CC BY
74
Общетехнические и социальные проблемы
что следует из (30) при Kd0 = Kq0 = 0. То обстоятельство, что
критический угол 0° непосредственно не зависит от коэффициентов
K'do, K'qo, не должно служить поводом для смущения. Дело в том, что при
регулировании по производной угла критерий (29), которым определялась устойчивость системы в условиях регулирования по углу без его производной, теряет прежнюю роль, вследствие чего наиболее сильным становится критерий (30). Заметим, что соотношения (28), (29) и соответствующее им обоим условие (32) следуют из одного и того же критерия Гурвица D2 > 0. (Для рассматриваемой системы критерии D2 > 0
p
и D3 > 0 равносильны.) Таким образом, устойчивость системы при 0 < —
обусловлена исключительно регулированием напряжения путевой структуры по первой производной угла 0. Как указывалось ранее, пропорциональное регулирование по углу 0 не приводит, в общем, к расширению области устойчивости.
Заключение
1. Регулирование напряжения по углу 0 приводит к уменьшению области устойчивости. Но в случае малых потоков рассеяния и больших коэффициентов регулирования возможно расширение области устойчивости по сравнению со случаем нерегулируемой системы.
d 0
2. При регулировании напряжения статорной обмотки по -------
dt
p
критический угол становится больше —.
УДК 625.144.5
В. М. Лафта, А. М. Соколов
АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ ПУТЕВЫХ МАШИН С УЧЕТОМ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ УСЛОВИЙ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Статья посвящена вопросам, связанным с развитием методов анализа прочности путевых машин, условия эксплуатации которых недостаточно
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
154
исследованы. Описываемый в статье метод основан на принципе нечетких множеств, что позволяет учесть фактор неопределенности условий эксплуатации. Практическая состоятельность разработанного метода показана на примере расчета нагруженности металлоконструкций хоппер-дозаторов с учетом неизученности специфики их применения в таких климатических зонах, как Ближний Восток и Средняя Азия.
путевые машины, расчетная схема, хоппер-дозатор, достоверность, напряжение металла.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
ОЕбщетехнические и социальные проблемы
Введение
На современном этапе развития железнодорожного транспорта необходимость повышения эффективности производства определяет актуальность проблем, связанных с реконструкцией и техническим переоснащением путевого хозяйства. Особое значение в этой связи приобретает учет специфики климатических условий, в которых планируется эксплуатация машин нового поколения. В настоящее время данный вопрос остается недостаточно изученным в отношении железнодорожного транспорта в странах Средней Азии и Ближнего Востока. Исходя из этого, в нашем исследовании проблемы улучшения технико-экономических показателей путевых машин рассматриваются именно с учетом специфики их эксплуатации в среднеазиатских и ближневосточных климатических зонах.
Чрезвычайно важными в создании высокотехнологичных специализированных машин в сфере железнодорожного транспорта являются разработки новых моделей хопперов - саморазгружающихся железнодорожных вагонов для перевозки сыпучих грузов. В данном исследовании основное внимание уделяется вопросам усовершенствования такой разновидности хоппера, как хоппер-дозатор, широко применяемый в путевом хозяйстве. Отличительной особенностью и главным преимуществом хоппер-дозатора является наличие автоматизированного механизма разгрузки с дистанционным пневматическим приводом.
Применение методов расчета конструкций путевых машин на прочность оказывается весьма важным и при создании хоппер-дозаторов. Внимание к этой проблеме не случайно: вопрос о совершенствовании методов расчета на прочность конструкций железнодорожного транспорта непосредственно связан с необходимостью прогнозировать возможные недочеты и избегать их уже на ранних стадиях проектирования, что позволит в целом оптимизировать технико-экономические показатели сборочных единиц. Работы российских исследователей касаются в основном машин, эксплуатируемых на территории России и стран СНГ. Следовательно, вопрос о воздействии высоких температур и повышенной влажности при эксплуатации путевых машинах (на примере хоппердозаторов) в странах Средней Азии и Ближнего Востока остается открытым и требует специального исследования для создания новых уточненных методов расчета этих машин на прочность.
