CC BY
104
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 4 (46)
УДК 629.463.015:519.2
В. Ф. УШКАЛОВ1, Л. Г. ЛАПИНА1*, И. А. МАЩЕНКО1
1 Отдел статистической динамики механических систем, Институт технической механики НАН Украины и ГКА Украины, ул. Ляшко-Попеля, 15, 49005, Днепропетровск, Украина, тел. +38 (056) 376 45 94, эл. почта victush@gmail.com 1 Отдел статистической динамики механических систем, Институт технической механики НАН Украины и ГКА Украины, ул. Ляшко-Попеля, 15, 49005, Днепропетровск, Украина, тел. +38 (0562) 47 24 55, эл. почта lglap@bigmir.net 'Отдел статистической динамики механических систем, Институт технической механики НАН Украины и ГКА Украины, ул. Ляшко-Попеля, 15, 49005, Днепропетровск, Украина, тел. +38 (0562) 47 24 55, эл. почта mashdnsk@gmail.com
РАСЧЕТНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ДИНАМИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ
Цель. Формирование реализаций расчетных возмущений для исследования динамических качеств железнодорожных экипажей. Методика. Основой для построения составляющих возмущения являются записи показаний вагона-путеизмерителя, зафиксированные на одном из характерных участков Приднепровской железной дороги. Для получения фактических геометрических параметров рельсовой колеи записи путеизмерителя, использующего двухточечную схему измерений, преобразуются с учетом передаточной функции измерительной системы. Модель расчетного возмущения представлена в виде четырех составляющих: симметричной вертикальной неровности, определяемой как полусумма вертикальных неровностей правого и левого рельсов; кососимметричной вертикальной неровности пути, определяемой как полуразность вертикальных неровностей правого и левого рельсов; горизонтальных неровностей правого и левого рельсов. Критерием приемлемости построенных возмущений является близость определенных с их помощью значений показателей динамических качеств вагонов и соответствующих экспериментальных данных. Результаты. Предложено три способа формирования расчетного возмущения. Первый - использование в качестве составляющих расчетных возмущений записей показаний вагона-путеизмерителя, зарегистрированных на участке с достаточно высокой для заданного состояния пути балльностью, при этом симметричные вертикальные составляющие возмущения, полученные по записям просадок, корректируются в зависимости от массо-жесткостных параметров исследуемого вагона. Второй - построение и применение теоретических реализаций неровностей, соответствующих по спектральному составу реальному пути. Третий - создание полигармонической модели возмущения, параметрами которой являются значения основных частот и амплитуд, характерных для неровностей железнодорожного пути. Возможность практического применения построенных моделей возмущений показана на примере определения нормируемых показателей динамических качеств порожнего и груженого полувагонов. Сравнение расчетных показателей с экспериментальными данными показало их достоверность. Научная новизна. Построены три модели расчетных возмущений, которые могут использоваться при расчетах по оценке максимальных значений нормируемых динамических показателей грузовых экипажей. Практическая значимость. Применение результатов таких исследований позволяет давать приемлемые прогнозные оценки показателей динамических качеств проектируемых или модернизируемых единиц железнодорожного подвижного состава, уточнять значения отдельных параметров системы на стадии создания опытных образцов, сокращать расходы на ходовые испытания и т. п.
Ключевые слова: грузовые вагоны; динамические качества; возмущения со стороны пути; неровности пути; показания вагона-путеизмерителя
Введение
Теоретические исследования, в частности расчеты вынужденных колебаний железнодорожных экипажей, на сегодняшний день являются неотъемлемой составляющей процесса создания новых или модернизации существующих единиц подвижного состава. Их результаты позволяют давать прогнозные оценки показате-
лей динамических качеств проектируемых или модернизируемых экипажей, корректировать значения отдельных параметров системы на стадии создания опытных образцов, сокращать расходы на ходовые испытания и т. п.
Для получения достоверных прогнозных оценок показателей динамических качеств грузовых вагонов наряду с обоснованным выбором расчетной схемы и учетом основных характе-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 4 (46)
ристик системы [5, 8, 6, 11, 12] необходимым условием является корректное задание входных возмущений.
