CC BY
58
сти алгоритма. Доказано, что существуют несколько допустимых областей kg, которые дают наилучшую сходимость, но оптимальный диапазон этого коэффициента рекомендуется брать в зависимости от единиц измерения варьируемых параметров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дмитриева Т.Л., Ле Чан Минь Дат, Нгуен Ван Ты. Построение математических моделей для проблемы оптимального проектирования стальных конструкций с учетом нормативных ограничений по прочности и устойчивости // Труды XVIII Байкал. Всерос. конф., 2013, Т. 1, с. 167-173.
2. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. - М., 1975.
3. Adeli H., Kamal O. Efficient Optimization of Space Trusses. Computers and Structures. 1986. 24(3). РР. 501-511.
4. Hojjat Adeli, HyoSeon Park. Optimization of Space Structures by Neural Dynamics // Neural Networks. 1995. Vol. 8, No. 5. РР. 769-781,
5. Venkayya V.B., Khot N.S., & Reddy, V.S. Energy Distribution in an Optimal Structural Design // AFFDLTR-68-156, Flight Dynamics Laboratory, Wright-Patterson AAFB, Ohio.
6. Гольштейн Е.Г. О сходимости градиентного метода отыскания седловых точек модифицированных функций Лагранжа // Экономика и математические методы. 1977. Т. 13. № 2. С. 3.
УДК 531.3:681.5.01:658.5 Железняк Василий Никитович,
к. т. н., доцент, заведующий кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. +7 (9148) 969-792, e-mail: [email protected]
Ермоленко Игорь Юрьевич,
аспирант, кафедра «Вагоны и вагонное хозяйство», Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. +7 (9642) 218-082, e-mail: [email protected] Ковенькин Дмитрий Александрович,
к. т. н., доцент кафедры «Путь и путевое хозяйство», Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. +7 (9021) 711-078, e-mail: [email protected]
АНАЛИЗ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ БОКОВЫХ РАМ ТЕЛЕЖЕК МОДЕЛЬНОГО РЯДА 18-100 ПРИ СИЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ РЕЛЬЕФОМ ГОРНОГО ПУТИ И ДЕФЕКТАМИ НА ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ КОЛЕСО - РЕЛЬС
V. N. Zheleznyak, I. Yu. Ermolenko, D. A Kovenkin
ANALYSIS OF MODEL SERIES 18-100 TRUCKS SOLEBAR FREE VIBRATIONS AT FORCE ACTIONS, CAUSED BY THE TERRAIN OF THE MOUNTAIN PATH AND DEFECTS
ON WHEEL-RAIL TREAD AREA
Аннотация. На Восточно-Сибирской железной дороге существуют проблемные вопросы по пропуску грузовых поездов. В течение длительного времени наблюдается повышенный уровень и интенсивность отказов в работе буксовых узлов, что приводит не только к срыву графика движения грузовых и пассажирских поездов, но и к увеличению времени и затрат на техническое обслуживание грузовых вагонов. В данной статье рассматривается постановка задачи оценки колебаний механической системы, состоящей из кузова вагона и тележек, которые взаимодействуют с рельефом горного пути и дефектов на поверхности катания колесо - рельс. Проведена оценка работоспособности буксовых узлов, анализ статического и динамического состояния боковой рамы тележек грузовых вагонов при наличии дефекта на поверхности катания колесо - рельс.
Ключевые слова: собственные колебания, вагон, модельный ряд тележек, колесная пара, рельефный горный путь, неровность, возмущения, динамическая модель, дефекты на поверхности катания колеса и рельса.
Рис. 6. Влияние коэффициента kg на число обращений к целевой функции
Заключение
Решены тестовые задачи оптимального проектирования пространственных конструкций с использованием программного комплекса РОПМК. В рассмотренных примерах элементы конструкций были сгруппированы по типу сечений (8 - в примере 1; 16 - в примере 2). Это позволило сократить число варьируемых параметров, что в конечном итоге повысило сходимость алгоритма и сократило время вычислений.
