Определение допустимых сил при оценке устойчивости грузовых вагонов от выжимания в поездах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 1 (61)

УДК 629.4.017:625.1.032.84

A. А. ШВЕЦ1*, К. И. ЖЕЛЕЗНОВ2*, А. С. АКУЛОВ3*, А. Н. ЗАБОЛОТНЫЙ4*, Е. В. ЧАБАНЮК5*

1 СКТБ МСУБ, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика

B. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (050) 214 14 19, эл. почта [email protected], (ЖСГО 0000-0002-8469-3902

2*СКТБ МСУБ, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (095) 545 38 87, эл. почта сош!ж1Йш@1.иа, (ЖСГО 0000-0003-3648-1769

3*СКТБ МСУБ, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (067) 178 16 90, эл. почта [email protected], (ЖСГО 0000-0002-6123-5431

4*СКТБ МСУБ, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (067) 282 13 41, эл. почта [email protected], (ЖСГО 0000-0003-1651-7082

5*СКТБ МСУБ, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (066) 633 55 95, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0001-5695-5955

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМЫХ СИЛ

ПРИ ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

ОТ ВЫЖИМАНИЯ В ПОЕЗДАХ

Цель. В аналитическом исследовании рассматриваются: 1) связь между продольной силой, действующей на вагон в составе поезда; 2) боковые и вертикальные силы взаимодействия в зоне контакта колеса и рельса; 3) динамические показатели вагонов с величиной коэффициента запаса устойчивости от выжимания; 4) получение зависимостей между ними. Методика. Исследование проводилось аналитическим методом оценки устойчивости грузового вагона при движении с различными скоростями по прямым и кривым участкам пути. Результаты. В процессе исследования движения поезда, при расследовании транспортных событий, а также во время выполнения учебного задания на тренажере машиниста для оценки его действий используются величины продольных сил в межвагонных соединениях. Получено выражение для вычисления значения продольной сжимающей силы, действующей на вагон, при которой величина коэффициента запаса устойчивости от выжимания равна допустимому значению (критическая сила). Для оценки влияния на величину продольной силы скорости движения, коэффициентов вертикальной и горизонтальной динамики, а также ветровой нагрузки на боковую поверхность кузова вагона приведены результаты расчетов движения порожнего полувагона модели № 12-532 по кривой радиусом 250 м с возвышением 150 мм и поперечным разбегом рамы кузова вагона относительно оси пути в направляющем сечении в 50 мм. Научная новизна. В данном исследовании приведена методика определения продольной сжимающей силы, несколько отличающаяся от общепринятой. Также оценивается влияние на неё скорости движения подвижного состава, коэффициентов вертикальной и горизонтальной динамики и ветровой нагрузки на боковую поверхность кузова вагона. Практическая значимость. Авторами разработаны предложения по уточнению существующих методик определения значения продольной сжимающей силы, действующей на вагон, при которой величина коэффициента запаса устойчивости от выжимания будет равна допустимому значению. Это позволит оценивать устойчивость каждого вагона поезда от выжимания непосредственно во время моделирования его движения. Наиболее эффективно использовать эту методику можно в тренажерах, предназначенных для обучения машинистов безопасным способам вождения поездов, и при расследовании причин схода вагонов.

Ключевые слова: безопасность движения; ветровая нагрузка; боковая поверхность кузова; нормы расчёта; устойчивость вагонов от выжимания; скорость движения; коэффициент устойчивости; продольная сжимающая сила

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 1 (61)

Введение

Существующие в настоящее время модели продольной динамики поездов позволяют с достаточной точностью определять величины продольных усилий, действующих на вагоны при различных режимах управления поездом. Эти модели успешно используются при оценке влияния новых элементов подвижного состава (поглощающих аппаратов, воздухораспределителей и т.д.) на продольную нагруженность поездов, при расследовании случаев серьезных транспортных событий и моделировании движения поезда при выполнении учебных заданий на тренажерах машиниста. Два последних случая отличаются от остальных тем, что используемые модели поездов, наряду с корректной оценкой скорости движения, пройденного пути и продольных сил, должны позволять оценивать устойчивость вагонов от выжимания их продольными силами.

В настоящее время при расследовании транспортных событий, связанных со сходами вагонов, оценка правильности действий машинистов производится в основном по косвенным показателям. К таким показателям, в первую очередь, относятся максимальное сжимающее усилие, действующее на сошедший вагон, и время его действия. В тренажерах, предназначенных для обучения машинистов безопасным способам вождения поездов, было бы целесообразно оценивать правильность действий машиниста «на лету», то есть непосредственно во время управления поездом. Для этих целей, в перечисленных выше случаях, правильным было бы оценивать устойчивость каждого вагона поезда от выжимания непосредственно во время моделирования его движения.