Информацией для построения возмущений, действующих на рельсовый экипаж со стороны пути, могут быть, например, показания вагона-путеизмерителя, который производит измерения геометрических параметров рельсовой колеи в процессе движения, т. е. под динамической нагрузкой. Разработаны различные системы мониторинга и диагностики состояния пути, использование результатов работы которых для расчетов в каждом случае имеет свои особенности [1-4, 13, 14]. На железных дорогах Украины состояние рельсового пути контролируется вагонами-путеизмерителями ЦНИИ-2 (или переоборудованными из них КВЛ-П1М), в которых применяются двухточечные схемы измерения вертикальных неровностей каждой рельсовой нити (просадок) и горизонтальных неровностей (положения рельсовых нитей по направлению в плане).
Цель
Целью работы является разработка способов формирования реализаций расчетных возмущений для исследования динамических качеств железнодорожных экипажей.
Методика
В данной работе предложено три способа построения расчетных входных возмущений на основе записей показаний вагона-путеизмери-теля. Каждое возмущение включает в себя четыре составляющие: симметричную вертикальную неровность рельсового пути, характеризующую неровности профиля пути и определяемую как полусумма вертикальных неровностей правой и левой рельсовых нитей; кососимметричную вертикальную неровность пути, характеризующую превышение одной рельсовой нити над другой и определяемую как полуразность вертикальных неровностей двух рельсовых нитей; две горизонтальные неровности - для правой и левой рельсовых нитей.
Поскольку записи показаний путеизмерите-ля отличаются от фактических неровностей пути под ним как формой, так и величиной [8], то для устранения методической погрешности измерений они должны быть преобразованы
с учетом передаточной функции измерительной системы. Формирование реализаций фактических неровностей для каждого анализируемого отрезка пути осуществляется следующим образом: к записям просадок и неровностей в плане применяется прямое преобразование Фурье, полученные комплексные коэффициенты Фурье умножаются на комплексную обратную частотную характеристику измерительной системы (имеющую разный вид для вертикальных и горизонтальных неровностей), затем с помощью обратного преобразования Фурье определяются реализации неровностей [10].
Критерием приемлемости построенных возмущений является близость определенных с их помощью значений показателей динамических качеств вагонов и соответствующих экспериментальных данных.
Результаты
Первый способ заключается в использовании в качестве составляющих расчетных возмущений непосредственно записей показаний путеизмерителя, зарегистрированных на участке с достаточно высокой для заданного состояния пути балльностью. Сопоставление расчетных значений нормируемых показателей динамических качеств полувагонов, полученных при задании возмущений, соответствующих участкам пути хорошего состояния, с результатами экспериментов показало, что значения показателей в вертикальной плоскости для порожнего вагона расположены в области экспериментальных данных, а для груженого - существенно ниже ее нижней границы. В то же время расчетные значения показателей полувагона в горизонтальной плоскости и качественно, и количественно хорошо согласуются с результатами экспериментов. Это позволило предположить, что вертикальные составляющие возмущения, сформированные по записям просадок, нуждаются в корректировке.
Необходимость корректировки связана с особенностями традиционного способа измерений: величина просадок рельсовых нитей, измеряемая путеизмерителем и используемая при формировании вертикальных составляющих возмущения, зависит не только от геометрических неровностей пути, но и от динамического взаимодействия железнодорожного пути
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 4 (46)
и вагона-путеизмерителя. На уровень динамической составляющей в каждой точке пути влияют многие параметры - участвующие во взаимодействии массы, упругие характеристики подвешивания, демпфирование в подвешивании, скорость движения экипажа, значение геометрической составляющей и др., поэтому для всех грузовых экипажей, имеющих значения параметров, отличные от параметров ваго-на-путеизмерителя, изготовляемого на базе пассажирского вагона, вертикальные составляющие расчетных возмущений нужно корректировать с учетом данных о параметрах конкретного вагона. Составляющие возмущения в горизонтальной плоскости, которые в меньшей степени испытывают влияние характеристик экипажа, а в основном определяются собственно геометрией пути, в корректировке не нуждаются.
Корректирующий коэффициент предлагается [10] приближенно определять в виде постоянной для данного грузового экипажа величины, взяв за основу способ корректирующих множителей [11].