Выполнено сравнение полученных решений с решениями других авторов [3-5]. Результаты показали, что использование алгоритма НМП на основе модифицированной функции Лагранжа даёт хорошую сходимость за малое число итераций.
Исследовано влияние коэффициента нормировки функции ограничений на скорость сходимо-
Механика
Abstract. On the East-Siberian railway, there are problematic issues to freight trains pass. For a long time an increased level and intensity of axle-boxes failure is observed, which not only leads to schedule disruption of freight and passenger trains, but also increases the time and cost for maintenance of freight cars. This article discusses the problem of assessing the impact of fluctuations in the mechanical system consisting of car body and the bogies, which interact with the terrain of a mountain path, and defects on the wheel-rails tread surface. The performance of axle-boxes is assessed, the static and dynamic freight cars bogies solebars condition is analyzed in case of defects on the wheel-rail tread surface.
Keywords: free vibrations, car, model truck series, pair of drivers, mountain road, roughness, forcing process, dynamic model, defects on wheel-rail tread area.
Введение
Прочность, интенсивность использования и качество технического обслуживания основных технических средств локомотива, вагона, пути на всех железных дорогах мира, в том числе и России, были и есть определяющими в безопасности движения поездов [1].
Исторически так сложилось, что в России прочность железнодорожного пути после перехода на новый тип рельса Р65 многократно увеличилась и стала самой высокой в мире. Прошло уже более 25 лет, но и сегодня мы имеем большие претензии к состоянию пути, особенно в сложных горноперевальных условиях, при наличии резких переходов профиля, а также радиусов малой кривизны, т. е. <350 м. В нашей статье мы рассматриваем проблемы обслуживания и эксплуатации подвижного состава на участке Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД), которая расположена в сложных геоклиматических и геологических условиях. Развернутая длина главных путей дороги 6188 км, в том числе федерального значения -3848 км. Протяженность кривых составляет 45,1 %, в том числе 25,4 % с радиусами 250-650 м. Часто приводят данные о том, что путь на этих отрезках имеет около 8000 правых-левых поворотов, протяженность бесстыкового пути составляет более 3000 км.
Рассматривая модель пути, режим ведения локомотива и состояние вагонов, всё это представляем как сложную механическую систему, которая участвует в общей динамике колебательного процесса влияет на безопасность движения. Для того чтобы раскрыть механизм и разобраться в причинах схода колес с рельсов, нами предлагается:
- провести анализ влияния силовых воздействий в кривых малого радиуса, обусловленных рельефом пути, на эксплуатационную надежность буксовых узлов тележки модели 18-100 на примере горно-перевального участка ВСЖД в районе станции Большой Луг;
- оценить влияние различных типов дефектов на поверхности катания рельса и колеса [2-3].
Общие положения. Особенности
постановки задачи
Известно, что критерием истины при определении причин и механизма схода колес с рель-
сов являются натурные эксперименты, их результаты требуют осмысления и представляют огромный интерес.
Кривые малого радиуса всегда вызывают необходимость снижения скорости движения. Кроме того, в кривых значительно возрастает нагрузка на узлы и детали подвижной единицы, в том числе и на буксу, за счет действия рамной силы.
Для обоснования взаимозависимости двух факторов: кривой пути и нагревания буксового узла - была положена гипотеза о том, что кривые малого радиуса (Я < 349 м) являются катализаторами для перехода буксового узла из скрытого аварийного состояния в очевидное аварийное состояние [4].
Для подтверждения выдвинутой гипотезы были рассмотрены случаи отцепок грузовых вагонов на участке Иркутск-Сортировочный - Слю-дянка Восточно-Сибирской железной дороги по причине грения буксового узла за 2014 г. (рис. 1).
В том же году по технической неисправности по буксовому узлу было допущено 1395 отцепок вагонов против 1173 за 2013 год, что на 222 больше чем в прошлом году, и их число продолжает расти.
Оценка работоспособности и надежности
буксовых узлов
Многие десятилетия известные ученые Ю.С. Ромен, В.С. Лысюк, М.Ф. Вериго, А.Я. Коган и др. указывали основные причины схода подвижного состава:
- раскантовка рельса;
- излом рельса;
- сдвиг рельсошпальной решетки;
- всползание колеса на рельс и др.