На рис. 1 приведены данные о сходах вагонов, случившихся при применении машинистами режима торможения [10] на прямых участках и в кривых радиусом 350-650 м. Из рис. 1, а видно, что наибольшее количество сходов произошло при малых скоростях движения, при средних скоростях количество сходов снижается, а при скоростях, близких к предельно допустимым значениям - в кривых вновь растет. Это может быть объяснено следующими соображениями: при малых скоростях движения тормозная сила, действующая на вагон, велика; при скоростях, близких к предельным величи-10.15802^2016/61045

нам, тормозная сила существенно уменьшается, но величина коэффициента вертикальной динамики приближается к наибольшему допустимому значению (рис. 1, б). Из-за несинхронного срабатывания воздухораспределителей соседних вагонов при малых скоростях движения возникают большие продольные квазистационарные силы, действующие на вагон, которые при прочих благоприятствующих факторах способны привести к его выжиманию. При больших скоростях движения тормозные силы снижаются почти в 2 раза, поэтому риск выжимания вагонов от действия продольных сил снижается. Одновременно с этим, большие величины коэффициента вертикальной динамики могут привести к значительному обезгружива-нию набегающего колеса и сходу даже при неболыпих величинах продольных сил.

CI-CI 13 ¡6 ¡4 12 W 8 6 4 1 0

35-50 5(1-70 ЭВДС

■ Прямые V, КМ'1

■ k'pyjObMc kpilBUC

190 O.S

fo—fy Кт'тс . Кдв

70 О

30 JJ 50 Ы> 70 во «1

Рис. 1. Выборка информации о сходах вагонов: а - количество сходов подвижного состава при торможении поезда; б - зависимость тормозной силы и коэффициента вертикальной динамики от скорости движения поезда

Fig. 1. Information retrieval about cars derailment:

a - the number of rolling stock derailment during braking of the train; b - dependence of the brake force and the coefficient of vertical dynamics of train speed

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 1 (61)

Из этого следует, что при определении условий устойчивости вагонов от выжимания их продольными силами следует учитывать динамику вагона, как системы масс [11, 12, 15].

Цель

Для оценки устойчивости вагонов от выжимания продольными силами используются коэффициенты устойчивости. Величины этих коэффициентов зависят от соотношения боковых и вертикальных сил, действующих на колесо. Однако выход вышеперечисленных показателей за допустимые значения не означает, что обязательно произойдет сход. Это необходимое, но не достаточное условие для схода колеса с рельса [7].

Целью аналитического исследования связи между продольной силой, действующей на вагон, боковыми и вертикальными силами взаимодействия в зоне контакта гребня колеса и рельса, величинами коэффициентов вертикальной и горизонтальной динамики необрес-соренных частей вагона с величиной коэффициента запаса устойчивости от выжимания является получение зависимостей между ними.

Методика

В [5, 6] показано, как можно оценить устойчивость вагона от выжимания продольными силами, действующими в поезде. Это делается путем расчета значения коэффициента запаса устойчивости (Ку). Приведенные там выражения достаточно громоздки, а их использование может оказаться затруднительным из-за большого количества параметров. Вместе с тем, при оценке действий машиниста, связанных с управлением поезда, почти никогда невозможно с абсолютной уверенностью сделать вывод об их правильности или ошибочности [8, 9, 13]. Из-за большого количества параметров пути и вагона, необходимых для расчета величины Ку , невозможности точного определения абсолютно всех их значений и некоторых допущений, сделанных в расчетной схеме при получении формулы расчета Ку , мы всегда

имеем дело с оценочными (вероятностными) результатами. Поэтому, для оценки устойчивости вагонов достаточно определить возмож-

ность их выжимания в наихудших возможных условиях. И, если при этом возможность выжимания не подтверждается, то можно отбросить гипотезу о том, что действия машиниста стали причиной серьезных транспортных событий. Если же в наихудших условиях возможность выжимания вагона подтверждается, то, прежде чем делать окончательный вывод об ошибочности действий машиниста, следует оценить устойчивость полученного результата к вариации параметров, значения которых приняты с некоторыми допущениями. И только если в большинстве случаев вариаций параметров возможность выжимания будет подтверждена, следует считать действия машинистов ошибочными.

В основе расчета устойчивости вагонов от выжимания [5-7] лежит статическая расчетная схема. Однако вагон представляет собой достаточно сложную механическую систему со многими степенями свободы и во время движения взаимодействие между его отдельными частями и между вагоном и железнодорожным путем носит динамический характер. Динамический характер вертикальных сил взаимодействия приводит к периодическому увеличению и уменьшению вертикальных нагрузок на колесо, что напрямую влияет на возможность вкатывания колеса на рельс. Следует отметить два главных источника периодических изменений вертикальной нагрузки колеса на рельс - это боковая качка кузова (перевалка на пяте и колебания на пружинах центрального подвешивания) и вертикальные неровности рельсовых нитей. Период боковой качки кузова порожних грузовых вагонов колеблется в пределах от 200 до 300 мс. То есть в течение половины периода колебаний (100-150 мс) вертикальная нагрузка на набегающее колесо будет меньше статической, а на ненабегающее - больше. Время проследования колесом просадки пути при средней скорости движения вагона 50 км/ч и длине просадки 3 м составит примерно 220 мс. По оценке, приведенной в [1], путь, который должно пройти колесо вагона для того, чтобы гребень вкатился на головку рельса, составляет примерно 0,64 м. В [14] для колес различного профиля этот путь составляет 0,46-0,73 м. При этом время, необходимое для вкатывания колеса на рельс при скорости 50

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 1 (61)

км/ч, составит 33-53 мс. В [2] время, в течение которого нарушение условия устойчивости от вкатывания колеса на рельс становится опасным, составляет 50 мс. Таким образом, время, в течение которого динамические силы взаимодействия колеса и рельса меньше своих статических значений, в 3-4 раза больше времени, необходимого для вкатывания колеса на рельс. Из этого следует, что вертикальная динамика взаимодействия вагона и пути должна быть учтена при оценке устойчивости вагона от выжимания продольными силами. То же самое можно сказать о динамических добавках горизонтальных поперечных сил взаимодействия колеса и рельса.

