CC BY
58
УДК 625.1+004.9
С. В. Шкурников, О. С. Морозова
О РАЗРАБОТКЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПОЕЗДА
Дата поступления: 29.05.2017 Решение о публикации: 03.07.2017
Аннотация
Цель: Высокоскоростная железнодорожная магистраль «Москва-Казань-Екатеринбург» предполагает совмещение на одном рельсовом пути высокоскоростных пассажирских, движущихся со скоростью до 400 км/ч, скоростных региональных и специальных грузовых поездов со скоростями движения более 200 км/ч. Такое совмещение требует всестороннего анализа процессов, происходящих во всех элементах верхнего строения пути, в зависимости от типа подвижного состава, его скорости движения, а также различных параметров плана и продольного профиля пути. В настоящее время отсутствует реальный опыт эксплуатации такого совмещения, поэтому наилучшим способом решения поставленной задачи является компьютерное моделирование. Методы: Компьютерное имитационное моделирование. Оптимизация параметров рессорного подвешивания проводилось методами планирования экстремального эксперимента. Результаты: Разработана компьютерная имитационная модель высокоскоростного поезда в программном комплексе «Универсальный механизм». Практическая значимость: Данная модель поможет комплексно подойти к вопросам увеличенного износа элементов верхнего строения пути при скоростях движения до 400 км/ч, а также к вопросам, касающимся неравномерности износа рельсовых нитей при пропуске по одному рельсовому пути составов различных категорий.
Ключевые слова: Высокоскоростной железнодорожный транспорт, движение рельсового экипажа в круговой кривой, компьютерное моделирование, задача оптимизации, экстремальный эксперимент.
Sergey V. Shkurnikov, Cand. Eng. Sci., associated professor, head of a chair, 3123810@mail.ru; *Olga S. Morozova, postgraduate student, olya.morozova51@gmail.com (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) ON HIGH-SPEED TRAIN SIMULATION MODEL DEVELOPMENT
Summary
Objective: "Moscow-Kazan-Yekaterinburg" high-speed railway line is supposed to hold high-speed passenger trains, moving at a speed up to 400 km/h, regional high-speed trains and special freight trains, accelerating to a speed of more than 200 km/h on one track. Such a combining demands an in-depth analysis of processes occurring in all elements of a railway superstructure, depending on the type of a rolling stock, its speed, as well as different design parameters and vertical alignment of a road. At present, there is no service experience of such a combining, that is why computer modeling is the best way of solving the task in question. Methods: Computer simulation modeling was applied. Parameter optimization of spring suspension was carried out by means of extreme experiment design methods. Results: A computer simulated model of a high-speed train was developed in "Universal mechanism" software. Practical importance: The model in question allows for an integrated approach of severe wear issues of railway superstructure components with speeds up to 400 km/h, as well as the issues of nonuniform rails wear when handling trains of different categories on one track.
Keywords: High-speed railway transport, railway vehicle operation in a circular curve, computer modeling, optimization task, extreme experiment.
Введение
Характерной особенностью российской высокоскоростной магистрали (ВСМ) «Москва-Казань-Екатеринбург» является организация совмещенного движения высокоскоростных пассажирских, скоростных региональных и специальных грузовых поездов на одном рельсовом пути [1]. Различия в массе, скорости движения поездов всех категорий, а также их количественное соотношение оказывают существенное влияние на выбор параметров круговых кривых на линии ВСМ [2]. Для анализа динамического взаимодействия поезда и железнодорожного пути в кривой используется метод математического моделирования железнодорожного экипажа и пути [3].
В настоящее время решение этой задачи упрощается применением современных программных комплексов, предназначенных для исследования динамических систем. Рассматриваемый объект представляется в виде совокупности абсолютно твердых тел, связанных между собой шарнирными, упругими или диссипативными элементами. Процесс вывода уравнений движения автоматизирован и сведен к заданию пользователем массовых, геометрических, кинематических параметров, а также силовых взаимодействий элементов системы [4]. Для получения приближенного решения системы уравнений движения используются схемы численного интегрирования. В России для изучения динамического взаимодействия сложных систем наибольшую популярность приобрел программный комплекс «Универсальный механизм» (ПК «им») [5].
