CC BY
22
УДК 629.4.015:629.4.027.4
В. О. МЕЛЬНИЧУК (КМУ, Кшв), О. М. САВЧУК, М. А. ГР1ЧАНИЙ, I. Ю. ХОМЕНКО (ДПТ)
АНАЛ1З ПОПЕРЕЧНИХ КОЛИВАНЬ КОЛЕСА В1ДНОСНО РЕЙКИ З В1ДЕОЗАПИС1В
У статп аналiзуються ввдеозаписи руху колеса по рейковш коли, зробленi шд час динашчних випробу-вань вагошв. Обробка включае в себе фшсацгю положень обода колеса вiдносно рейки, побудову сплайн-функцп перемiщень та и частотно! характеристики. Метою aнaлiзу е визначити нaявнiсть гaрмонiйних скла-дових у поперечних перемiщеннях колеса.
В статье анализируются видеозаписи движения колеса по рельсовой колее, сделанные во время динамических испытаний вагонов. Обработка включает в себя фиксацию положений обода колеса относительно рельса, построение сплайн-функции перемещений и её частотной характеристики. Цель анализа - выявить наличие гармонических составляющих в поперечных перемещениях колеса.
In the article the videotape recordings of wheel motion on rail track, done during the dynamic tests of carriages, are analyzed. The treatment includes fixing of wheel rim positions in relation to a rail, construction of the spline function of displacement and its frequency description. The purpose of analysis is to determine the presence of harmonic components in the transversal wheel displacements.
О^мкий розвиток систем вщеозапису, 'х мшатюризащя i висока надшнють за несприят-ливих умов використання дають вченим-експериментаторам новий ушкальний шстру-мент фшсацп вiзуальних даних при проведенш ходових динамiчних випробувань рухомого складу. При цьому актуальною проблемою е правильнiсть iнтерпретацii i точнiсть визначен-ня взаемних перемщень частин вагону щодо один одного, а також щодо рейковоi коли. Як приклад, розглянемо процедуру визначення величини i частоти поперечних коливань колю-но' пари в рейковому зазор^ знаючи якi, мож-ливо спрогнозувати втрату стшкост руху ею-пажу [2, 3] при рiзних швидкостях.
На сьогоднiшнiй день вiдомi наступнi спо-соби визначення цих величин:
• механiчний пристрiй для фшсаци перем> щень «вагон-рейки» типу пружного двоко-ординатного шарнiру [1] (недолгом такого пристрою е фшсування перемiщень тiльки при низькiй швидкосп руху вагона, бо вiн притискаеться до рейок за допомогою ро-лиюв);
• датчик перемiщень, встановлений мiж шкворневою балкою та корпусом букси [4], рееструе поперечнi змiщення колюно' пари вiдносно кузова, але вш дае приблиз-ну iнформацiю щодо взаемних перемщень пари «колесо-рейка», оскшьки база вщлшу (шкворнева балка кузова) сама тддаеться складним просторовим коливанням;
• датчик кутових перемiщень надресорно. балки вiзка вщносно кузова, який викорис-товуються для реестраци виляння вiзка, але вш працюе нестабiльно через малiсть ви-мiрюваних кутiв повертання.
Всi вищеперелiченi методи мають сво' недолги, що впливають на правильнiсть штер-претацii результатiв вимiрювань.
Але у тепершнш час нескладно провести, без обмежень на швидюсть i умови руху вагону, вщеозйомку пари «колесо-рейка», яка дае можливють вiзуально оцiнити характер динам-чних процеив, що проходять. Для правильностi штерпретаци отриманих вiдеозаписiв (усунення накладок вщ коливань камери i колеса) викори-стовуемо наступну методику.
Для визначення процесу змiни вщсташ у, (рис. 1) мiж зовшшньою гранню головки рейки i гребеневою гранню обода колеса застосуемо функщю:
у=т,
(1)
де ti — момент зйомки i -того кадру вщеозапи-су.
За умови, що вщеозапис зроблений з нормальною частотою / = 12,5 Гц (вщповщно, перюд розкадровки Т = 0,08 с) i оброблюеться покад-рово, то функщя (1) буде представлена у вигля-Ai мaтрицi:
to + (n - 1)T
Уп
E =
to
to + T
t0 + 2T
У1 У 2
Уз
(2)
© Мельничук В. О., Савчук О. М., Грiчaний М. А., Хоменко I. Ю., 2010
' i
Рис. 1. Кадр Í3 вщеозаписом
Побудувати матрицю Е автоматично шляхом розшзнавання вщповщних об'екпв на bí-деокадрах поки неможливо, тим бшьше, що коливання камери дещо змшюють положення рейки у кожному кадрь Тому формування Е виконувалось у наступному порядку:
На першому emani за допомогою стандарт-них програм (Virtual Dub, Windows Movie Maker та ш.) необхщно провести розкадровку вiдеозапису на окремi кадри та пронумерувати цi кадри у вщповщносп до шкали часу t¡.
