность комплектов пружин тележек вагона в механической системе «груз-рама вагона-надрессорная балка-комплект пружин», усилия в гибких элементах крепления груза со смещённым поперек вагона центром тяжести в механической системе «путь-вагон- груз-крепление».
Методика исследования. Для оценки влияния коммерческих браков на показатели работы сортировочных станций применялись методы имитационного моделирования, математического программирования и системного подхода.
Аналитическое исследование по определению реакции комплектов пружин тележек при смещении центра тяжести груза поперёк вагона выполнены с использованием теоремы Вариньона и понятия центра масс механической системы «груз-рама вагона-надрессорная балка–комплект пружин». Аналитические исследования по определению перемещений и натяжений в гибких упругих элементах креплений груза базируются на основных положениях теоретической механики, сопротивления материалов. Вычислительные эксперименты реализованы в среде MathCAD с широким использованием метода итераций.
На защиту выносится: - методика расчета влияния коммерческих браков на технологические параметры сортировочных станций на основе имитационного моделирования;
- математическая модель крепления груза с поперечным смещением центра тяжести при одновременном действии вертикальных, продольных и поперечных сил, позволяющая рассчитать усилия в креплениях и возможные смещения груза в прямых и кривых участках пути;
- методика расчёта с помощью предложенной модели натяжений в креплениях для различных случаев совместного действия сил и для разных участков пути, позволяющая выбрать необходимый вариант крепления.
Научная новизна. Научная новизна диссертации состоит в разработке методики оценки влияния коммерческих браков на технологические параметры работы сортировочных станций, дальнейшем развитии основ теории размещения и крепления грузов на открытом подвижном составе. В том числе получены следующие результаты:
1) предложен метод расчёта технологических параметров железнодорожных станций для корректной оценки влияния коммерческих браков на показатели их работы;
2) разработана методика построения имитационных моделей сортировочных станций, ориентированных на оценку эффективности работы по снижению числа коммерческих браков;
3) предложена методика работы с алгоритмом имитационного моделирования, проведения экспериментов и анализа результатов с целью оценки влияния на показатели работы станции числа коммерческих браков;
4) выведены аналитические формулы для определения реакции комплектов пружин тележек при несимметричном размещении груза;
5) построена математическая модель креплений размещенного со смещением тяжеловесного груза при одновременном действии продольных, поперечных и вертикальных сил и в результате решения статически неопределимой задачи предложен способ определения перемещения груза и натяжения креплений при движении подвижного состава по кривому участку пути.
Практическая ценность. Практическую ценность представляют:
1) методика оценки влияния коммерческих браков на показатели работы сортировочной станции;
2) составленные программы расчёта перемещений и натяжений гибких упругих элементов креплений груза при несимметричном размещении центра масс поперёк вагона, на которые получены 4 Свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (№ 2006612668 от 28.07.06, №2006613665 от 20.10.2006, №2006613890 от 13.11.2006, № 2007613925 от 13.09.2007). Программы в последующем могут быть использованы грузоотправителями при разработке непредусмотренного техническими условиями (НТУ) способа размещения и крепления груза на вагоне;
3) рекомендации о внесении корректив в таблицу 11 ТУ в части смещения общего центра тяжести груза.
Эффект от снижения коммерческих браков при совершенствовании крепления грузов будет значительным за счёт повышения безопасности движения, снижения непроизводительной маневровой работы, сокращения межоперационных простоев и увеличения маневренности станции в целом.
Реализация результатов работы. Разработанные практические рекомендации приняты к использованию Службой коммерческой работы в сфере грузовых перевозок Южно-Уральской железной дороги филиала ОАО «Российские железные дороги» для проверки разработанных грузоотправителями способов размещения и крепления грузов на открытом подвижном составе. Разработанная методика расчёта креплений грузов реализована в виде 2-х пакетов программ для ПК. Программы и имитационная модель работы сортировочной станции используются в научных исследованиях и учебном процессе кафедр «Управление эксплуатационной работой» и «Станции, узлы и грузовая работа» УрГУПС. Программы могут быть использованы при совершенствовании технологии перевозочного процесса созданием нормативно-правовой базы, относящейся к разработке новых технических условий размещения и крепления груза.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Шестой научн. - практич. конф. «Безопасность движения поездов» (Москва: МИИТ, 2005 г.), на VII междунар. научн. - конф. «Кибернетика и технологии XXI века» (Воронеж: ВГТУ, 2006 г.), на Междунар. научн.- практич. конф. «Наука, техника, высшее образование: проблемы и тенденции развития» (г. Поречь, Хорватия, 2006), Седьмой научн. - практич. конф. «Безопасность движения поездов» (Москва: МИИТ, 2006 г.), на Междунар. научн.- практич. конф. «Наука, инновация и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России)» (Екатеринбург: УрГУПС, 2006 г.) и на объединенном научном семинаре кафедр «Станции, узлы и грузовая работа», «Управление эксплуатационной работы» (Екатеринбург: УрГУПС, 2007 г.)