Описание модели рельсового экипажа
Часть исследования посвящена разработке динамической модели высокоскоростного поезда в ПК «им», которая смогла бы достаточно точно описать его движение в круговой кривой.
Геометрические характеристики состава обусловлены уже имеющейся в России эксплуатацией поезда «Сапсан» [6]. Длина поезда, состоящего из 12 условных вагонов, равна 300 м (рис. 1). Модель вагона представлена в виде совокупности твердых тел (4 колесные пары, 2 рамы тележки и кузов вагона), связанных между собой шарнирами и силовыми элементами (рис. 2).
Высокоскоростное движение предьявляет повышенные требования к динамическим качествам экипажа, в состав которых входят численные значения показателей горизонтальной динамики Пдгор (не более 0,20), вертикальной динамики первой Пд1 (не более 0,20)
и второй П (не более 0,15) ступени рессор-
Д2
ного подвешивания, а также показатели плавности хода в вертикальном Ж2 и поперечном горизонтальном Жу (не более 2,8) направлении [7]. В связи с этим возникла необходимость поиска оптимальной комбинации параметров рессорного подвешивания.
Оптимизация параметров рессорного подвешивания
Задача оптимизации решалась с помощью полного факторного эксперимента типа N = 2к, где N - число опытов, к - число факторов,
Рис. 1. Общий вид высокоскоростного пассажирского поезда в ПК «им»
Инерционно-массовые характеристики
Масса кузова вагона, М ' к 56000 кг Масса базы тележки, М •> т 3500 кг Масса колесной пары, Мкп 1500 кг
I хк 105 748 кг-м2 I хт 3363 кг-м2 I ХК.П 1200 кг-м2
I ук 2 925 990 кг-м 2 I ут 1447 кг-м2 - -
I ж 2 911 330 кг-м 2 I 7П: 4706 кг-м2 I ZK.ll 1500 кг-м2
Рис. 2. Структурная схема вагона высокоскоростного поезда
2 - число уровней варьирования факторов (см. табл. 1-3) [8]. Параметром оптимизации был выбран показатель плавности хода в горизонтальном поперечном направлении Ш. Движение экипажа со скоростью 111 м/с (примерно 400 км/ч) осуществлялось по круговой кривой: 1к = 500 м, Я = 9355 м, И = = 150 мм с переходными кривыми I = 300 м. Выбор параметров круговой кривой обусловлен необходимостью реализации скорости 400 км/ч для высокоскоростного поезда, с учетом обеспечения условия комфортабельности езды (а = 0,4 м/с2) [9].
у нп.вс ' '
Линейное уравнение регрессии, полученное в серии опытов I оказалось неадекватным (табл. 3). Поэтому было принято решение о сужении интервалов варьирования и переносе центра плана эксперимента в условия опыта
15 или 12, где значения параметра оптимизации
Ш минимальны.
у
Критерий Фишера для линейной модели, полученной в серии опытов II, равен 2,05 < < ^табл = 2,8 (табл. 3), что говорит об ее адекватности. Все величины параметра оптимизации этой серии не превышают 2,8.
Среднее значение Ь0 в серии опытов II снизилось на 32 % в сравнении с серией I.
На этапе «крутого восхождения» [8] после проведения серии опытов II удалось незначительно уменьшить величину параметра оптимизации до значения 2,07.
