моделирование динамики взаимодействия вагона и верхнего

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВАГОНА И ВЕРХНЕГО
СТРОЕНИЯ ПУТИ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
И ВЫЯВЛЕНИЯ СХОДООПАСНЫХ МЕСТ
А.Б. Судовых
Для решения задачи предупреждения сходов вагонов необходимо обоснованное
изменение системы оценки железнодорожного пути и отдельных норм его содержания.
В настоящее время оценка состояния пути производится вагонами
путеизмерителями (ВПИ) ЦНИИ-2 и ЦНИИ-4. ВПИ ЦНИИ-2 , не всегда выявляет
наиболее нагруженные места, так как короткие неровности на пути этими
путеизмерителями не фиксируются. А вот при помощи путеизмерителя ЦНИИ-4 можно
измерить координаты поверхности катания через каждые 0,25 — 0,40 м и узнать реальную
траекторию качения колес по правой и левой рельсовым нитям. ЦНИИ-4 фиксирует
неровность под колесом вагона, которая точнее отражает «динамический профиль» пути.
Железнодорожный путь не является строго прямолинейным в плане и имеет
различные неровности и искривления, они могут быть преднамеренными, т.е. объективно
полезными (кривые и стрелки), и случайными (вредными), допущенными при укладке и
ремонте пути или образовавшимися в процессе его эксплуатации вследствие остаточных
деформаций и износов.
Путеизмерители оценивают только отклонение пути от проектного положения
(заявленного дистанцией пути) и выдают оценку пути в балах. Эта оценка не отражает
динамики взаимодействия подвижного состава с верхним строением пути.
На путь и ходовые части подвижного состава возлагается обеспечение надежного
направления движения колесных пар в прямых и полезных искривлениях пути и по
возможности не передавать подрессоренным частям его вредные искривления.
Было установлено [1], что существующая шкала предельных значений
динамических показателей и устойчивости от схода полногрузных грузовых вагонов не
пригодна для оценок динамических качеств и безопасности движения порожних вагонов.
Порожние вагоны даже с удовлетворительным техническим состоянием ходовых частей
при прохождении допускаемых ныне одиночных просадок и перекосов длиной менее 5 м
имеют динамические показатели выше установленных (предельных).
Другими словами, теоретическими и экспериментальными исследованиями
установлено, что движущийся в поезде порожний вагон более чувствителен (в части схода
колес) к неровностям рельсовом колеи и к продольным сжимающим силам в поезде при
его торможении, чем груженый. Вероятность схода с рельсов порожнего вагона, при
прочих равных условиях, значительно выше, чем груженого. Получается парадокс.
Путейцы обеспечивают безопасную эксплуатацию поезда с полногрузными вагонами при
осевых нагрузках 240 кН и максимальных скоростях 80 км/ч и допускают крушения и
аварии поездов из-за схода порожних вагонов при осевых нагрузках всего лишь 55 кН, т.е.
в 4,4 раза меньших. Почему? А дело в том, что помимо балльной оценки пути необходимо
отслеживать динамику взаимодействия колеса и рельса, для выявления сходоопасных
участков железнодорожного пути.
Существенное увеличение кинетической энергии поезда при скоростном движении
тоже требует анализа взаимодействия пути и подвижного состава при отступлениях в
содержании рельсовой колеи. Традиционное представление зависимости нагрузки в месте
контакта колеса и рельса от скорости движения в нормативах по расчетам верхнего
строения пути имеет вид:
P=f(Pст*kдин) (1)
где kдин — динамический коэффициент, определяемый экспериментально;
Pст — статический вес состава.
Значения kдин в [7] изменяется в зависимости от класса путей и монотонно
изменяется в зависимости от скорости движения.
Для анализа факторов, воздействующих на путь, приведенная зависимость не
информативна, так как не содержит в явном виде ни параметров неровностей пути, ни
амплитудно-частотных характеристик подвижного состава.
Экспериментальные поездки на скоростных полигонах дорог недостаточно
эффективны по двум причинам. Во-первых, из-за дороговизны и сложности этих работ
(нужно очень много поездок для многофакторного корреляционного анализа). Во-вторых,
из-за естественных погрешностей экспериментального метода: невозможно обеспечить
неизменность параметров по всему пути следования поезда, неточности измерительных
приборов и др. Таким образом, опытным поездкам должны предшествовать массовые
расчеты с моделированием возможных ситуаций.
За рубежом, начиная с 70-х годов прошлого века, накапливается опыт применения
вычислительных систем и программных комплексов для проектирования новых типов
подвижного состава. На вычислительных системах многие вагоностроительные фирмы
рассчитывали взаимодействие новых типов вагонов и пути, а результаты расчетов
сравнивали с данными экспериментальных исследований. В США, Англии, Германии,
Франции, Италии, Японии и других странах такая работа ведется более 25 лет. Компания
«Mechanical Dynamics Incorporated», образованная в 1977 г., создала программную
систему «ADAMS» (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems), которая сейчас
занимает около 60 % мирового рынка систем расчета динамики механических
конструкций. В России анализом динамики взаимодействия колеса и рельса в
программной системе «ADAMS» занимался Ш.Н. Шайдулин [2].