Величины вертикальных догрузок и разгрузок колесных пар характеризуются коэффициентом вертикальной динамики (Кдв), который

может принимать как отрицательные (при разгрузке), так и положительные (при догрузке) значения. Динамические добавки рамных сил принято учитывать коэффициентом горизонтальной динамики (Кдг), который при увеличении бокового давления набегающего колеса на рельс принимает положительные значения, а при уменьшении этой силы - отрицательные.

С учетом вышесказанного динамические силы, действующие на первую колесную пару со стороны набегающего и ненабегающего колеса, в расчетной схеме представлены следующими выражениями:

V2

F=5-р-т,

(2)

\Р = Р

1 1 д1,2 1 ст1,2

(1 + Кдвн,нн ) Ндр = Нр •(1 + КДГ1 )

(1)

где Рст12 - вертикальная статическая нагрузка

на набегающее 1 и ненабегающее 2 колесо, кН; Кдвн, Кдвнн - величины коэффициентов вертикальной динамики необрессоренной части вагона для тех же колес; Нр - величина рамной силы без учета поперечной динамики, кН; Кдг1 -

коэффициент горизонтальной динамики необ-рессоренной части вагона.

Кроме этого в традиционных расчетных схемах не учитывается влияние ветровой нагрузки на боковую поверхность кузова. Эта сила прикладывается к геометрическому центру боковой поверхности и определяется выражением:

где S - площадь боковой поверхности кузова, м ; р - плотность воздуха, Па; V - скорость ветра, м/с.

Здесь выражение 0,5р- V2 - это давление ветра на боковую поверхность кузова. В [7] принято расчетное давление ветра равное 500 Па, площадь боковой поверхности крытого вагона колеблется в пределах от 38 м2 (модель 11-217) до 49 м2 (модель 11-260), при этом сила от ветровой нагрузки составляет 19-25 кН. Если при этом ветер направлен внутрь кривой, то сила ветровой нагрузки будет способствовать дополнительной разгрузке набегающего колеса, что существенно повлияет на условия выжимания вагона.

С учетом всего сказанного выше, составлены расчетные схемы взаимодействия вагонов между собой и с путем [5, 6]. Эти схемы представлены на рис. 2 и 3.

На рис. 2 все силы, действующие на вагон, спроектированы на плоскость пути, а также плоскости ей перпендикулярные - продольную относительно оси пути и поперечную.

Где 00 - вес кузова вагона, кН; G1 - вес необрессоренной части тележки, кН; а - угол наклона пути к горизонтали, рад; N и Ы2 -продольные усилия, действующие в автосцепках вагона, кН; Z1 и Z2 - вертикальные составляющие продольного усилия, кН; 2а - расстояние между центрами клиновых отверстий сцепленных автосцепок, м; Д1 - разность уровней осей автосцепок впереди вагона, м; Д2 -разность уровней осей автосцепок сзади вагона, м; У1 и У2 - горизонтальные поперечные составляющие продольного усилия, кН; Х1 и Х2 - горизонтальные продольные составляющие продольного усилия, кН; Ивр - высота от УГР

до верхней плоскости центрального рессорного комплекта, м; Иц - высота центра тяжести вагона над уровнем головок рельсов, м; й* - высота от УГР до центра тяжести боковой поверхности кузова вагона над плоскостью опи-рания надрессорных балок, м; Gкп - вес колес-

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2016, № 1 (61)

ной пары, кН; Нр - рамная сила, действующая на колесную пару, кН.

Рис. 2. Расчетная схема состава поезда и перекосы ее элементов в плане при действии продольных сжимающих сил с учетом силы ветра

Fig. 2. The analytical model of train set and distortions of its elements in plan view under action of longitudinal compressive forces, taking into account wind strength

Рис. 3. Расчетная схема сил, действующих на тележку в результате продольного сжатия

Fig. 3. The analytical model of forces acting on the bogie as a result of longitudinal compression

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 1 (61)

Зависимость для определения коэффициента запаса устойчивости от выжимания продольными силами с учетом сил инерции в кривой [5,

6] и составляющей от действия ветровой нагрузки на боковую поверхность кузова вагона имеет следующий вид:

к! =

tgß-м 1tgß

N2

ПСТ + __

ваг ^

Vа -к

V к

■L

250■S а ■

S

S

N

2Укр--J + V а' S

P + F --вин S в S

2

N

м- рСт + — г* ваг с

+N ■

25,

2 ( h \ V L

~ "вр . ткр ^

2 -м- —

S

а-J

2- 11+а|-/h а ^^

S

S

(2)