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 18 научных работах в виде статей (из них 11 статей написаны в соавторстве) и материалов конференции регионального и международного уровней.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами в каждой из них, общих выводов и рекомендации, библиографического списка, включающего 135 наименований, 187 страниц текста, 21 рисунка, 13 таблиц, трех приложений.
Анализ положения с обеспечением безопасности движения в хозяйстве коммерческой работы в сфере грузовых перевозок, (на примере Свердловской ж.д.)
Положение с обеспечением безопасности движения в хозяйстве коммерческой работы в сфере грузовых перевозок в период с 2000 г. по 2006г. характеризуется как нестабильное. В течение четырех лет (с 2000г. по 2003г.) количество вагонов с коммерческими неисправностями то уменьшалось, то увеличивалось незначительно с 5735 вагонов в 2000 году до 5827 вагонов в 2003 году. В 2004 году произошел резкий спад до 2915 вагонов. Но в 2005году их число увеличилось до 4255 вагонов (см. рис. 1.1), а в 2006 году составило 3757 вагонов.
Анализ показал, что основные нарушения при перевозке грузов - это неправильное закрепление и применение реквизита и приспособлений для крепления грузов, в том числе, не соответствие растяжек согласованному чертежу или неточный их расчет.
В 2006 году обнаружено 1578 вагонов с расстройством погрузки в пути следования (из них на ответственность станций Свердловской дороги 1032 вагона), в 2005 году было обнаружено 1798 таких вагонов (из них на ответственность станций Свердловской ж. д.- 400 вагонов (рис 1.5)). Наибольшее количество вагонов с коммерческими неисправностями, угрожающими безопасности движения поездов, обнаружено на ПКО Пермь-Сортировочная (1437 вагонов), Свердловск-Сортировочный (1550 вагонов).
За 2006 год в хозяйстве коммерческой работы в сфере грузовых перевозок случаев браков в работе не допущено, за аналогичный период 2005 года допущен один особый случай брака в работе - развал груза в пути следования на перегоне Богданович-Пышминскаи. За 2006 год на 31 станцию (из них декабрь 6 станций Ревда, Аппаратная, Озеро Андреевское, Воинова, Верхотурье, Верхнеконди некая ) дороги поступили оперативные донесения о приеме к перевозке 40 вагонов с нарушениями требований Технических условий погрузки и крепления грузов, что на 11 вагонов и 6 станций менее, чем за 2005 год (51 вагон и 36 станций). Наибольшее количество нарушений ТУ по дороге допущено при погрузке лесных грузов -22 вагона (55 %), 9 вагонов (22,5 %) металл и металлопродукция, 2 вагона контейнеры (5 %), 1 вагон строительные грузы (2,5%), 5 вагонов автомобили (12,5%), 1 вагон оборудование (2,5%).
На станциях: Баская, Менделеево, Харенки, Бабушкино, Алапаевск, Войновка, Верхотурье допускались нарушения технических условий погрузки в 2005 году.
Основными нарушениями при перевозке лесоматериалов являются: неподбор бревен по диаметру, неподсортировка лесоматериалов по длине, неправильное закрепление и применение реквизита и приспособлений для крепления лесных грузов, в том числе пакетированных пиломатериалов, погрузка лесоматериалов с применением зонального габарита погрузки на станции, расположенные на участках дорог, где данный габарит не должен применяться, не закрепление гвоздями верхнего поперечного скрепления боковых стоек, применение глава З ТУ ЦМ 943 на экспорт вместо ТУ издания 1990 года. Гвозди забиваются в упорные бруски с загибом головок, пол платформы не пробивают. В нарушение требований ТУ ЦМ-943 главы пункт 1.5 применяются некачественные бруски для подставки под автотехнику.
