CC BY
17
Выводы
Предложена уточненная методика расчета коэффициента сопротивления и вязкости воздуха, которая будет использована при оценке устойчивости локомотива.
Список литературы
1. Handbook of chem. and phys., 36 ed., Clevel. - Ohio, 1954-55.
Аннотации:
Рассмотрена и уточнена методика расчета коэффициента сопротивления и вязкости воздуха, которая может быть использована при оценке курсовой устойчивости двидения тел.
Розглянута уточнена методика розрахунку коефщенту опору повггря та числа Рейнольдса при оцшюванш курсово! стшкосл тш.
It is covered the refined metodic of calculation of the air resistance coefficient and Reynolds number during the tstimation of locomotive road holding.
УДК 629.4.015
САВЧУК О.М., д.т.н., професор (ДНУЗТ); МЯМЛ1Н С В., д.т.н., професор (ДНУЗТ); САВЧЕНКО КБ., завщувач ГНДЛ (ДНУЗТ); МЕЛЬНИЧУК В.О., шженер (Укрзал1зниця).
Використання динамiчного моделювання для аналiзу стшкост! руху вагона
Постановка проблеми
Основна причина обмеження швидкосл поiздiв полягае у втрат вагонами стшкосл руху пiсля досягнення критично'1' швидкостi укр. Ознаками втрати стшкосл е збурення автоколивань вилян-ня частин вагона у межах колшного зазору, с^мке зростання поперечних приско-рень i зусиль, що викликае зменшення запасу стшкосл вщ сходу i складае загрозу безпещ руху [1, 2]. Зокрема, через низьку укр вагонiв на вiзках мод. 18-100 довелося обмежити швидюсть вантажних поiздiв коли 1520 мм до 70^85 км/год [3] (нормативна «конструкцшна» швидкiсть
Ккон=120 км/год фактично реалiзуеться тiльки при приймальних випробуваннях вагонiв).
Виклад основного матер1алу
Аналiтичне визначення критично'1' швидкосл за ознаками О.М.Ляпунова пов'язане як з високою трудомiсткiстю алгоритму (описаного, наприклад, у [4]), так i його непрозорiстю щодо впливу параметрiв вагона на величину критично'1' швидкосл. Але з точки зору безпеки при створенш нових та модершзацп юнуючих конструкцiй доцiльно визначати критичну швидюсть ще на етапi теоретичних
дослщжень. Тому актуальним е питання виявлення ознак втрати стшкосп у вирiшеннi задач просторово!' динамши вагонiв. Це i е предметом розгляду у статп.
У св^овш практицi для пiдвищення критично!' швидкосп вантажних вагонiв використовують демпфування вилянь пружними ковзунами вiзкiв, притиснути-ми до парних ковзушв кузова. Одне з
перших дослщжень на комп'ютернш моделi просторово'1 динамiки вагона iз зношеними ободами колiс (на вiзках ЦНИИ-Х3 / нинi мод.18-100) виконав у 60-х роках минулого столбя
В.Д. Хусiдов [5]. На той час розглядалися пружш ковзуни {1} вiзка конструкци УВЗ-МИИТ з горизонтальними пружинами i клиновою передачею (рисунок 1,а).
0
КР1 £1 Р2
г ж ■V
ш 1 ■V
_ Типов1 КОВЗуНИ ч
л #
- а / 1-пружш ковзуни
Г ;
- /
Р /
ч # 1 ж /
■V в ^ * ч- Н-пружьи ковзуни
__-
50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 ШвидНсть V, км/год
Рисунок 1. - Аналiз результат [5] моделювання просторово'1 динамiки вагона
За табличними ршеннями, наведе-ними у [5], побудовано три графши (рисунок 1,б) залежностi поперечних сил Ну на ресорний комплект вщ швидкостi вагона:
■«типовi ковзуни» (штрихова лiнiя) -моделювання з жорсткими ковзунами з зазорами;
■«1-пружш ковзуни» (пунктирна лЫя) - моделювання варiанту з пружни-ми беззазорними ковзунами;
■«П-пружш ковзуни» (суцiльна лiнiя) - моделювання (оптимальний варiант) з пружними беззазорними ковзу-нами та оптимальними параметрами.
На графшах вертикальними смугами нанесет експериментальш значення кри-тичних швидкостей [3] завантаженого тввагона iз зношеними ходовими части-нами: КР1 (укр ~89 км/год) - на типових
вiзках з зазорами у ковзунах; КР2 (укр~100км/год) - на вiзках мод.18-100, обладнаних пружними беззазорними ков-зунами.