к 5 -
4 -
3 -
2 -
1 -
0 -
10 20 30 40 50 60 70 80 90 т, т
Рис. 1. Корректирующий коэффициент
Для широкого класса четырехосных грузовых вагонов с тележками модели 18-100 (или комплексно модернизированных тележек 18-100) построена зависимость (рис. 1) корректирующего коэффициента к от массы вагона (тары или брутто) т , выраженной в тоннах. При определении этого коэффициента использованы значения масс пятнадцати видов грузовых вагонов, оборудованных тележками модели 18-100 (маркеры О). Как видно из графика, изменение уровня вертикальной составляющей возмущения при изменении массовых парамет-
ров вагонов является весьма существенным; для порожних вагонов корректирующий коэффициент близок к единице.
Зависимость корректирующего коэффициента от массы вагона, приведенная на графике, близка к линейной, поэтому ее можно заменить линейным трендом (сплошная линия на рис. 1) и описать уравнением
к = 0,039т + 0,231, (1)
при этом величина квадрата смешанной корреляции, отражающая близость значений линии тренда к фактическим данным и в идеальном случае равная единице, составляет 0,999; относительная погрешность не превышает 5 %.
При использовании в качестве вертикальных составляющих возмущений неровностей правой и левой рельсовых нитей обработанные записи просадок необходимо умножать на корректирующие коэффициенты, значения которых различны в каждой точке пути [10].
Второй способ формирования расчетных входных возмущений в условиях недостатка экспериментальных данных о геометрии пути состоит в построении реализаций процессов, соответствующих по спектральному составу неровностям реального пути. Для этого оценки спектральных плотностей фактических неровностей пути группируются в зависимости от наибольшей на участке степени отступлений соответствующих неровностей от норм содержания рельсовой колеи. В качестве обобщающей характеристики используется огибающая максимальных значений спектральных плотностей. В этом случае полностью учитывается частотный состав анализируемых неровностей. Аналитическое выражение такой огибающей аппроксимируется дробно-рациональной функцией, аналогичной тем, которые рекомендованы для статистического описания случайных неровностей на дорогах различного качества содержания Федеральным управлением железных дорог США [12].
Далее с помощью алгоритма Райса - Пирсона генерируются теоретические реализации неровностей. Расчетные возмущения следует формировать из определенного сочетания таких реализаций с учетом наибольших на участке степеней отступлений неровностей от норм и комбинации случайных фаз гармонических
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 4 (46)
компонент, принимая во внимание тот факт, что характер изменения неровностей правой и левой рельсовых нитей близок к синхронному.
Отметим, что значения среднеквадратиче-ских отклонений показателей динамических качеств грузовых вагонов, полученные при использовании построенных согласно этому способу возмущений, будут существенно завышенными.
Третий способ построения расчетных возмущений базируется на применении результатов исследования частотного состава неровностей на различных участках пути. Частоты, при которых имеются значительные пики на графике спектральной плотности и, следовательно, доля энергии гармонических колебаний с этими частотами велика, будем называть характерными для анализируемого процесса. Основные характерные частоты для вертикальных неровностей железнодорожного пути в целом и соответствующие им амплитуды определены по результатам анализа спектральных плотностей составляющих возмущений, полученных по записям вагона-путеизмерителя [7]. С использованием значений этих частот и амплитуд могут быть построены различные модели расчетного возмущения для проведения исследований динамических качеств полувагонов, вертикальные составляющие (симметричная и кососим-метричная) которых представлены в виде линейной комбинации гармонических компонент:
N
В(х) = ^а • 8ш(2лх/Ц), (2)
1=1
где аг и Ц , г = 1, N - соответственно амплитуда и длина волны гармонической компоненты; N - количество гармонических компонент в модели возмущения.
Горизонтальные составляющие такого возмущения могут быть представлены в аналогичном виде с учетом результатов амплитудно-частотного анализа горизонтальных неровностей пути.