PI 2-М S

2Укр-| 2-|м^ | + Va

(

Y

2-ц^ S

В процессе моделирования движения поезда, то ли при расследовании транспортных событий, то ли во время выполнения учебного задания на тренажере машиниста, для оценки действий машиниста используются величины продольных сил в межвагонных соединениях. Поэтому удобнее будет в качестве критерия оценки устойчивости вагона от выжимания вместо величины Ку использовать величину

продольной силы, при которой Ку меньше допустимого значения (для грузовых вагонов [ Куд ]=1,2 [7]). Эта критическая величина продольной силы может быть получена из выражения для Ку (2), путем выражения величины

продольной силы (N = £ ) через параметры вагона, пути и допустимую величину Ку = [Куд ^ . Вычисления значения продольной сжимающей силы, действующей на вагон, при

-F.-|2-м-

которой величина коэффициента запаса устойчивости от выжимания будет равна допустимому значению (критическая сила) осуществляется по простой и широко известной зависимости как дискриминант квадратного уравнения:

p p2 - 4 ■ k ■ q 2k

(3)

Первый корень этого решения представляет собой искомую сжимающую продольную силу, физический смысл второго - растягивающая продольная сила, способная привести к вкатыванию колеса на рельс.

Введение динамических коэффициентов

Кд - К5д (4)-(8), которые будут вычисляться непосредственно во время выполнения учебной поездки на тренажере, существенно упростит выражения для определения коэффициентов квадратного уравнения (9)—(11):

кд=к

г

2 -

М 2

1 + Mgß

Л

S

к д = 2 - кДг

S

М 2

1 + M/gß

tgß - М1

К4Д =

д = 1+Mgß(K к )+|М + 1±Mgßl bKi+bK

3 = ^--(Кдв1 - К Дв2 ) + |М2 + ^---Z7,-

1 + M1tgß (к + к ) + |М 1+ M/gß

^ ¿2Кдв2 - ¿Кдв!

(4)

(5)

(6) (7)

X

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2016, № 1 (61)

кд = -

+КДВ2 ) + L

,2

tgß - Ц

\ Кдв2 - b Кдв1

2S

k = -

V a

2 Л C

• кд

Ук

Сг •а•j

1 + -]• кд -bк3д

Р = Va 'к1д + 2Ук

q = (G0 + 2G1 ) + 4G,

К1д --кд b

■Фэ,

• кд,

Ц 2

где 21 - база вагона, м; 250 - суммарный поперечный разбег рамы кузова вагона относительно оси пути в направляющем сечении, м; Ь

- расстояние по горизонтали от оси вагона до центра клинового отверстия автосцепки, м; а -длина корпуса автосцепки (от оси сцепления до конца хвостовика), м; Сг - горизонтальная жесткость рессорного подвешивания одной тележки, кН/м; 2Ь - расстояние между точками приложения вертикальных сил, действующих на буксы колесной пары соответственно на набегающем и ненабегающем колесе, кН; Нвр -

высота верха рессорных комплектов над уровнем головок рельсов, м; с - вертикальное расстояние от верхней плоскости центрального рессорного комплекта до уровня оси автосцепки, м; На - высота оси автосцепки над уровнем головок рельсов, м; Нв - высота центра тяжести боковой поверхности кузова вагона над плоскостью опирания надрессорных балок, м; 2Б -расстояние между кругами катания колес, м; в

- угол, образованный прямолинейной частью контура профиля гребня колеса к плоскости пути; уа - угол поворота, рад;

50 •L L L ,

V а•I1+а1,

Vкр _ угол поворота от кривой, рад;

Lc

(12)

Укр ="¡7,

С

R

(13)

Фэкв - угол поворота в вертикальной плоскости, рад;

1 + Mgß

F,

кд к4д b

Фэкв =Фг 1т+11+ Ф2 • IL-1I,

(8)

(9)

(10) (11)

(14)

2ЬС - длина вагона по осям сцепления, м; Я -радиус кривой, м; - коэффициент трения гребня о выкружку головки рельса на набегающем колесе; - коэффициент трения гребня о выкружку головки рельса на ненабе-гающем колесе.

Изучим влияние параметров этого выражения на величину критической силы. Основные параметры это - радиус кривой (Я), величины коэффициентов вертикальной динамики со стороны набегающего (Кдвн) и ненабегающего

(Кдвнн) колеса, величина коэффициента горизонтальной динамики (Кдг1) и ветровая нагрузка на боковую поверхность кузова (^в). Проверка влияния этих параметров на величины критических сил выполнена для порожнего полувагона широко распространенной модели 12532.

Для того чтобы можно было одновременно оценить влияние всех перечисленных выше параметров, диапазон изменения всех параметров приведены к диапазону ±1. Рассмотрим изменение параметров в следующих диапазонах:

— коэффициенты вертикальной динамики

(Кдвн , КдвНН ) - 0,8 +0,8;

— радиус кривой (Я) 300 ^ 900м;

— коэффициент горизонтальной динамики (Кдп) - 0,4 +0,4;

— скорость ветра Vв - 20 ^ +20 м/с.

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 1 (61)

Результаты

После выполнения элементарных преобразований для приведения диапазонов всех параметров к интервалу ±1 получены графики изменения величины критической силы (рис. 4).