Неважко переконатись, що смуга КР1 перетинаеться з графшом Ну =Р(у) «типовi ковзуни» на початку високоградiентного росту Ну з досяганням граничного значення Ну = 66 кН (40% вiд вертикального навантаження ресорного комплекту). Смуга КР2 перетинаеться з графшом «I-пружнi ковзуни» теж на початку штенсивного зростання поперечно!' сили на комплект пружин вiзка.
Отже, iз аналiзу результатiв, одер-жаних ще при перших спробах моделю-вання динамiки тввагона iз зношеними ободами колiс, витшае ознака — початок високоградiентного зростання поперечних
динамiчних зусиль (або коефщенпв горизонтально! динамши) може вiдповiдати критичнш швидкостi вагона.
Опублiкованi у [5] дат мiстять та-кож параметри <оптимального> варiанту пружного ковзуна. Шсля перерахунку для сучасно! конструкци (рисунок 1,с) одер-жане значення сили стискання пари безза-зорних ковзунiв ^зка-кузова) N =12 кН.
Далi проаналiзуeмо результати про-сторового моделювання динамiки вагонiв для стандарту коли 1520 мм за сучасною комп'ютерною програмою «Dynamics of Rail Vehicles» («DYNRAIL») [6, 7]. Метою дослiджень було не тiльки виявлення оз-нак втрати стiйкостi, але i перевiрка безпечностi експлуатацп дослiдного вагона №66489808 тсля тимчасового демонтажу штирових пристро!в верхнього зану-рення. Вагон, вiдремонтований деповсь-ким ремонтом за технолопею ДН1ПРО, був включений у склад маршруту №1, що виконуе перевезення iз юнуючими обме-женнями швидкостi (до 85 км/год у заван-таженому стат i до 70 км/год - у порож-ньому). Але згодом виявилось, що тд час гальмувань по!зда виникали пошкодження зносостiйких насадок штирiв через занад-то вузький мюцевий контакт з втулками. Тому було заплановано демонтувати iснуючi пристро!, щоб опiсля замiнити !х на передачi з нижнiм зануренням штирiв [3]. Так виникла необхiднiсть утримання в дослщному маршрутi вагона з зношеними профiлями кочення «Д11Т-09» i демонто-ваними передаючими пристроями.
Динамiчна модель DYNRAIL тввагона побудована з 19-ти об'екпв, що володшть iнерцiйними властивостями. Зв'язки мiж об'ектами вiдображають лiнiйну i кутову жорсткостi, в'язке i сухе тертя, допустимi взаемнi перемiщення частин вагона - лЫйт по напрямках декартових координат i кутсв вiдносно вертикально! осi z (для вщтворення виляння). Також встанов-лювались зазори у з'еднаннях деталей. Зв'язки мiж беззазорними ковзунами вiзкiв i кузова моделювали притискання фрикцiйних
поверхонь з зусиллям N =12 кН i коефiцiентом тертя рх=цу =0,25.
Профш зношених колiс задавались у модель по усередненому реальному об-рису поверхн обода, знятому з дослщного вагона № 66489808, який тсля ДР досягнув пробiгу 60 000 км. На рисунку 2 жирною лшею показаний обрис зношеного профшю (зносу пiддаеться, здебшьшого, робоча поверхня гребеня), а тонкою лiнiею - повний профiль Д11Т-09, по яко-му проведена переточка колю дослщного вагона. Обриси профшю кочення зшмались лазерним профшометром колюних пар ЖР-145-125-Я5232. 1з рисунка видно, що штенсившсть зносiв за ознакою «прокат» (вiсь 7) незначна, найбшьший знос спостерiгаеться на похилш частинi гребеня.
V
\ \
А
\\ я
Z
зс -60 -40 -20 0 20 40 60
Рисунок 2. - Обрис зношеного профшю кочення ободiв колю, який вщтворювався у моделi
У якосп збурень, д^чих на модель вагона, генерувались динамiчнi нерiвностi рейкових ниток у вертикальнш та горизонтальнiй площинах.
Результати моделювання, якi утри-мують ознаки втрати стiйкостi руху, наведет на рисунку 3. У верхнш частит вказат графiки залежностi коефщенпв горизонтально'!' динамiки кдг вiд швидкосп, а в нижнiй - графши мiнiмальних значень коефiцiентiв стiйкостi вщ сходу Кс (Ксхт1П). Масштаб швидкосп по осях абсцис однаковий для можливосп позначення критичних швид-
костей вертикальними смугами.
Розглядаються ршення на динамiчних моделях двох варiантiв:
1. Пiввагон на зношених вiзках мод.18-100, обладнаний ремонтними пружними ковзунами ТАУС. У модель задавалися обриси зношеного профшю колiс (рисунок 2, жирна лшя) i подовжш зазори Ах =10 мм у клинових гасниках вiзкiв (мiж боковими рамами та надресор-ними балками). На графшах (рисунок 3)
суцшьними лiнiями I (зав) показанi пара-метри завантаженого вагона, а пунктир-ними I (пор) - порожнього.