1 Краткий обзор и анализ исследований по совершенствованию различных типов путевых машин. Обоснование и постановка задачи
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
156
1.1 Анализ исследований по совершенствованию различных типов путевых машин
Обеспечение хорошего технического состояния железнодорожных путей является одним из основных резервов увеличения экономичности железнодорожных перевозок, вытекающим из возможности реализации более высоких скоростей движения поездов и улучшения сохранности подвижного состава и перевозимых грузов. Решение этой проблемы возможно на основе глубоких научных исследований по совершенствованию комплексов путевых машин, которые обеспечат своевременное и качественное выполнение ремонта пути, снижение затрат времени, эксплуатационных расходов, повышение производительности труда и его экологии. Поэтому ОАО РЖД и администрация железных дорог в странах Средней Азии и Ближнего Востока постоянно уделяют большое внимание пополнению и обновлению парка (как по номенклатуре, так и по количеству) путевых машин и механизмов.
К настоящему времени накоплен большой опыт решения достаточно сложных задач конструирования, расчета и эксплуатации путевых машин и получены основные закономерности для выбора их рациональных типов и параметров. Однако в подавляющем большинстве работ для изучения прочности путевых машин использовалось много экспериментальной информации об условиях реальной эксплуатации машин. Причём наиболее дельной является информация об особенностях эксплуатации машин в условиях среднеевропейского климата. Значительно менее изученными остались условия и особенности эксплуатации путевых машин в ближневосточной и среднеазиатской климато-экономических зонах. В исследованиях по подвижному составу практически отсутствует информация об особенностях конструкций машин, режимов их эксплуатации, свойств материалов верхнего строения пути, наблюдаемых на железных дорогах стран Ближнего Востока и Средней Азии. Кроме того, в рассмотренных работах не предлагаются методы, позволяющие учесть при анализе прочности путевых машин эти особенности их эксплуатации.
В процедурах анализа прочности путевых машин возникают различного рода неопределенные факторы, которые можно условно разделить на четыре категории.
1. Стохастическая неопределенность параметров конструкции, например разброс фактических значений размеров элемента конструкции в поле допуска. Стохастическая неопределенность является достаточно хорошо изученным видом неопределенности, описывается случайной переменной и обрабатывается методами теории вероятностей.
Лингвистическая неопределенность параметров путевой машины возникает в тех случаях, когда параметры заданы в качественной шкале,
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
ОбЩетехнические и социальные проблемы
например: «затяжка болта до упора» (лингвистическая
неопределенность параметров режима технологии обработки). Лингвистическая неопределенность может описываться лингвистическими переменными, которые обрабатываются методами теории нечетких множеств [5].
Информационная неопределенность параметров конструкции путевой машины или условий её эксплуатации, которая возникает в тех случаях, когда полная информация о параметре недоступна, а определение этой информации невозможно или нецелесообразно. К такого рода неопределенностям может быть отнесена большая часть параметров, например параметры фрикционных и абразивных свойств балластного материала верхнего строения пути. В зависимости от постановки задачи информационная неопределенность может быть описана нечеткими числами или нечеткой случайной переменной, которые обрабатываются методами теории нечетких множеств и теории вероятности.
Информационная неопределенность соотношений, составляющих модель прочности конструкции путевой машины. Такого вида неопределенность возникает в силу определения понятия «модель», которое подразумевает упрощенное представление о процессах, протекающих в реальной конструкции, с вычленением основных, с точки зрения исследователя, факторов за счет принимаемых допущений и упрощений.
Информационную неопределенность соответствия представлений принято характеризовать понятием их релевантности (степени соответствия). Применительно к моделям прочности и надежности конструкций путевых машин релевантность модели их прочности означает, что для каждого конкретного сочетания параметров модели результат моделирования может быть представлен в виде множества значений со степенью доверия к каждому из них. Иными словами, результат представляет собой нечеткое множество, а модель в общем случае может быть представлена нечетким отношением на декартовом произведении множеств параметров и результата.
