CC BY
23
иркутским государственный университет путей сообщения
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 4 (64) 2019
УДК 62503 DOI: 10.26731/1813-9108.2019.4(64)96-101
Е. Г. Леоненко
Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал Иркутского государственного университета путей сообщения, г. Красноярск, Российская Федерация Дата поступления: 08 мая 2019 г.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПОРОЖНИЙ ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ
Аннотация. В статье проводится анализ эксплуатационной работы Красноярской и Восточно-Сибирской железных дорог. Ранее проведенные исследования не дают четкого объяснения причин всползания колеса на головку рельса, а позволяют рассмотреть только факторы, которые могут оказать существенное влияние на разгрузку колеса. При рассмотрении случаев сходов порожнего подвижного состава было установлено, что по большей части они происходят внутрь кривой. Из общего массива сходов порожних грузовых вагонов на Красноярской и Восточно-Сибирской железных дорогах выбрано пять кривых различных радиусов. При расчетах действующего импульсного воздействия учтены нормативные параметры подвижного состава и пути. Проведенный анализ сходов позволил вычислить параметры пути и подвижного состава, оказывающие существенное влияние на сход вагонов в прямых и кривых участках пути большого радиуса. При движении порожнего вагона возникает ударное воздействие в точке контакта колеса и рельса, которое вызывает появление одиночного пика. В работе рассмотрена импульсная система, действующая на вагон при колебаниях подрессоренных и неподрессоренных масс, предложен порядок расчета силы удара (импульсного воздействия) с помощью математического моделирования, определены силы ударного характера, которые могут вызвать всползание колеса порожнего подвижного состава на головку рельсов.
Ключевые слова: вагон; безопасность движения; импульс; всползание колеса.
E. G. Leonenko
Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, a branch of Irkutsk State Transport University, Krasnoyarsk, the Russian Federation Received: May 08, 2019
STUDY OF PERIODIC IMPULSE EFFECTS ON EMPTY ROLLING STOCK
Abstract. The work is based on an analysis of the operational work of the Krasnoyarsk and East-Siberian railways. Analyzing the cases of empty rolling stock derailment, it was found that, for the most part, derailments occur inside the curve. Analysis of convergence made it possible to establish the parameters of the track and rolling stock that have a significant impact on the railcar derailments in straight and curvilinear sections of the track of a large radius. When an empty railcar moves, a shock impact occurs at the point of contact between the wheel and the rail, which causes the emergence of a single peak. The paper considers the pulse system acting on a railcar with oscillations of sprung and unsprung masses. It proposes a procedure for calculating the impact force (pulse effect) using mathematical modeling. The forces of impact nature, which can cause the wheel of empty rolling stock to mount onto the rail head, are determined.
Keywords: railcar, traffic safety, pulse, wheel mounting.
Введение
Анализ случаев схода подвижного состава за последние 22 года на Красноярской и Восточно-Сибиркой железных дорогах показал, что больше подвержены сходам порожние вагоны с высоко расположенным центром тяжести и сравнительно небольшой неподрессоренной массой. На сети железных дорог России для предотвращения сходов порожнего подвижного состава были введены ограничения скорости движения (60 км/ч), особенно в кривых участках пути, но данные меры не позволили сократить количество сходов. Также следует отметить, что с 1996 года значительно изменился характер сходов, они стали происходить не только наружу кривой, но и внутрь (70 %). Сходы вагонов наружу
кривой объяснить достаточно просто, основная их причина — это выдавливание вагонов при неправильном выборе режима движения поезда, а также из-за излома элементов подвижного состава. При применении рекуперативного торможения продольные силы действуют только на локомотив, а остальная часть поезда продолжает двигаться в режиме выбега. При этом скорость движения головной части поезда больше скорости движения хвостовых вагонов, вследствие чего происходит выдавливание вагонов, особенно в кривых участках пути.
Сходы внутрь колеи происходят при наличии отклонений пути и подвижного состава, но в пределах установленных инструкциями и правилами норм. Анализ сходов порожних вагонов за 22
96
© Е. Г. Леоненко, 2019
оо ее i
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2019, Vol. 64, No. 4
года позволил установить параметры пути и подвижного состава, играющие большую роль в процессе всползания колеса на головку рельса (рис. 1).
