CC BY
54
УДК 629.4.067
С. В. МЯМЛИ (ДПТ), Л. М. ДЕГТЯРЬОВА (Схщноукрашський нацюнальний унiверситет iM. В. Даля, Луганськ)
МОДЕЛЮВАННЯ ДИНАМ1КИ СПЕЦ1АЛ1ЗОВАНИХ ВАНТАЖНИХ ВАГОН1В З УРАХУВАННЯМ КОНТРГРЕБЕНЯ
В статп запропоновано математичний опис взаемоди колеса спещал1зованого вантажного вагона i рейки, при цьому розглядаеться поверхня кочення колеса особливо! конфиурацп. З використанням варiанта колено! пари з контргребенем для немагiстральних спецiалiзованих вантажних вагонiв запропоновано результати моделювання руху екiпажу.
Ключовi слова: спецiалiзованi вантажш вагони, колiсна пара з контргребенем, моделювання руху екшажу
В статье предложено математическое описание взаимодействия колеса специализированного грузового вагона и рельса, при этом рассматривается поверхность катания колеса особой конфигурации. С использованием варианта колесной пары с контргребнем для немагистральных специализированных грузовых вагонов предложены результаты моделирования движения экипажа.
Ключевые слова: специализированные грузовые вагоны, колесная пара с контргребнем, моделирование движения экипажа
In the article a mathematical description of interaction of the special-purpose freight wagon wheel and rail is proposed, in so doing a special configuration of the tread contact surface of wheel is under consideration. The results of simulation of vehicle motion using the variant of wheelset with counterflange for non-mainline special-purpose freight wagons are proposed.
Keywords: special-purpose freight wagons, wheelset with counterflange, simulation of vehicle motion
В класичнш моделi взаемоди колюно! пари з колiею для забезпечення оптимально! взаемоди елеменпв системи «екiпаж-колiя» зазначаеться, що екшаж повинен рухатися в рейково! коли прямолшшно, без набтанням гребенями колю на рейки. Однак тд впливом нерiвностей на поверхш кочення колю i верхньо! будови коли колюна пара здшснюе складш просторовi рухи, як через букси, ресори та надресорш балки пе-редаються кузову екшажа [1 - 5]. Специфiчна форма поверхш кочення колю i рейково! коли, складовi яко! завдяки сво!м геометричним об-рисам i пiдуклонцi надiйно забезпечують без-пеку i поступовий вщносно прямолiнiйний рух екiпажа в прямих донках без суттевого наб> гання гребеня колiс на рейки. Саме ця форма полегшуе вписування екшажу в крив^ компен-суе рiзницю дотичних швидкостей колiс, що котяться по зовшшнш i внутрiшнiй рейках [6 - 8]. Але з моменту, коли колесо починае прослизати по рейщ, виникають додатковi по-перечнi, вiдносно напряму руху, сили мiж гре-бенем колеса i робочою гранню зовнiшньо!' рейки. При збшьшенш швидкостi руху екша-ж1в, при умовi появи дефектiв на профш колеса або при зношуванш профiлю колеса цi сили зростають, внаслщок чого з'являеться загроза вкочування колеса на головку рейки i подаль-шого сходу екiпажа з рейок. Для зменшення
цих сил до мшмуму необхiдне створення вщ-повщних профiлiв поверхнi кочення колiс i рейок або використання вщповщних запобiжних пристро!в.
При дослiдженнях коливань вагони розгля-дають як мехашчш системи, що складаються з твердих тiл, з'еднаних жорсткими i пружними елементами, при цьому свобода руху вагошв обмежена зовнiшнiми направляючими при-строями, якi не входять в систему. З'еднаш елементи i зовшшш направляючi або утримую-чi пристро! вважаються зв'язками, що наклада-ються на мехашчну систему.
Вiдомо, що обриси профшю колеса i рейки ютотно впливають на показники контактно! взаемоди, динамiчнi показники руху залiзнич-ного екiпажу в цiлому i термiн служби колiс та рейок. Так, в робоп [9] ошташзащя колiсних профiлiв визнаеться одним з найефектившших засобiв полiпшення взаемодi! рухомого складу i колi!, що сприяють зниженню поперечних сил та напружень у взаемоди колеса i рейки i по-слаблюють динамiчний вплив рухомого складу на колда.
Усередиш колi! колiснi пари одного вагона повинш займати таке положення, яке дозволить !м рухатися в кривш без деформацi! колi! або само! колюно! пари.