Окончательной проверкой являлся поиск комбинаций параметров рессорного подвешивания, при которых плавность хода в горизонтальном поперечном направлении Ш не превышает нормативное значение. Используя
ТАБЛИЦА 1. Уровни варьирования факторов
Факторы
Х1 Х2 Х3 Х4
№ серии опытов Уровни варьирования С - жесткость 1У 1-й ступени рессорного подвешивания в поперечном направлении С - жесткость 1х 1-й ступени рессорного подвешивания в продольном направлении С - жесткость 2У 2-й ступени рессорного подвешивания в поперечном направлении С - жесткость 2х 2-й ступени рессорного подвешивания в продольном направлении
I Верхний Нижний 55,0-106 5,0106 55-106 1,0-10 6 1,05-10 6 0,35-10 6 3,5-106 0,7-106
II Верхний Нижний Основной Интервал варьирования 10,0106 2,5-106 6,25-106 3,75-106 15,0106 5,0-10 6 10,0106 5,0-10 6 0,7106 0,175-106 0,4375-10 6 0,2625-106 4,2-106 2,8-106 3,5-106 0,7-106
ТАБЛИЦА 2. Матрица планирования и результаты I и II серий опытов
№ опыта X0 X1 X2 X3 X4 X1X2 X1X3 X1X4 XX3 XX4 XX4 5 s 6 о нч 5 s 6 о нч нч к
1 + + + + + + + + + + + 4,18 2,19
2 + + - - - - - - + + + 3,02 2,12
3 + + + - - + - + - - + 3,11 2,17
4 + + + + - + + + + - - 4,66 2,22
5 + - + - - - + - - - + 2,96 2,11
6 + - + + - - - - + - - 4,62 2,24
7 + - + - + - + + - + - 2,12 2,10
8 + - - + - + - - - + - 3,49 2,34
9 + + - + - - + + - + - 4,08 2,18
10 + + - + + - + - - - + 2,85 2,20
11 + - - + + + - + - - + 2,73 2,28
12 + + - - + - - - + - - 2,07 2,10
13 + + + - + + - - - + - 2,44 2,09
14 + - + + + - - + + + + 4,03 2,24
15 + - - - + + + + + - - 2,07 2,17
16 + - - - - + + - + + + 2,71 2,31
ТАБЛИЦА 3. Значения коэффициентов регрессии для I и II серий опытов
№ серии опытов b0 b1 b2 b3 b4 b12 b13 Ь14 b23 Ь24 Ь34 F
I 3,20 0,10 0,32 0,63 0,38 0,02 0,01 0,18 0,22 0,06 0,003 Sb= 0,018, F= 80,61
II 2,19 -0,03 -0,02 0,04 0,02 0,03 -0,01 0,003 0,007 0,005 0,01 Sb= 0,018, F= 2,05
модуль «Сканирование» в ПК «ЦМ», удалось провести 74 опытов [10]. Цифра 4 - это те же факторы СХу, С1х, Су и С2х, а 7 - число уровней варьирования (0,1Х; 1,1Х; 2,1Х; 3,1Х; 5,1Х; 8,1Х; 9,1Х;). Начальное значение С1у и С1х = = 107, а С2уи С2х = 0,35-10 6. Результаты предыдущих расчетов позволили допустить фиксацию С2х на максимальном уровне, так как при неизменных величинах С1у, С1х, С2у параметр оптимизации принимает минимальное значение на верхнем уровне варьирования С2х.
Результаты моделирования представлены на рис. 3. Величины фактора С2у показаны цветом и ограничены значением 5,1Х, поскольку дальнейшее увеличение этого фактора приводит к выходу Ж из области оптимума. Пара-
метр оптимизации достигает минимума при значениях жесткости 1-й ступени рессорного подвешивания в продольном направлении 1,Ы07. Фактор Сх можно принять в довольно широком диапазоне от 1,Ы07 до 9,Ы07 при одновременном уменьшении С2 до 0,385^10 и максимальном значении С .