К неопределенным условиям эксплуатации путевых машин на Ближнем Востоке и в Средней Азии можно отнести в первую очередь неопределенные свойства материалов верхнего строения пути, которые зависят от особенностей климата и специфики местных балластных материалов. Кроме того, к неопределенным условиям также можно отнести особенности несущих конструкций путевых машин, связанные со специфическим сортаментом материалов, их ускоренным коррозионным износом, низкой климатической прочностью сварных соединений и т. п.
Таким образом, метод расчета прочности конструкции путевой машины, который позволял бы учитывать условия её эксплуатации на Ближнем
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
158
Востоке и в Средней Азии, должен учитывать такие нечеткие факторы, как [2]:
температура эксплуатации;
гранулометрические и фрикционные свойства балластного материала;
интенсивность коррозионного износа несущей конструкции машины;
влияние повышенной влажности на амортизирующие и реологические свойства балласта;
интенсивность абразивного износа рабочих органов путевых машин в условиях повышенной влажности и специфических абразивных свойств балласта;
особенности геометрических размеров проката локальных поставщиков;
фактическая прочность сварных соединений в условиях повышенной влажности и коррозионной активности окружающей среды;
особенности системы управления качеством изготовления и ремонта путевых машин на местных предприятиях.
Подводя итог, можно отметить, что до настоящего времени недостаточно изученной является проблема исследования нагруженности металлоконструкций путевых машин с учетом неопределенностей, возникающих при работе в условиях Средней Азии и Ближнего Востока. В связи с этим представляется необходимой разработка методик, позволяющих учитывать при анализе прочности конструкций путевых машин неопределенность условий их эксплуатации. В данной работе были поставлены следующие задачи:
обоснование расчетных схем несущих элементов путевых машин и методов их исследования в условиях среднеазиатских и ближневосточных климатических зон;
разработка методики, предусматривающей многоуровневое исследование напряженно-деформированного состояния
металлоконструкций путевых машин в условиях среднеазиатских и ближневосточных климатических зон;
анализ прочности несущей конструкции путевой машины хоппер -дозатора с учетом неопределенности фрикционных свойств балластного материала.
2 Обоснование расчетных схем несущих элементов путевых машин и методов их исследования
Хоппер-дозатор предназначен для перевозки и механизированной выгрузки на рельсошпальную решетку всех видов балласта слоем определенной толщины (дозирования). Хоппер-дозатор (рис. 1) представляет собой полувагон, оборудованный разгрузочнодозировочными устройствами. Он состоит из кузова 1, торцовые стенки которого наклонены под углом 45° к горизонту, пневмооборудования
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
(цилиндры 2, воздушный резервуар (ресивер) 4, рабочая воздушная магистраль 6), пульта управления 5, стопора-фиксатора 3 и дозатора 7. Для отвалки от рельсов выгруженного балласта предусмотрены плужки 8.
Хоппер-дозатор загружается балластом и транспортируется к месту выгрузки, где происходит ремонт пути. Здесь открываются разгрузочнодозирующие устройства, и при движении поезда со скоростью 2-5 км/ч происходит разгрузка балласта в путь. Внизу кузова имеются наружные 2 и внутренние 5 крышки. Под бункером размещен дозатор 3, устанавливаемый механизмом его подъема и опускания на заданную высоту от верха головок рельсов. С помощью пневмоцилиндров крышки могут открываться, поворачиваясь вокруг горизонтальных осей, образуя люки, через которые и выгружается балласт из кузова. Дозатор 3 представляет собой бездонную коробку, в которую из кузова через открытые люки выгружается балласт. Высота установки низа дозатора по отношению к поверхности пути определяет толщину слоя балласта.
Рис. 1. Конструктивная схема хоппер-дозатора ЦНИИ-ДВЗ:
1 - кузов; 2 - пневмоцилиндр; 3 - фиксатор дозатора; 4 - ресивер;
5 - пульт управления; 6 - воздушная магистраль; 7 - дозатор; 8 - плужок
Анализ конструкции с целью выделения системобразующих с точки зрения прочности блоков позволяет рассмотреть хоппер-дозатор состоящим из базовой металлоконструкции (главной рамы) и установленных на ней рабочих органов (дозатор) и механизма привода люков и дозатора. Главная рама представляет собой пространственную конструкцию из балок различного сечения и кузова из листового проката. Рама опирается на вагонные тележки и оборудована вагонным автосцепным устройством.