По материалам служебных расследований выявлено сложное положение с обеспечением безопасности движения в путевом хозяйстве. В 51 % случаев сходы вагонов произошли из-за нарушений, связанных с безопасностью движения поездов (нарушения технологии производства путевых работ и ненадлежащее содержание пути); в 39 % - по причине неисправности вагонов (неравномерный прокат, ненормативное состояние пятниковых узлов, скользу-нов и превышающая нормы величина суммарного зазора в скользунах по тележкам, излом пружин, что приводит к увеличению жесткости рессорного комплекта); в 10 % случаев виновниками схода признаны машинисты электровоза (рис. 2).
Только в 7 случаях из всех рассмотренных
сход произошел в режиме торможения, остальные -в режимах выбега или тяги. Следует отметить, что в некоторых случаях при ведении поезда машинист менял режим ведения до схода примерно за километр, т. е. при смене режима ведения из «тяги» в «выбег» в поезде возможно появление реактивных продольных усилий. Основное сопротивление локомотива в режиме выбега примерно в два раза больше, чем в режиме тяги и, как следствие этого, голова поезда краткое время будет подтормаживать, а хвостовая часть поезда будет набегать. Также при выполнении анализа выявлено, что до момента схода в четырех случаях машинисты применяли регулировочное торможение для выполнения установленной скорости движения, что также могло привести к нежелательным реакциям в поезде, т. е. к набеганию хвостовой части состава и сходу вагонов наружу кривой.
Рис. 1. Параметры, оказывающие влияние на сход порожнего подвижного состава
Рис. 2. Распределение служб, на которые была отнесена вина схода вагонов согласно материалам служебных расследований
иркутским государственный университет путей сообщения
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 4 (64) 2019
При проведении опытных поездок с динамометрическим вагоном выявлено, что возникающие продольные реакции в поезде при перечисленных режимах ведения находились в пределах нормы, а, следовательно, не могли значительно влиять на изменение положения вагона относительно оси пути. Однако, учитывая, что датчики расположены на уровне оси автосцепки, которая находится в обрес-соренной части подвижного состава, необходимо дополнительно проверить, как ведут себя необрес-соренные части подвижного состава при различных скоростях движения на путях различного профиля.
Движение поезда сопровождается колебаниями вагонов, в результате чего возникают силы инерции, а путь в целом и отдельные его элементы испытывают значительные динамические воздействия в точке контакта колеса и рельса и на экипаж в продольном и поперечном направлении [5]. Данные силы могут достигать таких величин, при которых расстроятся элементы пути и может возникнуть угроза безопасности движения поездов [15].
Основной задачей исследования движения порожнего вагона является рассмотрение действия динамических сил на условия безопасного движения поездов при различных характеристиках подвижного состава и пути.
При изучении процессов взаимодействия подвижного состава и пути рассмотрены колебания обрессоренных масс (кузов) и необрессорен-ных (тележка) элементов вагона. Кузов жестко опирается на раму каждой тележки не менее чем в двух поперечных плоскостях и, таким образом, надрессорное строение тележек не может иметь по отношению к кузову в вертикальной плоскости относительных перемещений [4, 6-9, 14]. Отсюда следует, что кузов вагона и надрессорное строение тележек совершают вертикальные колебания как одно целое.
Ранее проведенные исследования [2, 10] не дают четкого объяснения причин всползания колеса на головку рельса, а позволяют рассмотреть только факторы, которые могут оказать существенное влияние на разгрузку колеса.
Теоретические исследования
При движении порожнего подвижного состава возникает сила ударного характера, образующаяся в процессе взаимодействия колесной пары и рельса, приводит к появлению значительных вертикальных и горизонтальных ускорений при колебаниях. Численные значения силы удара при действии рамной силы в несколько раз превосходят численные значения последней и приводят к разгрузке колеса [5, 15].
В основном все работы, выполненные по анализу импульсного воздействия, включают исследования линейных процессов.