Как следует из рис. 4, наименьшее влияние на величину критической силы оказывает величина радиуса кривой (Я), а наибольшее - величина Кдвн. Остальные рассмотренные параметры имеют не определяющее, но существенное влияние на величину критической силы. Таким образом, можно исключить зависимость величины критической силы от радиуса кривой, что позволит упростить выражения (9) и (10). Итак, необходимо численно оценить «цену» такого упрощения. Для сравнения в табл. 1 приведены величины критических сил, рассчитанные с учетом радиуса кривой (£) и без его

учета (£*,). В таблице помещены результаты

только для тех моделей вагонов, для которых величина критической силы не превышает 800 кН, т.к. такие силы вполне могут возникнуть в условиях эксплуатации [3, 4]. Результаты расчетов сведены в табл. 1.

Из содержимого таблицы следует, что значения критических сил изменились примерно на 5—8,4 %, что в условиях неполной определенности величин параметров вагона и пути не приведет к существенному искажению результатов. Из всего этого следует вывод: при определении величины критической силы, способной привести к выжиманию вагона, можно пренебречь влиянием радиуса кривых. Окончательно выражения для расчета величины критической силы имеют вид:

k = -

V a

2 А •Сг

• кд

(15)

(16)

Рис. 4. Графики изменения величины критической силы Fig. 4. The chart of change of the critical force value

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 1 (61)

Таблица 1

Величины критической силы при выжимании вагонов

Table 1

The critical force value when car lift resistance

Модель вагона ^ [кН] S* [кН] %

12-532 639 684 6,6

12-2123 710 761 6,7

12-П-153 624 670 6,9

12-1303 668 719 7,1

12-1505 606 652 7,1

11-К255 585 637 8,2

11-066 707 772 8,4

13-4012-09 578 629 8,1

13-198 686 730 6,0

13-H004 677 733 7,6

13-192 602 649 7,2

13-3103-01 642 699 8,2

15-1727 596 631 5,5

15-1404 663 711 6,8

19-758 616 660 6,7

19-1217 651 699 6,9

20-4078 663 698 5,0

20-480 623 656 5,0

55-320 634 676 6,2

20-793 642 683 6,0

Зависимость (11) остается в этом случае без изменений. Расчет возможности выжимания вагона, выполняемый при расследовании серьезных транспортных событий, следует проводить для наихудшего сочетания величин Кдвн,

Кдвнн, Кдг1 и Ув. Таким наихудшим сочетанием параметров будет разгрузка набегающего колеса, догрузка ненабегающего, дополнительная динамическая поперечная сила, увеличивающая силу прижатия колеса к рельсу и ветровая нагрузка, направленная в сторону ненабегающего колеса (внутрь кривой). В этом

случае величины Кдвн должны быть отрицательными, а величины Кдвнн, Кдг1 и Ув - положительными. Вопрос о том, какие численные значения должны принимать эти параметры остается открытым. Например, величины динамических показателей (Кдвн, Кдвнн , Кдг1) могут

быть связаны с техническим состоянием пути на момент возникновения транспортного события, а скорость и направление ветра могут быть взяты из метеосводок. И если получение информации о направлении и скорости ветра не должно вызывать особых затруднений, то нахождение связи между состоянием пути и величинами коэффициентов динамики требует дополнительных исследований. Пока можно порекомендовать вычисление величин коэффициентов динамики в зависимости от скорости движения, как указано в [7].

Величина критической силы для оценки действий машиниста при выполнении учебного задания на тренажере машиниста может быть получена без тщательного выбора вышеупомянутых параметров. В задачи обучающей программы, какой является тренажер машиниста, в этом случае входит демонстрация того, что могло бы произойти при «таких-то» действиях машиниста по управлению поездом. Поэтому в этом случае можно задать средние величины параметров при наихудшем их сочетании.

Научная новизна и практическая значимость

В данном исследовании приведена методика определения коэффициента запаса устойчивости от выжимания продольными силами, несколько отличающаяся от приведенной в [1, 8], а также оценивается влияние на этот коэффициент скорости движения подвижного состава, коэффициентов вертикальной и горизонтальной динамики, а также ветровой нагрузки на боковую поверхность кузова вагона. Разработанные предложения по уточнению существующих методик определения значения продольной сжимающей силы, действующей на вагон, при которой величина коэффициента запаса устойчивости от выжимания будет равна допустимому значению, позволят оценивать устойчивость каждого вагона поезда от выжимания непосредственно во время моделирова-

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 1 (61)

ния его движения. Наиболее эффективно использовать эту методику в тренажерах, предназначенных для обучения машинистов безопасным способам вождения поездов.

Результаты исследований нашли свое научное использование в ряде публикаций авторов в специальных и научных изданиях, выступлениях на научных конференциях.

Выводы

В результате аналитических исследований получены зависимости продольной сжимающей силы, действующей на вагон с учетом скорости его движения, коэффициентов вертикальной и горизонтальной динамики, ветровой нагрузки на боковую поверхность кузова.

Таким образом, полученные результаты расчетов позволяют объективно оценить влияние перечисленных выше параметров на величину продольной сжимающей силы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1. Вершинский, С. В. Динамика вагонов / С. В. Вершинский, В. И. Данилов, И. И. Челноков. - Москва : Транспорт, 1991. - 360 с.