Разработанный метод анализа прочности путевых машин с учетом неопределенности условий их эксплуатации основан на теории нечетких множеств и состоит из четырёх этапов.
На первом этапе изучаются условия эксплуатации путевой машины в рабочем и транспортном режимах. В результате системного анализа
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
160
конструкции на этом этапе выявлены нечеткие факторы, которые оказывают влияние на прочность путевой машины.
Целью второго этапа является создание расчетной модели с учётом нечетких параметров конструкции путевой машины, влияющих на её прочность. Должны быть определены: расчетные режимы, расчетные случаи и нечеткие параметры условий нагруженности конструкции путевой машины. Затем проводится расчетная оценка зависимости между действующими напряжениями в конструкции и значениями нечетких параметров.
Третий этап - экспертно-аналитическая оценка функций принадлежности нечетких параметров и расчёт функций принадлежности нечетких действующих напряжений. На данном этапе необходимо, во-первых, вычислить функции принадлежности действующих напряжений в конструкции, во-вторых, определить степень достоверности прочности конструкции путем нечетного сравнения действующих и допускаемых напряжений.
На четвертом этапе проводится сравнение достоверности прочности различных вариантов конструкции либо сравнение достоверности прочности конструкции с некоторым допускаемым значением для окончательного заключения о прочности конструкции (рис. 2).
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
Рис. 2. Многоуровневая итерационная методика анализа прочности путевых машин
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
162
3 Анализ нагруженности металлоконструкций путевой машины хоппера-дозатора
Пользуясь данным методом, произведен анализ прочности кузова хоппер-дозатора. С помощью программы Ansys была построена конечноэлементная модель (рис. 3).
Рис. 3. Расчетная модель хоппер-дозатора 56-9270
Полученная модель учитывала характерные нагрузки и
кинематические ограничения для кузова хоппер-дозатора в рабочем режиме. В качестве параметра, характеризующего основные неопределенности условий эксплуатации хоппер-дозатора -неопределенность фрикционных свойств балласта, был выбран угол внутреннего трения укладываемого в путь балласта. Выбор именно этого параметра обусловлен тем, что он позволяет учитывать такие неопределенные показатели, как температура, влажность и свойства щебеня.
Зависимость действующих в конструкции хоппер-дозатора
напряжений от угла трения дозируемого балласта строилась по результатам серий расчетов методом конечных элементов (рис. 4).
Отдельно методом конечных элементов оценивалась нагруженность несущей конструкции хоппер-дозатора от собственного веса и веса балласта.
Функция принадлежности этого угла трения оценивалась экспертно по данным других авторов (рис. 5) [3], [4].
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
Рис. 4. Схема зависимости действующего напряжения от угла внутреннего трения балласта в направлении Z
Рис. 5. Функция принадлежности угла трения
В целом зависимость действующих в конструкции эквивалентных напряжений от угла внутреннего трения балластного материала можно представить в виде следующих выражений:
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
164
Sjtg(j)P„ + Sw, i e {x, У, z, xy, yz, xz}; sj = Fi ({Sjf Ф* } j),
где аэкв - эквивалентные напряжения в несущей конструкции хоппердозатора;
*
Oi - компоненты суммарного тензора напряжений от действия рабочих усилий дозирования, веса балласта и собственного веса груза;
Giw - компоненты тензора напряжений от действия веса балласта и собственного веса груза;
^ф - компоненты тензора напряжений от действия рабочего усилия дозирования;
Рн - давление балласта на дозирующее устройство;
Fi(...) - зависимость между углом внутреннего трения балласта и компонентами тензора напряжений от действия усилия дозирования, полученная в результате серии вычислительных экспериментов;
ф - неопределенный угол внутреннего трения балласта.
Приведенные выражения представляют собой модель прочности несущей конструкции хоппер-дозатора, исходным параметром которой является нечеткий угол внутреннего трения балласта.