Данные нарушения являются следствием того, что в настоящее время отгрузкой таких грузов занимается разовые отправители, которые не имеют опытных мастеров погрузки, а работники станций погрузки недостаточно требовательны к отправителям данных грузов по соблюдению Технических условий погрузки и крепления грузов.
Особенно настораживают случаи брака, произошедшие с вагонами на железной дороге их приема к перевозке. В 2005 году подобные случаи брака за рассматриваемый период допущены с вагонами, принятыми к перевозке на Дальневосточной, Горьковской и Свердловской железных дорогах -по одному случаю брака на каждой. Положение дел по сравнению с аналогичным периодом прошлого года практически не изменилось. Так, подобные случаи брака в 2004 году были допущены на Дальневосточной, Восточно-Сибирской, Западно-Сибирской и Северо-Кавказской железных дорогах.
Случаи брака с начала 2005 года произошли со следующими грузами по железным дорогам отправления: лесоматериалы (в т. ч. шпалы) - 2 случая (Дальневосточной, Свердловской); металлопродукция - 1 случай (Донецкая ж.д.); техника -1 случай (Северо-Кавказской).
Случаи брака за аналогичный период 2004 года произошли со следующими грузами по железным дорогам отправления: лесоматериалы - 3 случая (Горьковской, Дальневосточной, Восточно-Сибирской); металлопродукция — 1 случай (Северо-Кавказской), техника - 1 случай (Западно-Сибирской ж.д.); другие (домик-бытовка)- 1 случай (Московской).
Сравнительная характеристика различных методов расчета транспортных систем
Важный параметр эксплуатационной работы - время нахождения вагонов на станции - используется при решении многих проектных и технико-экономических задач.
Графический метод определения времени нахождения вагонов на станциях моделировал их работу за сутки, не учитывал колебаний поездо- и вагонопотоков.
Исследователи 50-60-х годов пошли по пути аналитических расчетов, опираясь на вероятностные и эмпирические коэффициенты, уточняющие значения отдельных элементов простоя вагонов, использовать эти формулы для разных условий работы станций.
Н.И.Федотов в [124] привел аналитическую формулу для определения времени ожидания отправления поездов на участках в зависимости от его пропускной способности, размеров движения и числа путей в парке.
В последующие годы в аналитических формулах исследователи использовали некоторые положения теории вероятности и теории массового обслуживания.
Методика, предложенная И.Б.Сотниковым [94] , базировалась на предположении, что входящие на станцию потоки поездов и продолжительность их обслуживания описываются эрланговским законом распределения, частным случаем которого является распределение Пуассона. Опыт показывает, что возможности моделей строгой оптимизации и других аналитических моделей ограничены тем обстоятельством, что они могут опираться только на формализованные знания, то есть на параметры, между которыми известны строгие количественные зависимости. Но основную часть знаний о сложных транспортных системах составляют знания опытного характера или частично-формализованные.
Особенностью имитационной модели является то, что здесь не решается некоторая математическая задача и не требуется все сведения представлять в виде, требуемым применяемым математическим аппаратом. В имитационной модели как бы воспроизводится функционирование моделируемой системы, только в ускоренном режиме. Поэтому в модель могут войти частично-формализованные знания, и она может быть значительно богаче. Рациональное решение находится исследователем проведением направленных экспериментов.
Имитационное моделирование появилось как завершающий этап в развитии методов расчета транспортных систем. Дадим их сравнительную характеристику (табл. 2.1).
Графический метод - построение плана-графика (обычно, суточного) работы станции. Процедура эта обычно трудоемкая. После построения подсчитываются параметры. Метод учитывает особенности схемы путевого развития и технологии. Однако, там невозможно отобразить взаимодействие случайных процессов. Все временные параметры приходится задавать средними величинами. Это большой недостаток, так как в этом случае нельзя рассчитать очереди заявок и, значит, число резервных путей и простои вагонов. Метод существенно занижает потребность в путевом развитии. Кост - время профилактики. Кап - среднее время занятости пути обработкой одного состава. У - некоторый коэффициент, учитывающий неравномерность прибытия поездов, враждебность маршрутов и пр. Тогда требуемое число путей П N N где N - число поездов в сутки. Как видим, здесь не учитывается уровень загрузки горки, от которого прямо зависит величина очереди составов, а, значит, и число резервных путей. Не отображается взаимодействие случайных процессов, ибо t3aH величина постоянная. Кроме того, отображение неравномерности прибытия составов в виде некоторого коэффициента (неравномерности) - это весьма грубый подход, чреватый большими погрешностями.