Сравнение возмущений. Рассмотрим три модели возмущений, сформированных описанными выше способами:
- возмущение В1, соответствующее реальному участку пути с качественной оценкой «хо-
рошо» и суммой баллов по вертикальным неровностям 58 (54 балла за просадки правой рельсовой нити, одно отступление от норм содержания рельсовой колеи IV степени и два -II степени; 2 балла за просадки левой рельсовой нити, одно отступление II степени; 2 балла за перекос рельсовых нитей) и 17 баллов за отступления в плане по обеим рельсовым нитям;
- возмущение В2, построенное по аналитическим выражениям огибающих максимальных значений спектральных плотностей вертикальных неровностей пути с отступлениями от норм не выше II и IV степени и горизонтальных неровностей I и II степени по правой и левой рельсовым нитям соответственно;
- возмущение В3, вертикальные составляющие которого вычислены по формуле (2) с учетом восьми основных характерных частот
и параметрами аг и Ц , г = 1, 8 из табл. 1, 2 для
р = 0,99 [6]; горизонтальные составляющие
приняты такими же, как и в возмущении В1.
На рис. 2 показаны фрагменты вертикальных (симметричной и кососимметричной) и горизонтальных на двух рельсовых нитях составляющих указанных возмущений. Из графиков видно, что в основном самый низкий уровень симметричной составляющей имеет возмущение В1, более высокий - возмущения В2 и В3.
Наибольшее значение кососимметричной составляющей имеет возмущение В1, чуть ниже - В3 и самое низкое - В2. Как свидетельствуют данные ведомостей о состоянии пути, наиболее характерными неровностями, которые составляют основной вклад в балльность, являются перекосы рельсовых нитей, что как раз соответствует высокому уровню кососиммет-ричной составляющей возмущений. Следовательно, по этому признаку возмущения В1 и В3 наиболее соответствуют типичным реальным участкам пути.
Уровень горизонтальных составляющих и отличия на двух рельсовых нитях у всех возмущений примерно одинаковы. Это связано с тем, что горизонтальные составляющие возмущений, в отличие от вертикальных, практически не зависят от параметров экипажа, а определяются, в основном, геометрией пути.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 4 (46)
РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛ1ЗНИЦЬ I ТЯГА ПО1ЗД1В
П верт. сим., М
П верт. кососим., М
П гор. левая, М
П гор. левая, М
Рис. 2. Составляющие расчетных возмущений (сплошная темная линия - возмущение В1, штриховая линия - возмущение В2, сплошная светлая линия - возмущение В3)
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацiонального унiверситету зашзничного транспорту, 2013, вип. 4 (46)
zn, g 1
0.8 0.6 0.4 0.2 0
Уп , g 0.8
40 60 80 100 V, км/ч
K
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.6
0.4
0.2
о Jn П
40 60 80 100 V, км/ч
40 60 80 100 V, км/ч
HP / P0 0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
40 60 80 100 V, км/ч
Рис. 3. Показатели динамических качеств порожнего полувагона
zn, g 0.8
0.6
0.4
0 0 0 -----
0 о о о / о
О о
о о °
40 60
100 V, км/ч
KДК 0.8
0.6
Уп , g 0.6
0.4
0.2
о
40 60 80 100 V, км/ч
Hp / P0
0.2
40 60 80 100 V, км/ч 40 60 80 100 V, км/ч
Рис. 4. Показатели динамических качеств груженого полувагона
0
0.2
0
0
0.4
0.4
0.2
0
0
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 4 (46)
При расчетах линейных систем можно спрогнозировать характер результатов, которые будут получены. Так, примерно в той же последовательности, что и уровни симметричных составляющих возмущений, будут располагаться максимальные значения вертикальных ускорений кузова, а максимальные значения горизонтальных ускорений кузова будут достаточно близкими. Поведение показателей, зависящих от нескольких составляющих возмущения, менее предсказуемо. При расчетах же нелинейных систем подобный прогноз сделать весьма затруднительно.
Для оценки возможности использования построенных моделей возмущений выполнены расчеты по определению показателей динамических качеств полувагонов, которые описываются нелинейными уравнениями. В качестве примера на рис. 3, 4 показаны зависимости от скорости движения максимальных значений вертикальных '¿П и горизонтальных уП ускорений пятников, коэффициентов вертикальной динамики КдК кузова и рамных сил НР в долях статической осевой нагрузки Р0 порожнего и груженого полувагонов. Результаты, полученные при задании возмущения В1 - сплошные линии с маркерами ♦, возмущения В2 - сплошные линии с маркерами А, возмущения В3 - линии с маркерами ■. Маркеры О на рисунках соответствуют экспериментальным значениям динамических показателей полувагонов, полученным на дорогах Украины и России; горизонтальными штриховыми линиями нанесены уровни значений для «допустимого» хода вагона.