Проводились теоретические и экспериментальные исследования влияния характеристик пути на сходы [5].
Моделирование движения производилось для пути реального очертания с боковым износом рельсов 3 мм, коэффициент трения по ширине поверхности трения головки рельса принимался равным 0,25. Рассматривалось 72 варианта взаимодействия экипажа и пути:
1) по условию плана пути;
2) по условию подуклонки рельса;
3) по условию скорости движения экипажа.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Рис. 1. Анализ отцепов вагонов на перегоне Иркутск-Сортировочный - Слюдянка
По результатам моделирования были получены осциллограммы колебаний виляния экипажа в зависимости от пройденного пути, по которым визуально определены диапазоны скоростей движения экипажа, соответствующие потере устойчивости движения, которые приведены в табл. 1.
Т а б л и ц а 1 Скорости движения экипажа, соответствующие
План пути Подуклонка Скорость, км/ч
Кривая радиусом 650 м, возвышение 120 мм 1/12 60-85
1/20 75-80
1/30 65-70
1/60 65-70
Кривая радиусом 850 м, возвышение 150 мм 1/12 60-65
1/20 70-75
1/30 65-70
1/60 65-70
Прямая 1/12 55
1/20 55
1/30 55
1/60 55
Таким образом, следует отметить, что отцепы происходили из-за нагрева буксового узла (рис. 2), как правило, после прохождения кривой малого радиуса [6].
Из табл. 1 видно, что для экипажа в кривых критическая скорость максимальна при подуклон-ке 1/20, а потеря устойчивости наблюдается при 55 км/ч. Произведенный эксперимент позволил разработать методы и средства измерения боковых сил, угла набегания и износа рельсов, что является определяющим при оценке работоспособности и надежности буксовых узлов.
Рис. 2. Анализ показаний «Тревога-0» аппаратуры КТСМ
на участке Иркутск-Сорт. - Слюдянка (3127)
Анализ статического и динамического
состояния боковой рамы
В экспериментальных исследованиях взаимодействия вагона и пути определяются механические характеристики вагона и пути, значения наиболее существенных параметров механических процессов во взаимодействующих конструкциях. В основу этих исследований положены комплексные испытания с использованием динамометрического и путеиспытательного вагонов-лабораторий, с помощью которых регистрируются соответствующей электронной измерительной аппаратурой и компьютерами:
- линейные и угловые перемещения обрессоренных и необрессоренных масс вагона;
- вертикальные и горизонтальные ускорения;
- динамические силы, действующие на вагон при различной конструкции пути и различных неровностях пути;
- вертикальные и горизонтальные нагрузки на путь от вагонов;
Механика
- напряжения в элементах вагона и пути.
По результатам испытаний определяется максимально допустимая скорость движения вагонов по пути с различными типами верхнего строения и планами линии (прямые, кривые) при наличии различных отступлений от проектных норм устройства пути и ходовых частей вагона. В комплексных испытаниях изучается также влияние на динамические процессы различных вариантов конструктивных решений ходовых частей вагона.
Для оценки возможного влияния поперечных сил на зону перехода R55 было осуществлено КЭ-моделирование НДС боковины в процессе ее упругих колебаний [7, 8].
В вышеуказанных работах подробно изложены результаты частотных исследований и приведен анализ, позволяющий сделать вывод, что учет поперечного воздействия возникающего в процессе эксплуатации, является необходимым элементом расчетного обоснования работоспособности, а также разработки конструктивных рекомендаций, направленных на повышение надежности.
В
I
Рис. 3. Интенсивность внутренних напряжений в боковой раме в течение одного периода процесса собственных колебаний
Необходимо напомнить, что основные технические средства транспорта, особенно путь и вагон, весьма консервативны и обладают огромной «наследственной» памятью к перегрузкам. Их «здоровье» было подорвано в результате неразумного десятилетнего эксплуатационного эксперимента по загрузке вагонов 61т - 72т - 80т, при этом были снижены скорости движения поездов, а технические характеристики, например возвышение наружнего рельса, остались прежними, которые были предназначены для более высоких скоростей. Естественно, что эти негативные последствия указанного эксперимента сказываются на дорогах России и особенно на нашем горноперевальном участке, в том числе на интенсивности бокового износа рельсов, гребней и в целом на безопасности движения.