В результате действия импульса механическая система получает приращение кинетической энергии, которое кратковременно выводит систему из колебательного процесса с низкой частотой. При этом возникает сила ударного характера, значительная по величине, но время действия которой настолько мало, что ее в первом приближении можно принять действующей мгновенно.
Таким образом, воздействие на механическую систему силы малой продолжительности можно рассматривать как импульсное.
При статистическом исследовании импульсных систем, применение аналитических методов затруднено. При этом возникает необходимость привлечения для исследования метода математического моделирования, базирующегося на применении средств вычислительной техники [1].
Теория статического синтеза импульсных систем располагает в настоящее время методами, которые позволяют определить оптимальные системы при стационарных случайных возмущениях, основанные на корреляционной теории. Для случайных процессов в импульсных системах можно использовать общие определения математического ожидания и корреляционной функции (функции дискретных аргументов).
Механическая система приводится к разомкнутой импульсной системе, функциональная схема которой представлена ниже (рис. 3). Импульсная система содержит один импульсный элемент и одну непрерывную часть, включающую массу кузов с жесткостями одной ступени подвешивания.
/ (8,Н,Д ,ж, ж)
Рис. 3. Разомкнутая импульсная система
Входное воздействие импульсного элемента характеризуется функцией «скачка»
/(Ъ,к, Д3, ж, ж ). Импульсная система реагирует на значения воздействия, приложенного ко входу импульсного элемента, только в равностоящие друг от друга дискретные моменты времени. Входная функция /(д,И,Д, ж, жи) зависит от параметров рельсов колеи (ширина колеи, зазор между гребнем колеса и рабочей гранью рельса, жесткость пути) и от характеристик подвижного состава (суммарный зазор в скользунах, жесткость
оо ее i
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2019, Vol. 64, No. 4
рессорного подвешивания, эксцентриситет насадки колеса на ось, зазор между боковиной рамы и челюстью буксы).
Каждый импульс определен разностью между количеством движений тела после удара и до удара.
Величина массы, участвующей в ударе без учета массы рельса, определена как масса не-подрессоренных частей, отнесенных к колесу. Перемещение центра тяжести тележки является выходной функцией необрессоренных частей (н. ч.). Вертикальное перемещение центра тяжести кузова
^ (() определяется как выходная функция обрессо-ренных частей (обр. ч.). Причиной, вызывающей
перемещения ^ (/), является воздействие ударного характера. Для определения величины этого перемещения необходимо знать передаточную функцию Кт2 (р) непрерывной часть обр. ч. от входа х.
Передаточная функция для непрерывной части обр.ч. рассчитана по формуле
перемещения центра тяжести кузова от воздействия импульса:
2 , 2 р + «2
КНТz, (p) = 2 2 ~'
1 m[(p + kj )(p + k2 ) - «2 ]
(1)
где к1 =—1--; к2 =—^; р = —.
т М ш
Для перехода к функциям дискретного переменного введены безразмерные величины:
Т - -
ц = рТ; А = —; ю1 = кТ; ю2 = к2Т, т
где Т - период действия импульсов.
Тогда КНТч (q) =
TA(q2 +Ю22) q4 + 2оос q2 + F2
Zi[n e] = f0 £ Cv0
v=1
z eqvs[l - eqv(n+1)] . 1 - eqv '
где 2 Юс = (ю^ю2 )2; F2 = (ю2-ю1 )2.
Полюсы передаточных функций определены как корни уравнения
ц4 + 2 юс ц2 + Г2 = 0 Уравнение разомкнутой импульсной системы (рис. 1) относительно изображений дискретного преобразования Лапласа получены в виде:
г' (ц, е) = К* (ц, е) ^ (ц, е), (2)
*
где К (Я,£) - передаточная функция разомкнутой
* ?* / \
импульсной системы по выходу 2* (ц, е); г (ц, е) -
*
изображение входной величины /0 • 1[п]; 2* (ц, е) -
изображение выходной величины перемещения центра тяжести кузова.
С помощью обратного ^-преобразования из уравнения (2) получено выражение, описывающее
(3) 0 <8< 1,
где С„0' - коэффициент разложения по выходу 2 [п'5].