2х
Некоторые результаты компьютерного моделирования
Для дальнейшего исследования модели Сх, С1у, С2х, С2у принимаются значения 11 000, 7700, 4200, 287 кН/м. Характеристики гидродемпферов, предназначенных для гашения
Рис. 3. Схема распределения оптимальных параметров рессорного подвешивания
Рис. 4. Поперечные колебания кузова вагона при наихудшей комбинации параметров рессорного подвешивания из серии опытов I и принятой комбинации:
1 - С1у = 55^10б, С1х= 55-10С2у= 1,0510С2х= 0,7^10б;
2 - С1у = 7,7^10б, С1х= 1110б, С2у= 0,287^10б, С2х= 4,2^10б
колебаний кузова, взяты аналогично поезду «Сапсан» [11].
Характеристики рессорного подвешивания, принятые в варианте 4 серии опытов I, показывают (рис. 4) неустойчивое движение экипажа после прохождения круговой кривой. В то же время поперечные колебания кузова вагона быстро затухают при использовании принятых для дальнейших исследований комбинации факторов.
Для изучения совмещенного движения необходимо показать возможность модификации данной модели для грузового поезда путем изменения массово-инерционных характеристик смоделированного экипажа (рис. 5, б).
Заключение
Анализ зарубежной литературы [12-14] показал сходимость принятых величин продольной и поперечной жесткостей рессорного подвешивания. Для достижения наибольших скоростей движения продольная жесткость 1-й ступени рессорного подвешивания должна быть выше поперечной. Однако в кривых участках пути высокая продольная жесткость приводит к увеличению контактных сил между колесом и рельсом, следствием которых является значительный износ. Общая тенденция к уменьшению величин продольной и поперечной жесткости 1-й ступени рессорно-
Рис. 5. Максимальное усредненное значение вертикальной силы Q для скоростного и грузового экипажей
Н, Н 25000 -|
20000 -
15000
10000
5000
0
400 350 300 250 200 150 км/ч
^ ^1вск. Й2ЕСК. ' ЙЯЕ СК. ^
* н1тр_ Й2тр_ • йзгр_ #4гр.
Рис. 6. Значение рамной силы Н для каждого колесной пары для скоростного и грузового экипажей
го подвешивания отмечена в работах [14, 15]. С целью уменьшения динамического воздействия на кузов вагона, напрямую отвечающего за комфортабельность и безопасность езды пассажира, поперечная жесткость 2-й ступени рессорного подвешивания должна принимать наименьшее возможное значение [12].
Дальнейшее применение компьютерной модели позволит произвести анализ процессов, происходящих во всех элементах верхнего строения пути - рельсах, шпалах, скреплениях, балластной и безбалластной конструкций при движении поезда, а также исследовать контактное взаимодействие колеса и рельса, непосредственно влияющее на износ системы, на различных участках плана и профиля пути.
Библиографический список
1. Шкурников С. В. Общие требования к проектированию высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва-Казань / С. В. Шкурников, Н. С. Бушуев, В. А. Голубцов // Транспорт Российской Федерации. - 2015. - № 2 (57). - С. 26-29.
2. Бушуев Н. С. Рекомендации по выбору параметров круговых кривых при совмещенном движении высокоскоростных пассажирских и скоростных специальных грузовых поездов / Н. С. Бушуев,
С. В. Шкурников, В. А. Голубцов // Техника железных дорог. - 2016. - Вып. 2 (34). - С. 71-76.
3. Гарг В. К. Динамика подвижного состава /
B. К. Гарг, Р. В. Дуккипати ; пер. с англ. ; под ред. Н. А. Панькина. - М. : Транспорт, 1988. - 391 с.
4. Погорелов Д. Ю. Компьютерное моделирование динамики технических систем с использованием программного комплекса «Универсальный механизм» / Д. Ю. Погорелов // Вестн. компьютерных и информационных технологий. - 2005. - № 4. - С. 27-34.
5. Погорелов Д. Ю. Программный комплекс «Универсальный механизм». Начинаем работать / Д. Ю. Погорелов. - Брянск, 2016. - URL : http://www.universalmechanism.com/download/80/ rus/gs_um.pdf (дата обращения: 17.05.2017).