Как видно из рисунков, расчетные значения всех показателей имеют близкую к экспериментальной зависимость от скорости движения, лежат, в основном, в области экспериментальных данных и не превышают предельно допустимых значений. Следовательно, результаты, полученные с помощью всех трех предложенных моделей возмущений, можно считать приемлемыми для оценки максимальных значений нормируемых показателей динамических качеств грузовых вагонов.
Научная новизна и практическая значимость
Задание корректных входных возмущений при теоретической оценке динамических показателей экипажа необходимо для получения
достоверных прогнозов об эффективности эксплуатации на отечественных железных дорогах экипажей с измененной конструкцией или новых образцов. Предложенные способы построения расчетных возмущений, основанные на известных подходах, являются оригинальными с точки зрения разработанных схем их реализации.
Выводы
Предложенные три модели расчетных возмущений пригодны для использования при компьютерном исследовании динамических качеств грузовых вагонов. При этом наиболее достоверно оцениваются максимальные значения нормируемых показателей.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Боронахин, А. М. Малогабаритная интегрированная система диагностики рельсового пути / А. М. Боронахин, Л. Н. Олейник, Н. С. Фили-пеня // Гироскопия и навигация. - 2009. -№ 1 (64). - С. 63-74.
2. Боронахин, А. М. Мобильная инерциальная система мониторинга рельсового пути / А. М. Боронахин, Е. Д. Бохман // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2011. - № 10. - С. 84-91.
3. Боронахин, А. М. К вопросу о синтезе путеизмерительных комплексов нового поколения / А. М. Боронахин, В. И. Гупалов, Н. С. Филипеня // Железные дороги мира. - 2004. - № 8. -С. 68-72.
4. Використання цифрово! вим1рювально! техшки для експериментальних дослвджень взаемодп коли 1 рухомого складу / I. О. Бондаренко, Д. М. Курган, О. М. Патласов, В. £. Савлук // Вюник Дшпропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Д., 2011. - Вип. 37. -С. 124-128.
5. Захаров, С. М. Математическое моделирование влияния параметров пути и подвижного состава на процессы изнашивания колеса и рельса / С. М. Захаров, Ю. С. Ромен // Вестн. ВНИИЖТа. - 2010. - № 2. - С. 26-30.
6. К вопросу моделирования пути при исследовании взаимодействия пути и подвижного состава / М. И. Уманов, В. В. Цыганенко,
A. Г. Рейдемейстер, Н. В. Халипова // В1сник Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад.
B. Лазаряна. - Д., 2009. - Вип. 30. - С. 239-242.
7. Лапина, Л. Г. Амплитудно-частотный анализ вертикальных неровностей железнодорожного
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 4 (46)
пути / Л. Г. Лапина, И. А. Мащенко // Техниче- 11. ская механика. - 2012. - № 3. - С. 9-15.
8. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса
и рельса / У. Дж. Харрис, С. М. Захаров, 12. Дж. Ландгрен и др. - М. : Интекст, 2002. -408 с.
9. Техшчш вказ1вки щодо оцшки стану рейково! 13. коли за показниками кол1евим1рювальних вагошв та забезпечення безпеки руху по!зд1в
при вщступах в1д норм утримання рейково! коли : ЦП-0020 : затв. наказом Укрзал1зниц1 вщ 17.01.1996 р. № 9-Ц. - К., 2005. - 48 с.
10. Ушкалов, В. Ф. Расчетные возмущения для 14. исследования динамики железнодорожных вагонов / В. Ф. Ушкалов, Л. Г. Лапина,
И. А. Мащенко // Зал1зн. трансп. Укра!ни. -2012. - № 1. - С. 38-41.