На другому emani за допомогою стандарт-них програм (Microsoft Foto Editor, Photoshop та ш.) кожен кадр розкадровки вiдеозапису по-вертаемо на такий кут, щоб пара «колесо-рейка» зайняла суворо вертикальне (чи горизо-нтальне) положення, що дасть змогу уникнути ефекту коливань камери вщносно площини колеса. Надалi видiляемо фрагмент мiж гранями рейки та колеса, та вираховуемо розмiр yi (рис. 2) (для визначення масштабного коефще-нту виконуемо замiр повно! ширини обода колеса та перерахунок розмiрностi «тксель» в мiлiметр).
На третьому emani формуемо масив даних Е методом розмщення значень ti та yi у формi двомiрноi матрицi. 1мпортувавши матрицю Е (розмiром 2*«) у програму МАТЬАВ, з'еднаемо послiдовно ус значення yi плавною сплайн-функцiею (в^^зками кубiчних парабол, що проходять через задаш точки) та отри-муемо амплiтудну функцiю Х. Останню за допомогою перетворення Фур'е перетворюемо в спектральну щiльностi коливань пари «колесо-рейка».
Вiдпрацювання приведено! методики проводилось на взiрцевiй функци:
у = 110 + 25sin2n(1,5ti), (5)
що була задана матрицею Е1 через iнтервал At = 0,08 с загальним числом точок п = 135. Па-раметри взiрцевоi матрицi подiбнi одержаним при обробщ вiдеозаписiв «колесо-рейка», але вона мае едину частоту коливань f = 1,5 Гц, близьку до автоколивань вiзка моделi 18-100 порожнього шввагона, що збурюються iз втра-тою стiйкостi руху.
Выаепемие: 316.259:337.355 Ш.В: 22.37
Рис. 2. Визначення розм1ру у.
При формуванш Е1 були умисно внесенi «помилки» на 2-й, 3-й, 4-й, 8-й та 11-й секундах - !х видно на побудованш сплайн-функци на рис. 3 а (верхнiй ампл^удний графiк). Як i припускалось, таю випадковi помилки не по-значаться суттево на частотнiй характеристицi (нижнш графiк рис. 3 а). Ii сплеск вказуе на частоту коливань 1,5 Гц iз щшьшстю 22 % (масштаб щшьност заданий вщносно ста процеш!в для чистого гармошчного процесу).
Налагоджена на взiрцевiй функци програма обробки була використана для розшифрування еталонного вiдеозапису коливань пари «колесо-рейка», записаного сшвпращвниками 1ТМ на полiгонi Белореченська - Майкоп. Випробував-ся пiввагон на типових вiзках мод.18-100 зi зношеними колесами (товщина гребеня 27 мм) з метою дослщження впливу комплексно! мо-дернiзацii вiзкiв на ходовi якостi вагона.
Аналiзувалась тiльки лiва частина вщеоза-пису (у праву частину вщеоролика вмонтованi аналогiчнi зйомки руху вiзка, комплексно мо-дершзованого з використанням елементiв «А.Стакi» i зносостшкого профiлю 1ТМ-73). Цей ролик вщомий спецiалiстам - вiн демон-струвався у доповiдях та описаний у джере-лах [6].
При переглядi еталонного запису склада-еться враження, що колесо увесь час знахо-диться у режимi iнтенсивних поперечних автоколивань - через втрату стшкосп руху.
Рис. 3. Результати ан^зу коливань: а) B3ip^Boï функци; b) еталонного ввдеозапису коливань Bi3Ka мод. 18-100 на 9...20 с; с) еталонного вщеозапису коливань BÎ3M мод. 18-100 на 0...10 с
Швидюсть V = 70 км/год для порожнього шввагона iз зношеними колесами близька до критично' на прямолшшнш коли, але вщеоро-лик знiмався i при проходженш криволiнiйноi дiлянки радiусом R = 650 м. 1з минулих досл> джень [5] витiкало, що у кривш критична шви-дюсть зростае, - отже на частиш вiдеоролика можливе затухання коливань колеса. Уважний перегляд показав, що шсля 20-' секунди вiд початку ролика помггне затухання виляння. Тому було покадрово оброблено два фрагменти в> деоролика:
I фрагмент - вщ t = 19,2 с до t = 32,6 с -матриця Е2, характеристики див. на рис. 3Ь;
II фрагмент - вщ t = 0,2 с до t = 10,2 с -матриця Е3, характеристики див. на рис. 3с.
З частотних характеристик видно, що у фрагмент II домшуе едина частота /а = 1,67 Гц (iз щiльнiстю спектру 3 %).
При експериментальних дослiдженнях виляння частин шввагона, що втратив стшюсть руху, була визначена частота автоколивань близько 1,5 Гц [4]. Це свщчить про наявшсть на фрагментi II еталонного вщеозапису автоколи-вань колюно' пари поперек рейково' коли, -отже втрата стшкосп руху подтвердилась.
Щодо фрагменту I, то тут домiнують три низькi частоти / = 0,87 Гц та / = 0,95 Гц (iз щшьшстю спектру 0,13 %), а також / = 1,04 Гц (iз щiльнiстю спектру 0,21 %), а на частой /а можна побачити мiзерний сплеск iз щiльнiстю 0,03 %.