6. Гапанович В. А. Технические особенности высокоскоростного поезда VelaroRus / В. А. Гапа-нович, А. С. Назаров, А. Н. Яговкин, Е. Г. Янченко,
C. В. Шулындин, О. Н. Назаров // Техника железных дорог. - 2009. - № 1 (5). - С. 37-49.
7. Высокоскоростной железнодорожный подвижной состав для ВСМ. Технические требования. - Утв. первым вице-президентом ОАО «РЖД» А. С. Мишариным 06.08.2015 г. - М. : ОАО «РЖД», 2015.
8. Адлер А. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / А. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. - М. : Наука, 1976. - 279 с.
9. Специальные технические условия для проектирования, строительства и эксплуатации высокоскоростной железнодорожной магистрали «Москва-Казань-Екатеринбург». - Согл. Минстроем РФ 03.08.2016 г. - № 24651-ЕС/03.
10. Погорелов Д. Ю. Программный комплекс «Универсальный механизм». Многовариантные расчеты. Руководство пользователя / Д. Ю. По-горелов. - Брянск, 2016. - URL : http://www. universalmechanism.com/download/80/rus/06_um_ expe-riments.pdf (дата обращения: 17.05.2017).
11. Максимов И. Н. Разработка профиля колес для скоростных поездов и прогнозирование его эволюции в процессе взаимодействия подвижного состава и пути : дис. канд. техн. наук : 05.22.07 / И. Н. Максимов. - М. : ОАО ВНИИЖТ, 2014. - 226 с.
12. B. Umesh Rai. Handbook of research on emerging innovations in rail transportation engineering / Rai B. Umesh. - Hershey : IGI Global, 2016. -664 p.
13. Iwnicki Simon. Handbook of Railway Vehicle Dynamics / Simon Iwnicki. - Boca Raton : CRC Press. Taylor & Francis Group, 2006. - 552 p.
14. Sun S. Improving the critical speeds of highspeed trains using magnetorheological technology / S. Sun, H. Deng, W. Li, H. Du, Y. Qing Ni, J. Zhang, J. Yang // Smart Materials and Structures. - 2013. -N 22 (11). - Р. 1-14.
15. Xiaoyan Lei. High Speed Railway Track Dynamics: Models, Algorithms and Applications /Lei Xiaoyan. - Singapore : Science Press, Beijing and Springer Nature Singapore Pte Ltd, 2017. - 414 p.
References
1. Shkurnykov S. V., Bushuyev N. S. & Go-lubtsov V.A. Obshiye trebovaniya k proyektyrova-niyu vysokoskorostnoy zheleznodorozhnoy magystraly Moskva-Kazan [General requirements on Moscow-Kazan high-speed railway line construction]. Transport of the Russian Federation, 2015, no. 2 (57), pp. 26-29. (In Russian)
2. Bushuyev N. S., Shkurnikov S. V. & Golub-tsov V. A. Rekomendatsii po vyboru parametrov kru-govykh kryvykh pry sovmeshennom dvyzhenii vysoko-
skorostnykh passazhyrskykh i skorostnykh spetsialnykh gruzovykh poyezdov [Recommendations on identification of parameters of circular curves with dual operation of high-speed passenger trains and special freight trains]. Tekhnika zheleznykh dorog [Railroad engineering], 2016, vol. 2 (34), pp. 71-76. (In Russian)
3. Garg V. K. & Dukkypaty R. V. Dynamyka pod-vyzhnogo sostava [Dynamics of the rolling stock]. Tr. from English; ed. by N. A. Pankyna. Moscow, Transport Publ., 1988, 391 p. (In Russian)
4. Pogorelov D. Y. Kompyuternoye modelyrovaniye dynamyky tekhnicheskykh system s ispolzovaniyem programmnogo kompleksa "Universalniy mekhanism" [Computer simulation technique of engineering systems' dynamics on the basis of "Universal mechanism" software application]. Vestnyk kompjuternykh i infor-matsionnykh tekhnologiy [Computer and information technologies bulletin], 2005, no. 4, pp. 27-34. (In Russian)