В этом выражении члены, содержащие п, характеризуют переходный процесс. Он определяется характером полюсов ц из передаточной
функции. Вещественным и отрицательным ц соответствуют монотонно убывающие решетчатые функции. Комплексно-сопряженным ц с отрицательной вещественной частью соответствуют колебательно-убывающие решетчатые функции.
Если непрерывная часть представляет собой пассивную систему, все полюсы ее передаточной функции будут иметь отрицательные вещественные части. Следовательно, с течением времени, т. е. с ростом п, переходной процесс будет стремиться к нулю, и в импульсной системе наступит установившееся состояние, которое определяется членами без п в выражении (3). Таким образом, выражение (3) позволяет произвести количественный и качественный анализ колебаний системы при различных скоростях движения.
Величина импульса, действующего на вагон, как на механическую систему, определяется скоростью движения, параметрами пути и подвижного состава.
Исследование влияния формы импульса на последующие перемещения кузова вагона, позволило установить, что форма импульса не влияет на величину и характер колебаний механической системы.
Ударное взаимодействие колес с рельсом вызывает появление одиночного пика, который передается на подрессоренные части вагона. Начальный скачок скорости вертикальных колебаний тележки появляется через 0,019-0,032 с от момента действия импульса на колеса.
Величина импульса, вызывающего всполза-ние гребня колеса на рельс (в момент начала схода) определена путем сравнения величины вертикальной скорости колебаний колеса до и после скачкообразного ее возрастания.
Математически это можно представить следующим образом:
(4)
m„
иркутским государственный университет путей сообщения
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 4 (64) 2019
Т а б л и ц а
Радиус кривой, м Скорость движение, км/ч Возвышение наружного рельса, мм Импульсное воздействие, кН
583 76 0,06 18,12
641 73 0,06 17,58
1033 70 0,04 19,43
1180 78 0,06 17,97
1309 71 0,05 19,04
где I - величина импульса при движении; тн - не-подрессоренная масса вагона, приходящаяся на ось;
- конечная и начальная скорость буксы.
Величины получены с помощью ма-
тематических моделей, определяющих вертикальные перемещения в зависимости от скорости движения параметров пути и вагона.
Результаты расчета
При воздействии импульса на механическую систему боковое усилие, действующее на первую колесную пару по ходу движения, увеличивается на 10-15 %, что влечет за собой уменьшение коэффициента устойчивости до критических значений. Наряду с этим вкатывание колеса на головку рельса происходит при уменьшении нагрузки на колесо. В качестве примера из общего массива сходов порожних грузовых вагонов на Красноярской и Восточно-Сибирской железных дорогах выбрано 5 кривых различных радиусов. При расчете действующего импульсного воздействия (табл.) учтены нормативные параметры подвижного состава и пути.
Следует отметить, что при исследовании сошедших порожних вагонов был выявлен эксцентриситет насадки колеса на ось, так как имелись различные межчелюстные расстояния у правой и левой боковин тележки, отклонения в центровке букс. Номинальный размер между боковиной тележки и корпусом буксы не должен превышать 6-13 мм, на практике это почти не
нормируется и в ряде случаев сходов были выявлены зазоры до 30 мм. При учете данного факта резко увеличивается величина импульса (более чем на 20 %).
Как показали расчеты (табл.), сила действия импульса на подвижную единицу в кривых до 800 м равна 16-18 кН, но необходимо учесть, что величина силы напрямую зависит от характеристик пути и вагона. В кривых более 800 м импульс равен 17-19,5 кН. Коэффициент запаса устойчивости уменьшается на 10-30 % и становится значительно ниже установленной величины - 1,3.
Заключение
По результатам выполненных исследований по сходам порожнего подвижного состава на Красноярской и Восточно-Сибирской железных дорогах выявлено:
1. Сходы внутрь кривой происходят при наличии отклонений параметров пути и подвижного состава в пределах установленных инструкциями и правилами норм.
2. При сходах порожних вагонов внутрь кривой при движении по прямым и кривым участкам пути большого радиуса возникает импульсное воздействие.