© Мямлш С. В., Дегтярьова Л. М., 2011
В якосп вантажного вагона в даному випад-ку наведено розрахунки для порожньо! цистер-ни та цистерни з наливним вантажем шдвище-но! в'язкостi. При розрахунках технiчних пара-метрiв можливостей цистерни, обладнано! ко-лiсною парою з контргребенями, було врахова-но математичний опис просторових коливань дослiджуваного рейкового екiпажу при рус залiзничною колieю в прямих та кривих д^н-ках. Достовiрнiсть отриманих результатiв юто-тно залежить вiд того, як математичною модел-лю описано реальнi процеси, що вiдбуваються в контактi рейкового екшажу i коли. Враховуючи припущення та спираючись на розрахунковi даннi, приведено результати порiвняльного аналiзу руху двох видiв цистерн: з контргребенями та цистерн, оснащених колiсними парами зi стандартними суцiльнокатаними колесами.
Для оцшки впливу контргребеней на дина-мiчнi показники вантажних вагонiв були вико-нанi розрахунки, що моделюють рух заванта-жено! i порожньо! цистерни по прямш дiлянцi коли i кривим дiлянкам, радiусами 600 i 300 м. Для виконання теоретичних дослiджень споча-тку були згенероваш динамiчнi збурення (нер> вносн елементiв рейково! коли), що ддать на вагон з боку коли зпдно РД 32.68-96 [10, 11].
Великий вплив на значення геометричних нерiвностей мае змiна кривизни рейок за раху-нок звивистого, близького до сшусощального, руху рейкового екшажу та виляння його ходо-вих частин. Нерiвнiсть, що з'явилася в результат взаемоди колеса i рейки, описуе змiну про-гину вздовж певно! дiлянки рейково! коли.
Моделювання виконувалося за допомогою комп'ютерного комплексу БупКаП, що розроб-лено в Дншропетровському нацiональному уш-верситен залiзничного транспорту iм. академ> ка В.Лазаряна [11, 12].
Взаемодiя рухомого складу з поодинокими нерiвностями коли розглядаеться як основний фактор, що визначае динамiчну навантаженiсть екiпажу при рус рухомого складу в кривих.
В якосп збурень заданi геометричш нерiв-ностi рейок у вертикальнш i горизонтальнiй площинах вiдповiдно до вимог РД 32.68-96. Осцилограми цих нерiвностей наведет на рис. 1, 2.
На вщмшу вщ вертикальних впливiв, горизонталью збурення не е визначальними в змш величини та геометрi! бiчних коливань ею-пажiв.
На рис. 4 наведено порiвнювальне зобра-ження змшеного профiлю колеса та класичного суцшьнокатаного колеса згiдно стандарту [13].
Пг[мм]
60
Рис. 1. Вертикалью нер1вност1 рейково!' коли шд правим та л1вим колесом - взаемне положення рейкових ниток по висоп (поперечний р1вень)
Рис. 2. Горизонталью шнематичш збурення в напрямку, перпендикулярному оа коли
Рис. 3. Взаемне розташування колеса 1 рейки при одноточковому контакт! по кругу кочення колеса
-60 -160
1
ч. У V
/ / Колесо гост N !
-140 -120 -100
-60 -40 -20
20 40 60 80 100
Рис. 4. Пор!вняльне зображення суцшьнокатаного колеса (ГОСТ 9036-76 [11]) та колеса з! змшеним профшем кочення
Далi на рис. 5 наведено осцилограми бiчно-го вiднесення першо! колюно! пари. Тут i далi пунктирш лiнi! вiдносяться до колеса без контргребеня, а суцшьш - до колеса з контрг-ребенем.
Моделювання дозволяе вщтворити тiльки тi характеристики процесу чи явища, якi необхщ-но дослщити, не вiдволiкаючись на додатковi умови та властивостi, що не е важливими у да-ний промiжок часу.