Д.Ю. Погореловым в Брянском государственном техническом университете
разработан программный комплекс «Универсальный механизм». Он включает в себя
специализированный модуль для моделирования динамики железнодорожных экипажей:
локомотивов, вагонов и путевых машин. Моделирование производится в зависимости от
времени. С помощью «Универсального механизма» можно создавать полностью
параметризованные модели: задавать с помощью идентификаторов или выражений
инерционные и геометрические параметры (в том числе и графические изображения
элементов, профилей рельсов), а также основные характеристики силовых элементов
(например, жесткости пружин, коэффициенты демпфирования, коэффициенты трения в
контактах и так далее). Параметризация модели является основой оптимизации
железнодорожных экипажей.
В программном комплексе «Универсальный механизм» исходные данные о
геометрии пути могут быть представлены: геометрией рельсов в идеальной прямой
(ширина колеи, подуклонка, профили), макрогеометрией кривых (длины прямых,
переходных кривых, радиус кривой) и неровностями рельсовых нитей в плане и профиле.
На различных участках пути может задаваться различные профили рельсов. Так же могу
быть назначены переменные по длине пути коэффициенты демпфирования (вертикальный
и горизонтальный), коэффициенты упругости (вертикальный и горизонтальный). Для
моделирования динамики рельсовых экипажей была разработана с использованием
программной среды «Универсальный механизм» математическая модель движения
грузового вагона. Схема силового взаимодействия между телами системы «вагон – путь»
показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема силового взаимодействия между телами системы «вагон – путь»
В качестве исходных данных о пути вводят файл описания координат рельсовой
колеи (продольный профиль, вертикальные координаты, план линии, описание
поперечного профиля головки рельса), файл описания поперечного профиля колес и
файлы описания характеристик подсистем пассажирского вагона (кузов, тележки,
колесные пары, рессорное подвешивание, демпферы, автосцепка и т.д.), взаимной
ориентации колес и рельсов. Левое и правое колесо вагона рассматривают отдельно со
своими системами координат.
В расчетах принимают во внимание отступления в геометрии рельса от правильной
кривой или прямой (его геометрические отступления в плане и профиле от проектного
положения). Отступления в плане учитываются смещением основания контактной
площадки. Демпфирование колебаний определяют с учетом скорости деформации
демпферов в соответствии с их нелинейными характеристиками.
Разработчиками программного комплекса «Универсальный механизм» произведено
моделирование так называемых манчестерских тестовых примеров, которые были
разработаны в 1998 г. с целью сравнения программного обеспечения для исследования
динамики рельсовых экипажей между собой. В настоящее время манчестерский тест дефакто является стандартом для верификации программного обеспечения. Проведенные
расчеты показывают качественное и количественное совпадение результатов
моделирования с другими известными программными комплексами.
Для подтверждения достоверности математической модели движения грузового
вагона, адаптивной к деградационным изменениям технического состояния системы
«вагон – путь», было произведено сравнение расчетных показателей динамики,
полученных на модели, и экспериментальных, полученных ФГУП «ПО Уралвагонзавод»
при динамических ходовых испытаниях полувагонов модели 12-175 и 12-132. При этом
для корректного сопоставления данных математическое моделирование движения
грузового вагона проводилось в порожнем режиме на неровностях с участка дороги
Свердловск-Пассажирский – Камышлов, где проводились испытания. Анализ полученных
результатов показывает хорошую качественную и количественную сходимость расчетных
и экспериментальных значений основных показателей динамики – максимальное
расхождение в исследуемом интервале скоростей составило 18 %.
По результатам моделирования выявлено, что короткие неровности пути сильнее
сказываются на динамике взаимодействия колеса и рельса нежели длинные.
Рассматривалось движение порожнего вагона по пути с неровностями в виде
синусоидальных колебаний с амплитудами 4мм. и 16мм., динами волн 2м. и 10м. В
результате выявлено, что при движении при движении через просадку длинной 10м. со
скоростью 50м/с. Больших перегрузок не возникало, а при длине 2м. взаимодействие
колеса и рельса проистекало намного хуже. При увеличении амплитуды синусоидальных
колебаний нагрузки в зоне контакта возрастают.
При моделировании движения порожнего вагона по участку пути со
среднесетевыми неровностями [1]. Рассматривалось влияние скорости движения на
высоту подъема поверхности катания колеса над головкой рельса. Известно, что подъем
поверхности катания колеса над головкой рельса плохо сказывается на динамике
взаимодействия колеса и рельса. Чем больше величина подъема поверхности катания
колеса над головкой рельса и чем длиннее участок пути, на котором происходит движение
с подъемом поверхности катания колеса от рельса тем больше вероятность схода вагона.
Исследовалась зависимость скорости движения вагона от высоты подъема поверхности
катания колеса над головкой рельса. Результаты приведены на рис. 2.
Рис. 2. Подъем поверхности катания колеса над головкой рельса при различных скоростях
движения вагона
Из рис. 2 видно, что при скорости движения 20м/с. по участку со среднесетевыми
неровностями подъема поверхности катания колеса над головкой рельса не возникает.
При скоростях движения 25м/с. и 30м/с. возникает незначительный подъем поверхности
катания колеса над головкой рельса порядка 0,1 мм., 0,2мм. соответственно. При скорости
движения 35м/с. максимальное значение величины подъема поверхности катания колеса
над головкой рельса