Ушкалов, В. Ф. Статистическая динамика рельсовых экипажей / В. Ф. Ушкалов, Л. М. Резников, С. Ф. Редько. - К. : Наук. думка, 1982. - 360 с.
Garg, V. K. Dynamics of Railway Vehicle Systems / V. K. Garg, R. V. Dukkipati. - New York : Academic Press, 1984. - 407 p. The influence of track irregularities on the running behavior of high-speed trains / I-Y. Choi, J-H. Um, J. S. Lee, H-H. Choi // Proc. of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. - 2013. - Vol. 227. -Issue 1. - P. 94-102.
Pombo, J. An alternative method to include track irregularities in railway vehicle dynamic analyses / J. Pombo, J. Ambrosio // Nonlinear Dynamics. -2012. - Vol. 68. - Issue 1-2. - P. 161-176.
В. Ф. УШКАЛОВ1, Л. Г. ЛАП1НА1*, I. О. МАЩЕНКО1
'Ввддш статистично! динамжи мехашчних систем, йститут техшчно! мехашки НАН Украши i ДКА Украши, вул. Ляш-
ко-Попеля, 15, 49005, м. Дшпропетровськ, Укра!на, тел. +38 (056) 376 45 94, ел. пошта victush@gmail.com
'Ввддш статистично! динамжи мехашчних систем, йститут техшчно! мехашки НАН Украши i ДКА Украши, вул. Ляш-
ко-Попеля, 15, 49005, Дшпропетровськ, Украша, тел. +38 (0562) 47 24 55, ел. пошта lglap@bigmir.net
'Ввддш статистично! динамжи мехашчних систем, йститут техшчно! мехашки НАН Укра!ни i ДКА Укра!ни, вул. Ляш-
ко-Попеля, 15, 49005, Дшпропетровськ, Укра!на, тел. +38 (0562) 47 24 55, ел. пошта mashdnsk@gmail.com
РОЗРАХУНКОВ1 ЗБУРЕННЯ ДЛЯ ОЦ1НКИ ДИНАМ1ЧНИХ ЯКОСТЕЙ ВАНТАЖНИХ ВАГОН1В
Мета. Формування реал1зацш розрахункових збурень для дослщження динамчних якостей залiзничних екiпажiв. Методика. Основою для побудови складових збурення е записи показань вагона-колieвимiрювача, зафiксованi на однiй з характерних дiлянок Приднiпровськоi залiзницi. Для отримання фактичних геометричних параметрiв рейково! коли записи колiевимiрювача, який використовуе двоточкову схему вимiрiв, перетворюються з урахуванням передаточно! функцii' вимiрювальноi' системи. Модель розрахункового збурення представлено у вигляда чотирьох складових: симетрично! вертикально! нерiвностi, яка визначаеться як швсума вертикальних нерiвностей право! та лiвоi рейок; кососиметрично! вертикально! нерiвностi, яка визначаеться як mврiзниця вертикальних нерiвностей право! та лiво! рейок; горизонтальних нерiвностей право! i лiво! рейок. Критерiем прийнятностi побудованих збурень е близькють визначених за !х допомогою значень показникiв динамiчних якостей вагошв i вщповщних експериментальних даних. Результата. Запропоновано три способи формування розрахункового збурення. Перший - використання як складових розрахункових збурень запиав показань вагона-колiевимiрювача, зареестрованих на дiлянцi з досить високою для заданого стану коли бальтстью, при цьому симетричт вертикальнi складовi збурення, отриманi за записами осiдань, коригуються залежно вщ масо-жорсткiсних параметрiв дослiджуваного вагона. Другий - побудова i застосування теоретичних реалiзацiй нерiвностей, якi за спектральним складом вщповщають реальнiй колi!. Третш - створення полiгармонiчно! моделi збурення, параметрами яко! е значення основних частот i амплiтуд, характерних для нерiвностей залiзнично! колi!. Можливiсть практичного застосування побудованих моделей збурень показана на приклада визначення нормованих показниюв динамчних якостей порожнього й навантаженого пiввагонiв. Порiвняння розрахункових показникiв з експериментальними даними показало !х достовiрнiсть. Наукова новизна. Побудовано три моделi розрахункових збурень, якi можуть використовуватися при розрахунках щодо оцiнки максимальних значень нормованих динамiчних показникiв вантажних екiпажiв. Практична значимiсть. Застосування результата таких дослiджень дозволяе давати прийнятт прогнознi оцiнки показникiв динамiчних якостей проектованих або модернiзованих одиниць залiзничного рухомого складу, уточнювати значення окремих параметрiв системи на стадi! створення дослщних зразкiв, скорочувати витрати на ходовi випробування й та ш.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 4 (46)
Ключовi слова: вантажний вагон; динам1чш якосл; збурення з боку коли; нер1вносп коли; показання вагона-кол1евнм1рювача