Риа 5. Бiчнe вiднeceння пepшoï гал^Ш! пapи:
l - лшя, щo на eKpani ocцилoгpaфa вiдтвopюe пoпepeчнe пepeмiщeння кoлicнoï napn, ne ocнaщeнoï кoнтpгpeбeнeм; 2 - лшя, щo на eKpani ocцилoгpaфy вiдтвopюe пoпepeчнe пepeмiщennя кoлicnoï napn, ocnaщenoï кonтpгpeбeneм
Нaвeдeний pиcyнoк дае нaoчнe yявлeння npo пoпepeчнe пepeмiщeння кoлicнoï nap^ Cno-чaткy, викoнyючи pyx ho пepexiднiй дiлянцi на вxoдi в Kpmy (O < X < l OO м), лiвe кoлeco no-cтyпoвo нaближaeтьcя i npитиcкaeтьcя дo зoв-нiшньoï peйки. Пoтiм, pyxaючиcь no кpyгoвiй кpивiй (lOO м < X < 3OO м), лiвe кoлeco говню-тю пpитиcнyтe дo зoвнiшньoï peйки i пpoдoв-жye pyxaтиcя влiвo, yкoчyючиcь на pefey. I, нapeштi, npи вждщ з кpивoï (3OO м < X < 4OO м) кoлeco пocтyпoвo вiдxoдить вiд зoвнiшньoï peйки i вiднoвлюe cвoe cтaндapтнe crime no-лoжeння вiднocнo кoлiï.
З нaвeдeнoгo pиcyнкa виднo, щo кoлeco бeз кoнтpгpeбeня pyxaючиcь в Kpmrn nepeмicтилo-cя в nonepeчнoмy нaпpямi npиблизнo на l6 мм. ^и цьoмy вoнo займае noлoжeння вiднocнo peйки, якe noкaзaнe на pro. б.
Z.MM 20
-20
16 мм
1
г / 1 J
1 i
-60 -40
-20
20
40
60
Y.MM
Риа б. Пoлoжeнnя кoлeca, нe oблaднaнoгo Komprpe-бeнeм, вiднocнo peйки npи мaкcимaльнoмy бiчнoмy вiднeceннi
Тoчкa кoнтaктy no cтaндapтнoмy толу ko-чeння noзнaчeнa цифpoю l, а нoвa тoчкa Korna-кту мiж гpeбeнeм кoлeca i бiчнoю noвepxнeю peйки - цифpoю 2. З нaвeдeнoгo pиcyнкa виднo, щo в цiй cитyaцiï лiвe кoлeco знaxoдитьcя в кpитичнoмy noлoжeннi i cxi4 бiльш нiж мoжли-
вий ^и виникнeннi, нanpиклaд, знaчнoгo 6íh-нoгo вiтpy нaзoвнi кpивoï aбo noдoвжnix стго-каючих зycиль в aвтoзчeплeнняx.
Кoли в aнaлoгiчнiй crnya^ï onинивcя вaгoн з oблaднaними кoнтpгpeбeнями кoлecaми, тo мaкcимaльнa вeличинa бiчнoгo вiднeceння cклaдae npиблизнo lO мм. ^и цьoмy кoлeco зaйнялo вiднocнo peйки noлoжeння, щo нaвeдe-го на pиc. 7.
Piзниця бiчниx вiднociв y цих двox еттуащ-ях, на nepший noгляд, нeвeликa. Пpoтe, в дpy-гoмy випадку, кoли кoлeco oблaднaнe Komp^ peбeнeм, кoлicнa napa знaxoдитьcя в мeнш го-бeзneчнiй cитyaцiï. Кoнтaкт вiдбyвaeтьcя в точ-цi (тoчкa 2 на pro. 7), poзтaшoвaнiй ж на кpoм-цi noвepxni гoлoвки peйки, а на ïï бiчнiй noвep-xнi. I в цш cитyaцiï дo noвнoгo вкoчyвaння ko-лeca на peйкy щe е говна вiдcтaнь.
z.mm
20
-20
10 мм
1
\
s / / 1 J
J V- s
-60 -40 -20
20
40
60
Риа 7. Пoлoжeння кoлeca, oблaднanoгo кoнтpгpeбeнeм, вiднocнo peйки ^и мaкcимaльнoмy бiчнoмy вiднeceннi
Дaлi для moH^cri нaвeдeнo ocцилoгpaми nonepeчниx cra взaeмoдiï лiвoгo i npaвoгo ko-лeca nepшoï кoлicнoï napи з лiвoю i npaвoю peйкoю вiдпoвiднo.
На pиc. S i 9 етшм кoльopoм (l) noзнaчeнi ocцилoгpaми для нe oблaднaнoï кoнтpгpeбeня-ми кoлicнoï napи, зeлeним кoльopoм (2) - oблa-днaнoï.