2. Гарг, В. К. Динамика подвижного состава /

B. К. Гарг, Р. В. Дуккипати ; [пер. с англ. К. Г. Бомштейна] ; под ред. Н. А. Панькина. -Москва : Транспорт, 1988. - 392 с.

3. Грузовые вагоны колеи 1520 мм железных дорог СССР : альбом. - Москва : Транспорт, 1982. - 111 с.

4. Грузовые вагоны колеи 1520 мм железных дорог СССР : альбом-справочник / М-во путей сообщ. СССР, Гл. упр. вагон. хоз-ва. - Москва : Транспорт, 1989. - 175 с.

5. К вопросу определения коэффициента запаса устойчивости от выжимания легковесных вагонов / А. А. Швец, К. И. Железнов, А. С. Акулов [и др.] // Наука та прогрес транспорту. - 2015. - № 6 (60). - С. 134-148. ао1: 10.15802^2015/57098.

6. Некоторые аспекты определения устойчивости порожних вагонов от выжимания их продольными силами в грузовых поездах / А. А. Швец, К. И. Железнов, А. С. Акулов [и др.] // Наука та прогрес транспорту. - 2015. - № 4 (58). -

C. 175-189. ао1: 10.15802^2015/49281.

7. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог

МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - Москва : ВНИИВ ; ВНИИЖТ, 1983. - 260 с.

8. Пат. 87837 УкраГна. МПК G 09 B 9/04 (20.06.01). Тренажер для навчання машишста магистрального локомотива / Железнов К. I., Акулов А. С., Свдомаха Г. В., Заболотний О. М., Чабанюк £. В., Швець А. О. (УкраГна) ; заявник та патентовлас-ник Дншро-петр. нац. ун-т залзн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - № u 2013 09075 ; заявл. 19.07.13 ; опубл. 25.02.14. Бюл. № 4. - 2 с.

9. Сввдоцтво про реестрацш авторського права на твiр № 54184 (УкраГна). Комп'ютерна про-грама «Обучение вождению поездов машинистов магистральных локомотивов» / Железнов К. I., Акулов А. С., Свдомаха Г. В., Заболотний О. М., Чабанюк £. В., Швець А. О. (УкраГна) ; заявник та патентовласник Дшпропетр. нац. ун-т залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - заявл. 20.03.14.

10. Татуревич, А. А. Теоретические исследования устойчивости подвижного состава против схода от вкатывания гребня колеса на рельс / А. А. Татуревич // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп iм. акад. В. Лазаряна. -Дншропетровськ, 2003. - Вип. 2. - С. 133-137.

11. Anyakwo, A. A New Method for Modelling and Simulation of the Dynamic Behaviour of the Wheel-rail Contact / A. Anyakwo, C. Pislaru, A. Ball // Intern. J. of Automation and Computing. - 2012. - Vol. 9. - Iss. 3. - P. 237-247. doi: 10.1007/s11633-012-0640-6.

12. Marquis, B. Application of Nadal limit in the prediction of wheel climb derailment (JRC2011-56064) / B. Marquis, R. Greif // Proc. of the ASME/ASCE/IEEE. 2011 Joint Rail Conf. (16.03.-18.03.2011). - Pueblo, Colorado, USA, 2011. - P. 1-8. doi: 10.1115/jrc2011-56064.

13. Transit cooperative research program : Annual Report of Progress. - Washington : Transportation Research Board, 2014. - 112 p.

14. Track-Related Research. Vol. 5. Flange Climb Derailment Criteria and Wheel/Rail Profile Management and Maintenance Guidelines for Transit Operations. Transit cooperative research program Report 71. - Washington, 2005. - 147 p.

15. Trzaska, Z. Modeling of Energy Processes in Wheel-Rail Contacts Operating under Influence of Periodic Discontinuous Forces / Z. Trzaska // J. of Transportation Technologies. - 2012. - Vol. 2. -P. 129-143. doi: 10.4236/jtts.2012.22014.

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 1 (61)

А. О. ШВЕЦЬ1*, К. I. ЖЕЛеЗНОВ2*, А. С. АКУЛОВ3*, О. М. ЗАБОЛОТНИЙ4*, е. В. ЧАБАНЮК5*

1 СКТБ МСУБ, Днiпропетровський нацiональний ушверситет залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (050) 214 14 19, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-8469-3902

2*СКТБ МСУБ, Днiпропетровський нацiональний унiверситет залiзничного транспорту iMcm академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (095) 545 38 87, ел. пошта [email protected], (ORCID 0000-0003-3648-1769

3*СКТБ МСУБ, Дншропетровський нацюнальний ушверситет залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (067) 178 16 90, ел. пошта [email protected], ORCID 0*000-0002-6123-5431

4*СКТБ МСУБ, Дншропетровський нацюнальний ушверситет залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (067) 282 13 41, ел. пошта [email protected], (ORCID 0000-0003-1651-7082

5*СКТБ МСУБ, Дншропетровський нацюнальний ушверситет залiзничного транспорту iменi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (066) 633 55 95, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-5695-5955