Заключение
Результаты статического и динамического анализа состояния боковой рамы приводят к принципиально различным выводам. При статиче-
ском нагружении очаг возможного разрушения располагается в зоне стыка вертикальной колонки рамы и опорной площадкой пружинного комплекта рессорного проёма. Этот вывод подтверждается результатами разрушения рамы статической нагрузкой. При динамическом характере колебаний рамы возможный очаг разрушения локализуется в зоне радиусной галтели R55 челюстного проёма. Экспериментальная эксплуатация боковых рам показала также, что не изменяется положение очага разрушения и исключаются литейные дефекты рамы в зоне галтели R55.
Повышение эксплуатационной надежности боковых рам требует увеличения изгибной жесткости рамы в поперечном направлении, что может быть достигнуто изменением профиля сечения средней части рамы, например её утолщением или увеличением радиусов галтельных переходов её сечения в зоне её верхнего пояса.
Повышение эксплуатационной надежности боковых рам требует исключения ситуации, когда в паре колёс, объединённых одной боковой рамой, находятся два колеса, имеющих дефекты типа «ползун».
Необходимо осуществление ходовых испытаний вагонов, направленных на исследование пространственной динамики колебаний боковой рамы в процессе движения, с выявлением как частот колебаний рамы в процессе движения, так и их амплитуд и ускорений в трех координатных плоскостях.
Необходимо осуществление расчетных исследований, направленных на выявление характера распространения волн деформаций в цельнокатаных колесах рассматриваемых тележек, вызванных ударным взаимодействием колеса и рельса при прохождении рельсового стыка или при наличии на поверхности катания колес ползунов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лысюк В.С. Причины и механизм схода колеса с рельса. Проблема износа колес и рельсов. М. : Транспорт, 1997. 188 с.
2. Ермоленко И.Ю. Железняк В.Н. Мартыненко Л.В. Влияние размеров и форм дефектов поверхности катания рельсов и колес горно-перевалочного участка ВСЖД на надежность работы грузовой тележки модели 18-100 // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : сб. науч. тр. Иркутск, 2015.
3. Ермоленко И.Ю., Железняк В.Н., Санникова Е.Г. Влияние силовых воздействий, обусловленных рельефом пути, на эксплуатационную надежность буксовых узлов тележки модели 18-100 на примере горно-перевального участка ВСЖД // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : сб. науч. тр. Иркутск, 2015.
4. Покацкий К.В. Методы определения боковых сил //
Проблемы путевого хозяйства Восточной Сибири : сб. науч. тр. Иркутск, 2005. 208 с.
5. Левинзон М.А., Загитов Э.Д., Тихов М.С. О необходимости исследования влияния подуклонке рельсов на взаимодействие пути и подвижного состава // Проблемы путевого хозяйства Восточной Сибири : сб. науч. тр. Иркутск, 2005. 208 с.
6. Коган А.Я. Динамика пути и его воздействие с подвижным составом. М. : Транспорт, 1997. 326 с.
7. Железняк В.Н. Михальчишин С.В. Эксперименталь-
ная оценка статической и усталостной прочности боковых рам модели ИРТ 10.02.01 // материалы науч.-практ. конф. Иркутск, 2012. Т.2 С. 54-57. Цвик Л.Б. Кулешов А.В. Михальчишин С.В. О характере деформирования и эксплуатационных повреждений боковых рам тележек грузовых вагонов // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта России : тр. всерос. Шестнадцатой науч.-практ. конф. Красноярск, 2012. С. 27-31.