/
■f À
Чч //
/ /
/
/
Зелена крива на екраш осцилографа
Сння крива на екраш осцилографа
Pиc. S. Пoпepeчнa cилa взaeмoдiï лiвoгo кoлeca з лiвoю peйкoю
Sy[,H]
к к^— г
\\ / Í
/ Í
А
vjWVWb wvvwv \
O / 100 200 300 \ 400
1 2
Рис. 9. Поперечна сила взаемодп правого колеса з правою рейкою:
1 - осцилограма для колгсно! пари, не обладнано! контрг-ребенями; 2 - осцилограма для колгсно! пари, обладнано! контргребенями
З цих рисунюв видно, що в першому випад-ку (тобто, коли колеса без контргребешв) максимальна поперечна сила взаемодп л1вого колеса з л1вою рейкою бшьше, шж в другому (48 кН проти 32 кН) на величину сили взаемодп правого колеса з правою рейкою (зелена лшя на рис. 8). Поперечна ж сила взаемодп правого колеса, обладнаного контргребенем, з правою рейкою бшьше, шж вщповщна сила для колеса, не обладнаного контргребенем. Це свщчить про те, що додаткова сила (16 кН) i е силою, що протид1е сходу з рейок колюних пар, оснаще-них контргребенями.
Не дивлячись на те, що у даному випадку було проанатзовано спрощений випадок i не-обхщне уточнення математично! моделi взаемодп колю з контргребенем i рейок, а також вибiр параметрiв контргребеня (кута нахилу контргребеня i зазору мiж контргребенем i зов-шшньою стороною рейки), з наведених резуль-татiв видно, що використання контргребешв приведе до зниження вiрогiдностi укочування колеса на головку рейки. Звичайно, що перетин стршочних переводiв та рейкових з'еднань по-требуе додаткового вивчення та подальшого удосконалення запропонованного ршення.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Четаев, Н. Г. Устойчивость движения [Текст] / Н. Г. Четаев. - М.: Физматгиз, 1965. - 208 с.
2. Вершинский, С. В. Динамика вагона [Текст] : учебник для вузов ж/д трансп. / С. В. Вершинский, В. Н. Данилов, В. Д. Хусидов; под ред.
С. В. Вершинского. - 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Транспорт, 1991. - 360 с.
3. Лазарян, В. А. О стационарных режимах и устойчивости движения рельсовых экипажей в круговых кривых [Текст] / В. А. Лазарян, Н. А. Радченко // Науч. тр. ДИИТ. - 1976. -
Вып. 22. - С. 3-14.
4. Вериго, М. Ф. Анализ методов математического моделирования динамических процессов в исследованиях интенсивности развития бокового износа рельсов и гребней колес [Текст] / М. Ф. Вериго // Вестник ВНИИЖТ. - 1997. -№ 6. - С. 24-33.
5. Математическое моделирование колебаний рельсовых транспортных средств [Текст] / А. И. Залесский [и др.]; под ред. В. Ф. Ушкало-ва. - К.: Наук. думка, 1989. - 240 с. - (АН УССР, Ин-т техн. механики).
6. Камаев, А. А. Моделирование воздействия подвижного состава на путь [Текст] / А. А. Камаев. - Брянск: БИТМ, 1988. - 80 с.
7. Кондрашев, В. М. Единые принципы исследования динамики железнодорожных экипажей в теории и эксперименте [Текст] / В. М. Кондра-шев. - М.: Интекст, 2001. - 190 с.
8. Радченко, Н. А. Криволинейное движение рельсовых транспортных средств [Текст] / Н. А. Радченко. - К.: Наук. думка, 1988. - 216 с.
9. Калей, С. Улучшение взаимодействия подвижного состава и пути [Текст] / С. Калей, Дж. Сэ-мюэлс // Железные дороги мира. - 2003. -№ 2. - С. 13-16.
10. Руководящий документ. Расчетные неровности железнодорожного пути для использования при исследованиях и проектировании пассажирских и грузовых вагонов: РД 32.68-96 [Текст]. - М.: ВНИИЖТ, 1996. - 17 с.
11. Мямлин, С. В. Моделирование динамики рельсовых экипажей [Текст] / С. В. Мямлин. - Д.: Новая идеология, 2002. - 240 с.
12. Свщоцтво про реестрацш авторського права на твiр № 7305. Комп'ютерна програма «Dynamics of Rail Vehicles» (DYNRAIL) [Текст] / С. В. Мя-млш; зареестр. 20.03.2003.
13. Колеса цельнокатаные. Конструкция и размеры: ГОСТ 9036-76 [Текст]. - [Действующий от 1976-01-01]. - М.: Гос. комитет СССР по стандартам, 1976. - 9 с.
Надшшла до редколегп 04.11.2010.
Прийнята до друку 12.11.2010.