Аналитический вероятностный. Расчет по формулам теории массового обслуживания. Собственно рассчитывается число резервных путей, а технологические берутся по числу бригад с учетом коэффициента загрузки. Расчетных формул великое множество [4,5,12,20,70,94,129]. Суть их сводится к следующему. Математическое ожидание очереди и ее среднеквадратическое отклонение определяют число резервных путей. П J Кипт » обр инт обр ) , где П - число резервных путей; tmm - средний интервал прибытия поездов, К бр - среднее время обработки поезда по прибытии. ипт - среднеквадратическое отклонение интервала прибытия; "обр - среднеквадратическое отклонение времени обработки. При этом f , так как канал обслуживания не может быть занят на 100%.
Аналогично рассчитывается и число резервных путей для составов, ожидающих расформирования на горке, только tmm в данном случае будет средний интервал выхода составов из обработки по прибытии, а шд - средне время расформирования на горке.
Явно видно, что здесь нельзя учесть сложную схему путевого развития. Есть еще один, очень существенный недостаток - не отображается управление. Поэтому число путей, как правило, завышено, даже в 2,0 и больше раза. Приведем пример. В стандартных условиях, маневровый диспетчер выбирает очередной состав для роспуска по наличию замыкающей группы. Но при всплеске прибытия он выбирает составы с наименьшим временем роспуска. Тем самым управление уменьшает потребность в резервных путях. Таким образом, время обработки колеблется, но не совсем случайно. Управление же в узле значительно масштабнее, чем на отдельной станции. Неучет его приводит к неправильным расчетам.
Имитационное моделирование. Свободно от перечисленных недостатков. Модель сразу показывает «узкие места» и как бы подсказывает решения по корректировке структуры.
Нагрузочные способности комплектов пружин тележек вагона от действия веса механической системы «груз-рама вагона-надрессорная балка»
Покажем нагрузочные способности комплектов пружин тележек вагона от действия веса механической системы «груз-рама вагона-надрессорная балка-комплект пружин» с учетом волны неровности пути, высота которой в основном зависит от соблюдения нормы содержания пути, при симметричном размещении центра тяжести груза относительно оси симметрии вагона.
К определению реакции рессорных комплектов тележки: 1 - рама вагона, 2 и 3 - надрессорные балки, 4 - 7 - комплекты пружин
Силы упругости комплектов пружин Fj в виде реакции связей RA, RB, Re и Ro определим для случая, когда груз размещен симметрично относительно продольной и поперечной оси симметрии вагона, т. е. когда общий центр тяжести груза ЦТгр совпадает с центром тяжести механической системы «груз -рама вагона-надрессорная балка» (рис. 3.3). Постановка задачи, основные допущения и методы решения.
Постановка задачи. Известно, что среди тяжеловесных грузов, перевозимых на открытом подвижном составе (ОПС), достаточно большой удельный вес составляют грузы с несимметричным расположением общего центра тяжести центра массы относительно центра пересечения осей платформы. При погрузке таких грузов на ОПС возникают продольные и поперечные смещения общего центра массы грузов относительно осей симметрии вагона, вследствие чего статическая и динамическая нагрузка от груза распределяется неравномерно по колесам вагона [7].
Принятые допущения. Допустим, что при движении подвижного состава с грузом по кривому участку пути из-за возвышения наружной рельсовой ни ти происходит наклон рамы вагона в сторону внутренней нити по причине осадки комплектов пружин на боковых рамах тележек, расположенных на стороне внутренней рельсовой нити. При этом угол наклона рамы вагона с грузом в сторону внутренней рельсовой нити можно определить с учетом вертикального смещения - 8г0 точки контакта надрессорной балки с комплектами пружин тележек из-за возвышения наружной рельсовой нити и расстояния между комплектами пружин - /„б, размещенных в проемах правой и левой боковой рамы, что соответствует расстоянию между серединными плоскостями буксового узла в мм (2036 мм).
Пусть несимметричное размещение груза относительно продольной оси симметрии вагона, например, будет осуществлено в сторону наружной рельсовой колеи на величину \уМ\. Здесь \уМ\ допустимое значение поперечного смещения общего центра тяжести груза ЦТгр относительно продольной оси симметрии вагона в м, принимаемое в зависимости от веса груза и высоты общего центра тяжести вагона с грузом над УГР по таблице 11 по ТУ. Так, например, если вес груза Q = 30 тс и высота общего центра тяжести относительно УГР не более 2.3 м, то допускаемое значение смещения общего центра тяжести груза относительно продольной оси симметрии вагона \уМ\ « 0.293 м.