3. При учете сил импульсного характера необходимо учитывать реальные характеристики подвижного состава и пути.
4. При расчетах коэффициента безопасности движения вагонов необходимо учитывать силы ударного характера.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Арнольд В.И. Математические методы классической механики. М. : Наука, 1974. 431 с.
2. Буйнова Н. П. Влияние параметров подвижного состава и пути на устойчивость движения / Н. П. Буйнова и др. // Вестн. трансп. Поволжья. 2011. № 1(25). С. 24-30.
3. Вагоны / под ред. Л.Д. Кузьмича. М. : Трансжелдориздат, 1956. 336 с.
4. Вериго М. Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава / под ред. Вериго М.Ф. М. : Транспорт, 1986. 559 с.
5. Вериго М.Ф. Динамика вагонов. М., 1971. 176 с.
6. Голубенко А.Л. Сцепление колеса с рельсом. Киев : 1993. 448 с.
7. Данилов В.Н. Железнодорожный путь и его взаимодействие с подвижным составом. М. : Трансжелдориздат, 1961. 111 с.
8. Коган А. Я. Черняков Е. А. Оценка достаточного условия устойчивости колеса на рельсе с учетом вероятностного характера влияющего на нее некоторых факторов // Вестн. ВНИИЖТ. 2008. № 2. С. 36-41.
9. Лазарян В.А., Длугач Л.А., Коротенко М.Л. Устойчивость движения рельсовых экипажей. Киев : Наук. думка, 1972. 198 с.
10. Леоненко Е. Г. Модели схода грузовых вагонов (цистерн) наружу и внутрь кривой // Сб. тр. Всерос. молод. науч. -практ. конф. Иркутск, 2018. С. 111-114.
оо ее i
Modern technologies. System analysis. Modeling, 2019, Vol. 64, No. 4
11. Михальченко Г.С., Погорелов Д. Ю., Симонов В.А. Совершенствование динамических качеств подвижного состава железных дорог средствами компьютерного моделирования // Тяжелое машиностроение. 2003. № 12. С. 2-6.
12. Медель В.Б. Подвижной состав электрических железных дорог. М. : Транспорт, 1965. 280 с.
13. Погорелов Д.Ю. В.А. Симонов Показатель для оценки опасности схода подвижного состава путем вкатывания колеса на головку рельса // Вестн. СНУ им. В. Даля. 2010. № 6 (147). Ч. 1. С. 64-70.
14. Петров Г. И. Оценка безопасности движения вагонов при отклонениях от норм содержания ходовых частей и пути : дисс. ... д-ра техн. наук. М., 2000. 348 с.
15. Сокол Э. Н. Сходы с рельсов и столкновения подвижного состава (Судебная экспертиза. Элементы теории и практики). Киев : Транспорт Украины, 2004. 368 с.
REFERENCES
1. Arnold V.I. Matematicheskie metody klassicheskoi mekhaniki [Mathematical methods of classical mechanics]. Moscow: Nauka Publ., 1994.
2. Buinova N. P., Kapustina E. P., Leonenko E. G., Churinova O. V. Vliyanie parametrov podvizhnogo sostava i puti na ustoichivost' dvizheniya [Impact of the parameters of the rolling stock and the track on the motion stability]. Vestnik transporta Pov-olzh'ya, 2011. 1(25). 24-30.
3. Kuzmich L. D. (ed.). Vagony [Wagons]. Moscow: Transzheldorizdat Publ., 1956.
4. Verigo M. F., Kogan A. Ya. Vzaimodeistvie puti i podvizhnogo sostava [Track and rolling stock interaction]. In Verigo M. F. (ed.). Moscow: Transport Publ., 1986.
5. Verigo M.F. Dinamika vagonov [Dynamics of railcars]. Moscow: Transport Publ., 1971.
6. Golubenko A.L. Stseplenie kolesa s rel'som [Wheel-rail adhesion]. Kiev: Naukova dumka Publ. 1993.
7. Danilov V. N. Zheleznodorozhnyi put' i ego vzaimodeistvie s podvizhnym sostavom [Railway track and its interaction with rolling stock]. Moscow: Transzheldorizdat Publ., 1961.