УДК 629.4.015+ 621.752 Гозбенко Валерий Ерофеевич,
д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 89149516021, e-mail: [email protected] Каргапольцев Сергей Константинович, д. т. н., профессор, проректор по научной работе, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. (395-2) 638-304, e-mail: [email protected] Ахмадеева Алла Абдулваровна, соискатель, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. (395-2) 638-357, e-mail: [email protected]
ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА
V. E. Gozbenko, S. K. Kargapolcev, A. A. Akhmadeeva,
DYNAMIC PROPERTIES OF RAILWAY WAGON
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы применения современных научных методов исследования динамики в системе рельс - колесо - экипаж. Для исследований принята расчетная схема экипажа с двухступенчатым рессорным подвешиванием в целях оценки плавности его хода и теоретического обоснования выбора массо-инерционных характеристик. Для составления математической модели использовались уравнения Лагранжа второго рода. В качестве обобщенных координат приняты вертикальные перемещения центра тяжести кузова, первой и второй тележек и текущие угловые перемещения кузова, первой и второй тележек соответственно. При решении задачи действием неупругих сил сопротивления гасителей, которые служат для гашения собственных колебаний пренебрегли. Составленные дифференциальные уравнения из-за сложности и связанности последних решались методом Рунге-Кутта четвертого порядка rkfixed, входящей в пакет, ориентированном на математические вычисления MathCAD. Для расчетов приняты параметры реального вагона. В результате расчетов получено, что периоды колебаний подпрыгивания и галопирования кузова различаются мало. При симметричных массо-инерционных получены гармонические колебания по всем шести степеням свободы. Угловые колебания тележки один и тележки два имеют характер биений. При нарушении симметрии - центр масс кузова сместили вперед, а момент инерции относительно продольной оси -увеличивали, то характер колебаний кузова изменился. Движение стало носить характер биений. Из составленных уравнений частот определены частоты свободных колебаний и найдены формы главных колебаний.
Ключевые слова: задачи динамики, дифференциальные уравнения, железнодорожный транспорт, вагон, скорость, износ, устойчивость, колебания.
Abstract. In the article the questions of application of modern scientific methods of studying the dynamics in the system of the rail - wheel - crew. For studies adopted a design scheme with two-stage leaf-spring suspension in order to evaluate the smoothness of its course and the theoretical basis of choice of mass-inertial characteristics. To compile the mathematical model used in the Lagrange equations of the second kind. As generalized coordinates are taken vertical movement of the centre of gravity of the body, the first and second trolleys and the current angular displacement of the body, the first and second trucks respectively. While solving the problem of the action of forces of inelastic resistance of the dampers, which serve for the damping of oscillations was neglected. Differential equations because of the complexity and connectedness of the latter was solved by the Runge - Kutta fourth order rkfixed included in the package, based on mathematical calculations MathCAD. Calculations for the adopted parameters of the real car. In the result of calculations that the periods of oscillation of the Bouncing and galloping of the body differ little. At symmetric mass-inertia harmonic oscillations obtained for all six degrees of freedom. Angular oscillations of one truck and two trucks have the character of the beats. While violation of symmetry is the center of mass of the body shifted forward, and the moment of inertia about the longitudinal axis is increased, the nature of the oscillations of the body has changed. The movement began to take the form of beatings. From equations composed of frequencies the frequencies of free oscillations was found and forms the major fluctuations.
Keywords: problems of dynamics, differential equations, railway transportation, car, speed, wear, stability, fluctuations. Введение Изучение динамики экипажа является слож-
Железнодорожный транспорт по своей при- ной задачей. Даже при движении по прямому пу-
роде консервативен, но в последние годы нашли применение современные научные методы исследования задачи динамики системы «рельс-колесо-экипаж». Трудности здесь возникают исключительные, однако требования по увеличению скоростей и грузоподъемности, которые в свою очередь ставят новые проблемы износа и устойчивости, вынуждают заняться более систематическим и фундаментальным рассмотрением этих задач.
ти, когда движение осуществляется с малой скоростью, возникают проблемы, связанные с колебаниями виляния [1, 2]. Возникающие при движении вагона в составе поезда динамические силы, отклонения от положения равновесия, инерционные перегрузки, которые действуют на пассажиров и грузы, являются следствием колебательных процессов и других видов неравномерного движения инерционных масс, составляющих рассматри-