Обробка еталонного вщеозапису за викла-деною методикою дозволила визначити насту-пне:
- критер1ем збурення поперечних автоколи-вань кол1сног пари у рейковому зазор1 е наявшсть сплеску частоти /а = 1,5... 2 Гц (в ре-зультат1 анал1зу одержано /а = 1,67 Гц ) з! щшьшстю спектру ~ 3 %;
- в1дсутюсть або незначна щтьтсть сплеску частоти /а за наявност1 домтуючих сплес-кв бшьш низьких частот / < /а св1дчить, що автоколивання погашен, внасл1док входу вагона у кривол/тйну дшянку колг г.
Описана процедура використовувалась та-кож для оцшки стшкосп руху шввагона, вщре-монтованого за технолопею «Дншро». Розроб-лена сумюно з ДП «Придншровська залiзниця», вказана технологiя ДР вагонiв експлуатацшно-го парку передбачае обладнання вiзкiв мод. 18-100 пристроями, що шдвищують критичну швидкiсть порожнього вагона до > 100 км/год, тобто вагон здобувае швидюсну катего-рда «5» за класифiкацiею и1С.
У процес динамiчних випробувань дослщ-ного шввагона № 66489808 шсля ремонту за технолопею «Дншро» були виконаш вщеозйо-мки пiд час руху порожнього зчепу зi швидюс-тю 80, 100 та 132 км/год.
Прикршлена до кшцево' балки кузова, камера зшмала положення колеса вщносно рейки (див. рис. 1, 2). По цих вщео сформоваш мат-рицi Е4...Е6.
Результати аналiзу представленi на рис. 4.
Рис. 4. Результата анал1зу ввдеозапис1в коливань «колесо-рейкам» дослiдного пiввагона пiсля ДР за технологieю «Дншро»: а) при швидкосл v = 80 км/год;
b) при швидкостi v = 100 км/год;
c) при швидкосл v = 132 км/год
Верхн1 ампл^удш характеристики вказують на безперервш перемщення колюно! пари у рейковому зазор1 в результат! випадкових по-перечних збурень. Матриця Е4 побудована з покадровим зшманням розм1р1в у,, тому на рис. 4а коливання представлен! детальшше, шж при v = 100 i v = 132 км/год. Вщповщш матриц Е5 i Е6 сформованi з перемшним At = = 0,08...0,56 с, тобто через 1...6 кадрiв вщео. При цьому оператор старався не пропустити кадрiв з максимальним наближенням (або вiд-даленням) гребеня до рейки. Виявилось, що апроксимацiя сплайн-функцiями працюе i при нерегулярнiй розкадровцi, якщо у Е значення стовпця часу постшно наростають. Природно, що високочастотш гармонiки перемiщень част-ково згладжуються, але iндикацiя автоколивань не повинна попршитись, оскiльки останнi ха-рактерш регулярними контактами гребенiв колю то з лiвою, то з правою рейками.
Розгляд частотних характеристик, наведе-них на рис. 4, вказуе на наступне:
- на ycix розглянутих швидкостях руху вагона поперечш автоколивання колеса eidHOCHO рейки вiдсутнi (мають рiвень i3 щыьмстю спектру менш шж 0,32 %). Отже, рух до^дного вагона стткий по Ляпунову.
Цей висновок тдтримуеться результатами аналiзу поперечних динамiчних зусиль та при-скорень, зареестрованих тд час динамiчних випробувань вагона.
Б1БЛЮГРАФ1ЧНИИ СПИСОК
1. Измерение динамического профиля пути [Текст]. - В кн.: Некоторые задачи механики скоростного транспорта / В. А. Лазарян и др. -К.: Наук. думка, 1970. - С. 88-94.
2. Автоколебания и устойчтвость движения рельсовых экипажей [Текст] / Ю. В. Демин и др. -К.: Наук. думка, 1984. - 160 с.
3. Пшшько, О. М. Пвдвищення швидкосл вантаж-них по!зд1в [Текст] / О. М. Пшшько, М. I. Сер-пенко, О. М. Савчук // Вагонний парк. - 2007. -№ 6. - С. 13-17.
4. Савчук, О. М. Об интенсивном вилянии тележек [Текст] / О. М. Савчук, О. В. Шатунов, Н. А. Гричаный // Ж.д. транспорт (РФ). -2003. - № 3. - С. 44-45.
5. Мельничук, В. О. Проблема тдвищення швидкосл вантажних по!зд1в [Текст] / В. О. Мельничук, О. М. Пшшько, О. М. Савчук // Вюник Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - 2008. - Вип. 22. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2008. - С. 40-45.
6. Комплексная модернизация ходовых частей грузовых вагонов [Текст] / В. Ф. Ушкалов и др. // Вагонный парк. - 2007. - № 2. - С. 18-22.
Надшшла до редколеги 23.03.2010.
Прийнята до друку 07.04.2010.