ВИЗНАЧЕННЯ ДОПУСТИМИХ СИЛ

ПРИ ОЦ1НЮВАНН1 СТ1ЙКОСТ1 ВАНТАЖНИХ ВАГОН1В В1Д ВИЧАВЛЮВАННЯ В ПО1ЗДАХ

Мета. В аналогичному дослщженш розглядаються: 1) зв'язок мiж поздовжньою силою, що дie на вагон у складi по!зда; 2) 6i4rn та вертикальнi сили взаемодп у зонi контакту колеса й рейки; 3) динамiчнi показники вагошв iз величиною коефiцieнта запасу стшкосп ввд вичавлювання; 4) отримання залежностей мiж ними. Методика. Дослiдження проводилося аналiтичним методом оцiнки стiйкостi вантажного вагона при русi з рiзними швидкостями по прямих та кривих донках коли. Результати. У процес дослiдженнi руху по!зда, при розслщуванш транспортних подiй, а також шд час виконання навчального завдання на тренажерi машинiста для оцiнки його дай використовуються величини поздовжнiх сил у мiжвагонних з'еднаннях. Отримано вираз для обчислення значення поздовжньо! стискаючо! сили, дшчо! на вагон, при якш величина коефiцieнта запасу стшкосп ввд вичавлювання дорiвнюватиме допустимому значенню (критична сила). Для оцiнки впливу на величину поздовжньо! сили швидкосп руху, коефщенпв вертикально! та горизонтально! динамши, а також вiтрового навантаження на бiчну поверхню кузова вагона наведено результати розрахуншв руху порожнього пiввагона моделi № 12-532 по кривш радiусом 250 м iз пiднесенням 150 мм й поперечним розбиом рами кузова вагона щодо осi шляху в спрямовуючому перетиш в 50 мм. Наукова новизна. У даному дослiдженнi наведено методику визначення поздовжньо! стискаючо! сили, яка дещо рiзниться вiд загальноприйнято!. Також оцшюсться вплив на не! швидкосп руху рухомого складу, коефщенпв вертикально! та горизонтально! динамiки й вирового навантаження на бiчну поверхню кузова вагона. Практична значимкть. Авторами розроблено пропозицп щодо уточнення iснуючих методик визначення значення поздовжньо! стискаючо! сили, дшчо! на вагон, при якш величина коефщента запасу стшкосп ввд вичавлювання дорiвнюватиме допустимому значенню. Це дозволить оцшювати стiйкiсть кожного вагона по!зда вiд вичавлювання безпосередньо пвд час моделювання його руху. Найб№ш ефективно використовувати цю методику можна в тренажерах, призначених для навчання машинiстiв безпечним способам водiння по^здв, та при розслiдуваннi причин сходу вагошв.

Ключовi слова: безпека руху; впрове навантаження; бiчна поверхня кузова; норми розрахунку; стiйкiсть вагонiв ввд вичавлювання; швидк1сть руху; коефiцieнт стшкосп; поздовжня стискаюча сила

A. O. SHVETS1*, К. I. ZHELIEZNOV2*, А. S. АКЦЬОУ3*, О. M. ZABOLOTNYI4*, E. V. CHABANIUK5*

1 EDSD MBCSS, Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St. 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (050) 214 14 19, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-8469-3902

2 EDSD MBCSS, Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St. 2, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (095) 545 38 87, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-3648-1769

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 1 (61)

3*EDSD MBCSS, Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St. 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (067) 178 16 90, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-6123-5431 4*EDSD MBCSS, Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St. 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (067) 282 13 41, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-1651-7082 5 EDSD MBCSS, Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St. 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010 ,tel. +38 (066) 633 55 95, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-5695-5955

DETERMINATION THE PERMISSIBLE FORCES IN ASSESSING THE LIFT RESISTANT FACTOR OF FREIGHT CARS IN TRAINS

Purpose. In the analytical research are considered: 1) relationships between the longitudinal force acting on the car in the train; 2) lateral and vertical forces of interaction in the contact zone «wheel - rail»; 3) dynamic indicators of cars with the magnitude of the car lift resistance factor; 4) obtaining of the dependencies between them. Methodology. The study was conducted by an analytical method assessing the sustainability of the freight car when driving at different speeds on the straight and curved track sections. Findings. In the process of studying the motion of the train, in the investigation of transport events, as well as during the training on the simulator operator, to assess the actions of the driver, the values of the longitudinal forces in the inter car connections are used. To calculate the longitudinal compressive forces, acting on the car, in which car lift resistance factor will be equal to the allowable value (critical force). To assess the impact on the value of the longitudinal force speed, coefficients of the vertical and horizontal dynamics, as well as the wind load on the side surface of the car body are the results of calculations of motion of the empty gondola car, model № 12-532 curve radius of 250 m with a rise of 150 mm and a transverse run of body of car frame relative to the track axis of the guide section 50 mm. Originality. In this study, the technique of determining the longitudinal compressive force was shown, that is somewhat different from the standard. So, as well as assessing the impact on it the speed of rolling coefficients of vertical and horizontal dynamics and wind load on the side surface of the car body. Practical value. The authors developed proposals on the enhancement of existing methods for determining the value of the longitudinal compressive forces acting on the car in which the safety value of the car lift resistance factor will be equal to the allowable value. It will evaluate the stability of each train car lift resistance factor directly during the simulation of its movement. The most effective use of this technique in the simulator designed to teach the drivers a safe way of driving trains and in the investigation of the causes of cars derailment.