При этом рама вагона и надрессорные балки передней и задней тележки от смещения центра масс (тяжести) ЦМсрг механической системы «рама вагона -груз» +уМ будут наклонены в сторону возвышения наружной рельсовой нити на угол , перегружая комплекты пружин опоры С и разгружая такие же пружины опоры D. При смещении же центра масс (тяжести) ЦМсрг механической системы «рама вагона -груз» на -уМ рама вагона и надрессорные балки передней и задней тележки будут наклонены в сторону внутренней рельсовой нити на угол -С,, перегружая комплекты пружин опоры D и разгружая такие же пружины опоры С. В таком наклоненном положении рамы вагона и надрессорных балок будет находиться вагон с грузом в составе поезда.
При смещении общего центра тяжести ЦТгр относительно продольной оси симметрии вагона происходит наклона рамы вагона с грузом в сторону смещения груза. При этом угол наклона рамы вагона с грузом можно определить с учетом возможного вертикального смещения - 5z точки приложения общего центра тяжести груза относительно продольной оси симметрии вагона на расстояние уМ (см. [89]). В этом случае на подпятник надрессорной балки через пятник рамы вагона на расстоянии ус от его вертикальной оси будет передаваться силы давления со стороны рамы вагона с грузом.
В случае, когда несимметричное размещение тяжеловесного груза относительно продольной оси симметрии вагона, например, будет осуществлено в сторону внутренней рельсовой нити на величину -уМ, рама вагона и надрес-сорные балки передней и задней тележки от смещения центра масс ЦМсрг ме: ханической системы «рама вагона -груз» будут наклонены в сторону возвышения внутренней рельсовой нити на угол -С,, перегружая комплекты пружин тележек опоры D и. разгружая такие же пружины опоры С.
Таким образом, в математической модели смещения центра масс ЦМсрг в сторону наружной или внутренней рельсовой нити в математической модели будет учтена лишь знаками смещения общего центра масс вагона с грузом уМ и угла С,.
Методика проведения вычислительных экспериментов по определению усилий в гибких креплениях груза
В разделе изложены методические основы по определению перемещений и натяжений в гибких элементах креплений груза, размещенного в вагоне со смещением общего центра тяжести относительно продольной оси симметрии вагона при одновременном действии продольных, поперечных и вертикальных сил при движении поезда по кривому участку пути.
Выполненные в работе аналитические исследования по определению усилий в гибких элементах креплений в виде систем уравнений с использованием численного метода дают возможность обосновать рациональные параметры гибких элементов креплений груза на основе результатов вычислительных экспериментов, направленных на дальнейшее развитие методики действующих ТУ.
Разработка усовершенствованной методики расчёта усилий в гибких элементах креплений, используемых для удержания груза, базируется на классических методах теоретической механики (принцип освобождаемости от связей, уравнения относительного равновесия, закон Кулона), сопротивление материалов (метод сечений, закон Гука) и вычислительной математики (метод итерации или метод последовательных подстановок) с широким применением универсальной вычислительной среды MatCAD.
Вычислительные эксперименты по определению усилий в гибких элементах креплений груза выполнены в следующей последовательности: - ввод исходных данных в виде технико-эксплуатационных характеристик вагона, геометрических параметров гибких элементов креплений и груза, веса груза, скорости движения вагона, коэффициента трения между соприкасающимися поверхностями груза и пола вагона, усилия предварительных натяжений гибких элементов креплений; - непосредственное вычисление усилий Si в гибких элементах крепления груза с использованием полученных в разделе 3 выражений в виде (3.40)...(3.59) совместно с физическими сторонами статической неопределимой системы "груз-крепление-вагон-путь" с плоским основанием в виде (3.23), (3.26) и соотношениями (3.24), (3.27) с использованием возможности вычислительной среды MathCAD.
Для примера приводится методика расчета усилий в гибких элементах креплений груза, схема размещения и крепления которого на платформе, приведена на рис. 3.6,а,б.
Ниже приводим последовательность проведения вычислительных экспериментов по определению нагрузочной способности и параметров гибких элементов креплений, имитирующих различные условия движения поезда.