V. F. USHKALOV1, L. G. LAPINA1*, I. A. MASHCHENKO1
1Dep. «Statistical Dynamics of Mechanical Systems», Institute of Technical Mechanics NASU&SSAU, Lyashko-Popel Str., 15, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine, tel. +38 (056) 376 45 94, e-mail victush@gmail.com
1 Dep. «Statistical Dynamics of Mechanical Systems», Institute of Technical Mechanics NASU&SSAU, Lyashko-Popel Str., 15, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine, tel. +38 (0562) 47 24 55, e-mail lglap@bigmir.net
'Dep. «Statistical Dynamics of Mechanical Systems», Institute of Technical Mechanics NASU&SSAU, Lyashko-Popel Str., 15, 49005, Dnipropetrovsk, Ukraine, tel. +38 (0562) 47 24 55, e-mail mashdnsk@gmail.com
CALCULATED DISTURBANCES FOR EVALUATION OF DYNAMICAL PROPERTIES OF FREIGHT CARS
Purpose. To form realizations of the calculated disturbances for studying the dynamic properties of railway vehicles. Methodology. Records of the track-test car for one of the typical track sections of the Pridneprovsk railroad are the basic data for building the disturbance components. To derive the true geometric parameters of the railway gauge the records of the track-test car using a double-point metering circuit are transformed considering the transfer function of the measuring system. A model of the calculated disturbances is presented as the four components: a symmetric vertical irregularity determined as a semi-sum of vertical irregularities of the right and left rails; an oblique-symmetric vertical irregularity of the track determined as a semi-difference of vertical irregularities of the right and left rails; horizontal irregularities of the right and left rails. Acceptability criterion of the constructed disturbances is a relationship between the values of the dynamical properties factors of cars and the corresponding experimental data. Findings. The three techniques for the calculated disturbances forming are proposed. The first technique uses records of the track-test car for the track with a sufficiently high amount for given track conditions as components of the calculated disturbances. In so doing symmetrical vertical components of disturbances resulting from records of settling are corrected with the mass and stiffness parameters of the car under consideration. The second technique uses building and applying the theoretical realizations of irregularities corresponding to a real track according to a spectral analysis. The third technique ensures a polyharmonic model of disturbances, the parameters of which are the values of the basic frequencies and amplitudes that are typical for irregularities of a railway track. A possibility of practical applying of the constructed models of disturbances are presented using an example for defining the standardized factors of the dynamical properties of empty and loaded open cars. Comparison of the calculated factors and experimental data demonstrated its assurance. Originality. The three models of the calculated disturbances that can be used for calculating estimation of the maximal values of the standardized dynamical factors of freight vehicles are proposed. Practical value. The research results ensure an acceptable predicted evaluation of the dynamical properties factors for the designed or refitted vehicles of railway rolling stock, refinement of the values of the certain system parameters at the stage of prototypes, reduction of the expenses for performance trials, etc.
Keywords: freight cars; dynamic quality; disturbances from the road; track irregularity; track-test records
REFERENCES
1. Boronakhin A.M., Oleynik L.N., Filipenya N.S. Malogabaritnaya integrirovannaya sistema diagnostiki relso-vogo puti [Small-scale integrated system of diagnostics of railway track]. Giroskopiya i navigatsiya - Gyro-scopy and Navigation, 2009, no. 1, pp. 63-74.
2. Boronakhin A. M., Bokhman E. D. Mobilnaya inertsialnaya sistema monitoringa relsovogo puti [The mobile inertial system of monitoring of a rail way]. Izvestiya SPbGETU "LETI" - Bulletin ofSPSEU"LETI", 2011, no. 10, pp. 84-91.