5. Pogorelov D. Y. Programmniy kompleks "Universalniy mekhanism". Nachynayem rabotat ["Universal mechanism " software. The start of work]. Bryansk, 2016. - URL: http://www. universalmecha-nism.com/download/80/rus/gs_um.pdf (accessed: 17.05.2017) (In Russian)
6. Gapanovich V. A., Nazarov A. S., Yagov-kyn A. N., Yanchenko Y. G., Shulyndyn S. V. & Nazarov O. N. Tekhnicheskiye osobennosty vysokosko-rostnogo poyezda VelaroRus [Technical peculiarities of VelaroRus high-speed train]. Railroad engineering, 2009, no. 1 (5), pp. 37-49. (In Russian)
7. Vysokoskorostnoy zheleznodorozhniy podvy-zhnoy sostav dlya VSM. Tekhnicheskiye trebovaniya [High-speed rolling stock for HSN. Technical requirements]. Approved by vice-president of JSC "Russian railways" A. S. Mysharyn, dated 06.08.2015. Moscow, JSC "Russian Railways" Publ., 2015. (In Russian)
8. Adler A. P., Markova Y. V. & Granovskiy Y. V. Planyrovaniye eksperimenta pry poyske optymalnykh usloviy [Experimental design in the search for optimum conditions]. Moscow, Nauka Publ., 1976, 279 p. (In Russian)
9. Spetsialniye technicheskiye usloviya dlya proyektyrovaniya, stroitelstva i ekspluatatsii vysokoskorostnoy zheleznodorozhnoy magystraly "Moskva-Kazan-Yekaterinburg" [Special technical regulations
on construction, building and maintenance of "Mos-cow-Kazan-Yekatirenburg" high-speed railroad line]. Soglasovano Mynstroyem RF 03.08.2016 [Approved by the Ministry of construction of the Russian Federation 03.08.2016]. - no. 24651-EC/03. (In Russian)
10. Pogorelov D. Y. Programmniy kompleks "Uni-versalniy mekhanizm". Mnogovariantniye raschety. Rukovodstvopolzovatelya ["Universal mechanism" software application. Multiversion calculations. User guide]. Bryansk, 2016. - URL: http://www.univer-salmechanism.com/download/80/rus/06_um_expe-riments.pdf (accessed: 17.05.2017) (In Russian)
11. Maksimov I. N. Razrabotka profilya kolyes skorostnykh poyezdov i prognozyrovaniye yego evo-lutsii v protsesse vzaimodeystviya podvyzhnogo sosta-va i puty [Wheel profile engineering for high-speed trains and forecasting of its evolution in the process
of train-track interaction]. Cand. diss.: 05. 22. 07. Moscow, OAO VNIICHT Publ., 2014, 226 p. (In Russian)
12. B. Umesh Rai. Handbook of research on emerging innovations in rail transportation engineering. Hershey, IGI Global Publ., 2016, 664 p.
13. Iwnicki Simon. Handbook of Railway Vehicle Dynamics. Boca Raton, CRC Press. Taylor & Francis Group Publ., 2006, 552 p.
14. Sun S., Deng H., Li W., Du H. & Qing Ni Y. Improving the critical speeds of high-speed trains using magnetorheological technology. Smart Materials and Structures, 2013, no. 22 (11), pp. 1-14.
15. Xiaoyan Lei. High Speed Railway Track Dynamics: Models, Algorithms and Applications. Singapore, Science Press, Beijing and Springer Nature Singapore Pte Ltd Publ., 2017, 414 p.
ШКУРНИКОВ Сергей Васильевич - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, 3123810@ mail.ru; *МОРОЗОВА Ольга Сергеевна - аспирант, olya.morozova51@gmail.com (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