Исходные данные:
1) постоянные параметры расчета в виде поперечного расстояния между стоечными скобами вагона и модуля упругости отожженной стальной проволоки, используемой в виде креплений груза;
2) масса и геометрические параметры груза, кинематические параметры пути, параметры гибких элементов креплений (диаметр, число нитей, площадь поперечного сечения, усилия предварительного натяжения), а также переносные ускорения вагона, которые по ходу расчета могут быть изменены. Расчет выполняется в следующей последовательности. а) вычисляются варьируемые параметры смещений общего центра тяжести груза поперек вагона; б) вычисляются кинематические возмущения, передаваемые на груз со стороны пути и вагона в виде продольного, поперечного и вертикального сил инерции; в) вычисляются проекции веса груза на координатные оси; г) варьируемые параметры нагрузок и сил инерции; д) вычисление координат приложения сил; е) задаются варьируемые параметры гибких элементов креплений; ж) представление искомых параметров с использованием функций Find; з) получение результатов вычислений искомых параметров - нормальной реакции связи N и координаты точек ее приложений xN и yN; сил трения между соприкасающимися поверхностями груза и пола вагона FTp; значений сдвигов груза вдоль и поперек вагона (Ах и Ау), а также возможный поворот груза вокруг вертикальной оси (Дф); усилий в гибких элементах креплений S{ (/ = 1, л).
Монтажные петли тяжеловесного груза относительно продольной и, особенно, поперечной осей симметрии вагона размещены несимметрично. В соответствии с этим, среди гибких элементов креплений имеются крепления, длины которых различны по длине и которые несимметрично расположены относительно поперечной оси симметрии вагона.
Кинематические параметры пути: радиус кривизны траектории в данной точке кривой р = 1200 м. Поезд движется по кривому участку пути со скоростью 100 км/ч без спуска (Д# = 0). Заданной величине скорости поезда и радиуса кривизны кривой соответствует возвышение наружного рельса относительно внутреннего A/z = 0.104 м, и угол наклона этого возвышения 9 = 3.75 град.
Тяжеловесный груз размещен в вагоне со смещением общего центра тяжести относительно продольной оси симметрии вагона уМ, допускаемое значение которого определяется по табл. 11 ТУ в зависимости от веса груза Q.
Вертикальное смещение точки контакта надрессорной балки с комплектами пружин из-за возвышения наружной рельсовой нити относительно внутренней приняли равным 5z0 = 6 мм. При этом угол наклона рамы вагона с грузом в сторону внутренней рельсовой нити, оказался равным л = 0.338 град.
В общем случае считали, что на подсистему «груз-крепление» действует продольные (Фх и Wx), поперечные (Фу, Фцб и Wy) и вертикальные (Фг) силы. Кроме того, на систему действуют моменты сил инерции от виляния М2 груза относительно вагона. Груз через монтажные петли прикреплен к увязочным устройствам (или стоечным скобам) вагона гибкими элементами креплений (или проволочными растяжками и обвязками) диаметром 06 мм и числом нитей п = 6. Предварительные натяжения 0, всех гибких элементов приняли одинаковыми и равными 20.1 кН. Коэффициент трения груза о пол платформы/= 0.4 (сталь по дереву).
Перед проведением вычислительных экспериментов значения поперечного и вертикального переносных ускорений вагона с грузом аех = 0.25g, аеу = 0.3g и aez = 0.66g были с использованием способа последовательных приближений подобраны так, чтобы натяжения в гибких элементах креплений груза находились бы в переделах допустимых значений 38.7 кН (SOi + [S,] = 2.01 + 1.86 = 3.87 тс, где S0t - заданное значение усилий предварительных натяжений и [5,-] - допустимое значение натяжения гибкого элемента крепления по данным табл. 20 ТУ).
Вычислительные эксперименты проводили численным способом (метод итераций) с использованием возможности вычислительной среды MathCAD. Обработку табличных данных выполнили методами обработки статистических данных, встроенных в вычислительную среду MathCAD.
Согласно метода последовательных приближений, вначале следует присвоить начальные значения натяжений St (или натяжений от предварительных закруток) всех гибких элементов креплений так, чтобы при заданных исходных данных натяжения в элементах креплений 7 и 8, расположенных перпендикулярно к боковой поверхности груза и предназначенных для восприятия только поперечных сил, имели бы максимальное значение.