3. Boronakhin A.M., Gupalov V.I., Filipenya N.S. K voprosu o sinteze puteizmeritelnykh kompleksov novogo pokoleniya [To the question of the track-test complexes synthesis of the new generation]. Zheleznye dorogi mira - Railways of the world, 2004, no. 8, pp. 68-72.
4. Bondarenko I.O., Kurhan D.M., Patlasov O.M., Savluk V.Ye. Vykorystannia tsyfrovoi vymiriuvalnoi tekhniky dlia eksperymentalnykh doslidzhen vzaiemodii kolii i rukhomoho skladu [The use of digital measuring technology for experimental studies of track and rolling stock interaction]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsional-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 4 (46)
noho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2011, issue 37, pp. 124-128.
5. Zakharov S.M., Romen Yu.S. Matematicheskoye modelirovaniye vliyaniya parametrov puti i podvizhnogo sostava na protsessy iznashivaniya kolesa i relsa [Mathematical modeling of the influence of the track and rolling stock parameters on the processes of wheel and rail wear]. Vestnik VNIIZhTa - VNIIZhT Bulletin, 2010, no. 2, pp. 26-30.
6. Umanov M.I., Tsyganenko V.V., Reydemeyster A.G., Khalipova N.V. K voprosu modelirovaniya puti pri issledovanii vzaimodeystviya puti i podvizhnogo sostava [To the question of track modeling at the cooperation research of the track and rolling stock]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2009, issue 30, pp. 239-242.
7. Lapina L.G., Mashchenko I.A. Amplitudno-chastotnyy analiz vertikalnykh nerovnostey zheleznodorozhnogo puti. [Amplitude and frequency analysis of the vertical irregularities of railway track]. Tekhnicheskaya mek-hanika - Technical mechanics, 2012, no. 3, pp. 9-15.
8. Kharris U.Dzh., Zakharov S.M., Landgren Dzh., Turne Kh., Ebersen V. Obobshcheniye peredovogo opyta tyazhelovesnogo dvizheniya: voprosy vzaimodeystviya kolesa i relsa [Generalization of advanced experience of heavy vehicle motion: wheel and rail interworking]. Moscow, Intekst Publ., 2002. 408 p.
9. Tekhnichni vkazivky shchodo otsinky stanu reikovoi kolii za pokaznykamy koliievymiriuvalnykh vahoniv ta zabezpechennia bezpeky rukhu poizdiv pry vidstupakh vid norm utrymannia reikovoi kolii [Technical instructions in relation to estimation of the rail track state according to the parameters of the track-test cars and providing of train motion safety at the deviations from the norms of rail track maintenance]. Kyiv, 2005. 48 p.
10. Ushkalov V.F., Lapina L.G., Mashchenko I.A. Raschetnyye vozmushcheniya dlya issledovaniya dinamiki zheleznodorozhnykh vagonov [Computation disturbances for dynamics research of the railway cars]. Zal-iznychnyi transport Ukrainy - Railway transport of Ukraine, 2012, no. 1. pp. 38-41.
11. Ushkalov V.F., Reznikov L.M., Redko S.F. Statisticheskaya dinamika relsovykh ekipazhey [Statistical dynamics of rail cars]. Kyiv, Nauk. Dumka Publ., 1982. 360 p.
12. Garg V.K., Dukkipati R.V. Dynamics of Railway Vehicle Systems. New York, Academic Press Publ., 1984. 407 p.
13. Il-Yoon Choi, Ju-Hwan Um, Jun S Lee, Hyun-Ho Choi. The influence of track irregularities on the running behavior of high-speed trains. Proceedings of the Institution ofMechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2013, vol. 227, issue 1, pp. 94-102.
14. Pombo J., Ambrosio J. An alternative method to include track irregularities in railway vehicle dynamic analyses. Nonlinear Dynamics, 2012, vol. 68, issue 1-2, pp. 161-176.
Статья рекомендована к публикации д.т.н. Н. А. Радченко (Украина); д.т.н., проф.
С. В. Мямлиным (Украина)
Поступила в редколлегию 19.12.2012
Принята к печати 24.07.2013