Keywords: safety; wind loading; lateral surface of the body; rules for calculation; car lift resistance factor; speed; stability factor; longitudinal compressive force

REFERENCES

1. Vershinskiy S.V., Danilov V.I., Chelnokov I.I. Dinamika vagonov [Dynamics of cars]. Moscow, Transport Publ. 360 p.

2. Garg V.K., Dukkipati R.V., Bomshteyn K.G., Pankin N.A. Dinamika podvizhnogo sostava [Dynamics of rolling stock]. Moscow, Transport Publ., 1988. 392 p.

3. Gruzovyye vagony kolei 1520 mm zheleznykh dorog SSSR [Freight cars of 1520 mm gauge railways of the USSR]. Moscow, Transport Publ., 1982. 111 p.

4. Gruzovyye vagony kolei 1520 mm zheleznykh dorog SSSR [Freight cars of 1520 mm gauge railways of the USSR]. Moscow, Transport Publ., 1989. 175 p.

5. Shvyets A.A., Zhyelyeznov K.I., Akulov A.S., Zabolotnyy A.N., Chabanyuk Ye.V. K voprosu opredeleniya koeffitsienta zapasa ustoychivosti ot vyzhimaniya legkovesnykh vagonov [Determination of the issue concerning the lift resistance factor of lightweight car]. Nauka taprohres transportu - Science and Transport Progress, 2015, no. 6 (60), pp. 134-148. doi: 10.15802/stp2015/57098.

6. Shvyets A.A., Zhyelyeznov K.I., Akulov A.S., Zabolotnyy A.N., Chabanyuk Ye.V. Nekotoryye aspekty opredeleniya ustoychivosti porozhnikh vagonov ot vyzhimaniya ikh prodolnymi silami v gruzovykh poyezdakh [Some aspects of the definition of empty cars stability from squeezing their longitudinal forces in the freight train]. Nauka ta prohres transportu - Science and Transport Progress, 2015, no. 4 (58), pp. 175189. doi: 10.15802/stp2015/49281.

7. Normy dlya rascheta i proektirovaniya novykh i moderniziruemykh vagonov zheleznykh dorog MPS kolei 1520 mm (nesamokhodnykh) [Norms for calculation and design of new and modernized cars of Ministry of Railways of 1520 mm (not self-propelled)]. Moscow, VNIIV-VNIIZhT Publ., 1983. 260 p.

Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2016, № 1 (61)

8. Zheleznov K.I., Akulov A.S., Yevdomakha H.V., Zabolotnyi O.M., Chabaniuk Ye.V., Shvets A.O. Trenazher dlia navchannia mashynista mahistralnoho lokomotyva [Simulator for training the operator of the main locomotive]. Patent UA, no. u 2013 09075. 2013.

9. Zheleznov K.I., Akulov A.S., Yevdomakha H.V., Zabolotnyi O.M., Chabaniuk Ye.V., Shvets A.O. Svidotstvo pro reiestratsiiu avtorskoho prava na tvir No. 54184 Ukraina. Kompiuterna prohrama «Obucheniye vozhdeniyu poyezdov mashinistov magistralnykh lokomotivov» [Computer program «Learning to drive trains of drivers in mainline locomotives»]. Certificate UA, no. 54184, 2014.

10. Taturevich A.A. Teoreticheskiye issledovaniya ustoychivosti podvizhnogo sostava protiv skhoda ot vkatyvaniya grebnya kolesa na rels [Theoretical studies of stability of rolling stock against derailment from the racking of the wheel flange on the rail]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2003, issue 2, pp. 133-137.

11. Anyakwo A., Pislaru C., Ball A. A New Method for Modelling and Simulation of the Dynamic Behaviour of the Wheel-rail Contact. Intern. Journal of Automation and Computing, 2012, vol. 9, issue 3, pp. 237-247. doi: 10.1007/s11633-012-0640-6.

12. Marquis B., Greif R. Application of Nadal limit in the prediction of wheel climb derailment (JRC2011-56064). Proc. of the ASME/ASCE/IEEE. 2011 Joint Rail Conf. (16.03.-18.03.2011). Pueblo, Colorado, USA, 2011, pp. 1-8. doi: 10.1115/jrc2011-56064.

13. Transit cooperative research program. Annual Report of Progress. Washington, Transportation Research Board Publ., 2014. 112 p.

14. Track-Related Research Volume 5. Flange Climb Derailment Criteria and Wheel/Rail Profile Management and Maintenance Guidelines for Transit Operations. Transit cooperative research program Report 71, 2005, 147 p.

15. Trzaska Z. Modeling of Energy Processes in Wheel-Rail Contacts Operating under Influence of Periodic Discontinuous Forces. Journal of Transportation Technologies, 2012, vol. 2, pp. 129-143. doi: 10.4236/jtts.2012.22014.

Статья рекомендована к публикации д.т.н., проф. С. В. Мямлиным (Украина); д.т.н., ст.

научн. сотр. Н. А. Радченко (Украина); к.т.н. наук., ст. научн. сотр. Н. М. Хачапуридзе (Украина)

Поступила в редколлегию: 05.12.2015

Принята к печати: 15.02.2016