8. Kogan A.Ya., Chernyakov Ye.A. Otsenka dostatochnogo usloviya ustoichivosti kolesa na rel'se s uchetom veroyatnostnogo kharaktera vliyayushchego na nee nekotorykh faktorov [Evaluation of sufficient condition of the wheel stability on the rail, taking into account the probabilistic nature of some factors influencing it]. Vestnik VNIIZhT [VNIIZhT Bulletin], 2008, No. 2, pp. 36-41.
9. Lazaryan V. A., Dlugach L. A., Korotenko M. L. Ustoichivost' dvizheniya rel'sovykh ekipazhei [Movement stability of railway vehicles]. Kiev: Transport Ukrainy Publ., 1972.
10. Leonenko E. G. Modeli skhoda gruzovykh vagonov (tsistern) naruzhu i vnutr' krivoi [The models of freight car (tank car) derailments to the outside and inside of the curve]. Materialy Vserossiiskoi molodezhnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Proceedings from The All-Russian Youth Research and Practice Conference], pp. 111-114. Irkutsk, 2018.
11. Mikhal'chenko G.S., Pogorelov D.Yu., Simonov V.A. Sovershenstvovanie dinamicheskikh kachestv podvizhnogo sostava zheleznykh dorog sredstvami komp'yuternogo modelirovaniya [Improvement of dynamic qualities of rolling stock of railways by means of computer modeling]. Tyazheloe mashinostroenie [Heavy mechanical engineering], 2003, No. 12, pp. 2-6.
12. Medel' V.B. Podvizhnoi sostav elektricheskikh zheleznykh dorog [Rolling stock of electrical railways]. Moscow: Transport Publ., 1965. 280 p.
13. Pogorelov D. Yu., Simonov V.A. Pokazatel' dlya otsenki opasnosti skhoda podvizhnogo sostava putem vkatyvaniya kolesa na golovku rel'sa [The indicator for assessing the risk of rolling stock derailment by wheel mounting on the rail head]. Visnyk Skhid-noukrainskoho natsionalnoho universitetu im. V. Dalia [Bulletin of V. DahlEast Ukrainian National University], 2010, no. 5 (147), Part I, pp. 64-70.
14. Petrov G.I. Otsenka bezopasnosti dvizheniya vagonov pri otkloneniyakh ot norm soderzhaniya khodovykh chastei i puti. Diss...dokt tekhn. nauk [Evaluation of the safety of the movement of cars in the event of deviations from the norms of maintenance of running parts and track. Ph.D. (Engineering) diss.]. Moscow: MIIT Publ, 2000. 348 p.
15. Sokol E. N. Skhody s rel'sov i stolknoveniya podvizhnogo sostava (Sudebnaya ekspertiza. Elementy teorii i praktiki). [Derailments and collisions of rolling stock. (Expert evidence. Elements of theory and practice)]. Kiev: Transport Ukrainy Publ., 2004. 368 p.
Информация об авторах
Леоненко Елена Геннадьевна - преподаватель электромеханического отделения, Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал Иркутского государственного университета путей сообщения, г. Красноярск, e-mail: leonen-ko-eg@mail.ru
Authors
Elena Gennadievna Leonenko - Faculty member of the Electromechanical Subdepartment, Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, a branch of the Irkutsk State Transport University, Krasnoyarsk, e-mail: leonenko-eg@mail.ru
Для цитирования
Леоненко Е. Г. Исследование периодических импульсных воздействий на порожний подвижной состав // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2019. - Т. 64, № 4. - С. 96-101. - БО!: 10.26731/1813-9108.2019.4(64).96-101
For citation
Leonenko E. G. Issledovanie periodicheskikh impul'snykh vozde-istvii na porozhnii podvizhnoi sostav [The study of periodic pulse effects on empty rolling stock]. Sovremennye tekhnologii. Sis-temnyi analiz. Modelirovanie [Modern Technologies. System Analysis. Modeling], 2019. Vol. 64, No. 4. Pp. 96-101. DOI: 10.26731/1813-9108.2019.4(64). 96-101