Для получения нечеткого результата - эквивалентных напряжений, действующих в конструкции хоппер-дозатора, - использовалась программа MATLAB, реализующая метод нечетких вычислений с построением огибающей результата [1]. В результате получена функция принадлежности нечетких эквивалентных напряжений в дозирующем устройстве. Для нечеткой оценки прочности конструкции с использованием источника [1] была сформирована функция принадлежности допускаемых напряжений. Оценка прочности конструкции осуществлялась путем нечеткого сравнения нечетких эквивалентных напряжений и нечетких допускаемых напряжений.
В результате проведенных расчетов достоверность прочности конструкции хоппер-дозатора (рис. 6) в нашем случае составила 0,6 .
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
ОЗйцетехнические и социальные проблемы
Рис.6. Схема отношения между достоверностью и напряжением и свойствами металла Заключение
Разработана прикладная методика исследования прочности несущих конструкций путевых машин с учетом неопределенности условий их эксплуатации. Методика основана на положениях теории нечетких множеств и позволяет получить в качестве результата достоверность прочности конструкции путевой машины, которая может быть использована для оценки её надежности или выбора наиболее рациональной её конструкции. Для практической реализации методики использованы методы нечетких вычислений, а именно метод построения огибающей нечеткого результата.
По разработанной методике был проведен расчет несущей конструкции хоппер-дозатора. В качестве параметра, характеризующего неопределенность эксплуатации хоппер-дозатора в условиях Средней Азии и Ближнего Востока, был выбран угол внутреннего трения дозируемого балласта. В результате расчетов была оценена достоверность прочности конструкции хоппер-дозатора, которая составила 0,6.
Библиографический список
1. Метод синтеза нечетких моделей прочности для совершенствования соединений элементов конструкций подвижного состава / А. М. Соколов. - СПб. : ОМ-пресс, 2006. - 11 с.
2. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин : учеб пособие для вузов / В. И. Баловнев. - М. : Машиностроение, 1994. - 432 с.
3. Механизированная выправка железнодорожного пути / М. В. Попович, Б. Г. Волковойнов, А. В. Белов. - СПб. : ПГУПС, 1994. - 107 с.
4. Путевые работы и машины./ В. Г. Альбрехт, Г. В. Лидере, П. А. Никифоров и др. - М. : Транспорт, 1969. - 287 с.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
166
5. Fuzzy Sets and Systems: Theory and Applications / D. Dubois, H. Prade. - New York : Academic Press, 1980.
УДК 625.25
А. В. Петров
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ПОИСК ОТКАЗОВ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ
Использование информации, поставляемой системами удаленного мониторинга и контроля, такими как АПК-ДК, дает возможность автоматизированного поиска отказов в системах железнодорожной автоматики. Для этого сигналы на выходе системы мониторинга сравниваются с сигналами на выходе имитационной модели. Сравнение этих показаний позволяет выявлять отказы и находить причины их появления. имитационное моделирование, электрическая централизация, логико-временная модель, система мониторинга.
Введение
В основу метода, описываемого в данной статье, положен принцип сравнения с эталоном. Задача метода - обнаружить отказ в системе железнодорожной автоматики и максимально точно выявить его причину. В качестве источника данных о состоянии системы используются сигналы, снимаемые датчиками АПК-ДК (или любой другой системы мониторинга). В качестве эталона используется имитационная модель системы автоматики, сформированная в среде моделирования релейно-контактных схем.
1 Методы поиска отказов в системах железнодорожной автоматики
Одним из распространенных методов поиска отказов является составление информационных диаграмм. Из-за многообразия систем железнодорожной автоматики необходимо использовать различные методы и алгоритмы поиска неисправностей. При этом в качестве проверок следует применить результаты электрических измерений параметров элементов систем, замену элементов и функциональных блоков, манипуляции на пультах управления, воздействие на элементы систем и объекты управления и другие действия обслуживающего персонала. Эти проверки характеризуются большим различием в количестве информации, получаемой после их реализации, их стоимости, поэтому указанные факторы следует учитывать в первую очередь при
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