2. Шввагон за вар. 1, додатково об-ладнаний штировими передаючими при-строями згщно технологи ДР ДН1ПРО, що враховувалось у моделi лiквiдацiею подовжнiх зазорiв (Ах =0) у клинових гасниках. Штриховими лшями II (пор) показаш графiки коефiцiентiв порожнього вагона.
Рисунок 3. - Графши залежностi вiд швидкосп руху коефiцiента горизонтально!' динамiки кдг =Р(у) i мiнiмальних значень коефiцiента стiйкостi Ку=Р(у)
Першими досягають нормативних значень ([кдг]< 0,38; [Ку]>1,4) графiки варiанту I (пор). На вщмшу вiд ранiше на-ведених малодостовiрних кривих (рисунок 1), при зростанш швидкостi функщя кдг =Р(у) нерегулярно наростае, що узгоджуеться з експериментальними да-ними. Помтш двi дiлянки тдвищеного зростання коефiцiентiв: перша - при У=50^60 км/год, а друга - при У= 78^85 км/год. Слщ вияснити, яка з них
вщповщае втратi стiйкостi руху.
Для цього перевiрялась наявнiсть у результатах моделювання шшо! ознаки досягнення критично! швидкосп - автоко-ливань виляння частин вiзкiв. Виявилось, що автоколивання спостер^ались на виходi моделi I (пор) при швидкосп 78км/год. Це тдтверджуе фрагмент ампл^удно! характеристики вилянь колюно! пари, наведенiй на рисунок 4,а, i побудована для нього спектральна
щшьнють потужносп коливань - рисунок 4,б. Остання показуе, що автоколивання збурюються з частотою ^-1,65 Гц. При аналiзi вiдео зйомок взаемодп «колесо-рейка» [8] порожнього типового тввагона (вiзки мод. 18-100 колеса зношет) отри-мана частота автоколивань /а=1,67 Гц.
Отже, критична швидкють змодель-ованого вагона I (пор) складае 78 км/год.
Вона позначена на рисунку 3 вертикальною пунктирною смугою КШ1п. Точка перетину з вщповщним графiком кд =Р(у), показаним пунктирною лiнiею, знахо-диться в основi високоградiентного росту коефщента горизонтально'!' динамiки з його подальшим перетинанням лшп нор-мованого максимуму кдг = 0,38.
Рисунок 4. - Характеристики поперечних перемщень колюно'1' пари при швидкосп «руху» 78 км/год динамiчноi моделi I (пор): а — ампл^удна характеристика, б — спектральна щшьнють потужносп
1з нижнього графiку Кс =F(v) (рисунок 3) видно, що смуга КШ1п перетинае вiдповiдну пунктирну криву на початку високоградiентного зменшення запасу стiйкостi вiд сходу з подальшим перети-ном нормовано'1' меж [К^]=1,4.
За аналогiею на рисунку 15
3 показан смуги втрати стшкосп iнших варiантiв змодельованих вагонiв:
■ КШ1з (V 'кр=110 км/год) - критична швидкють завантаженого пiввагона, об-ладнаного пружними ковзунами ТАУС -смуга перетинаеться iз суцiльними кри-вими (I зав.) на початку високоградiентних змiн вiдповiдних динамiчних характеристик;
■ КШ2п ^"кр =128 км/год) - критична швидкють порожнього тввагона, об-ладнаного пружними ковзунами ТАУС i штировими передаючими пристроями -смуга перетинаеться iз штриховими кри-
вими (II пор.) у вщповщних характерних точках.
Порiвнюючи наведенi значення кри-тичних швидкостей з експериментальни-ми даними [3], вiдмiчено, що при випро-буваннях завантаженого пiввагона iз пружними ковзунами ТАУС та зношени-ми колесами була визначена критична швидкють v'крE = 110 км/год, а для порожнього тввагона з повно-профшьними (пе-реточеними за «ДПТ-09») колесами -v"крE > 132 км/год. Цим тдтверджуеться достовiрнiсть викладених вище положень.
Висновки
1 При дослщженнях динамiки вагонiв на просторових комп'ютерних моделях доцiльно виявляти у ршеннях значення критично'1' швидкостi, пюля до-сягнення яко'1' втрачаеться стшкють руху i
експлуатащя стае небезпечною. Так, аналiз одного iз попереднiх ршень [5] показав, що у результатах ф^руе небезпеч-на швидюсть — до 140 км/год, яка на 4057% перевищуе критичну для розглянутих варiантiв пiввагона.
2 Критична швидкють на резуль-туючому графiку коефiцiентiв горизонтально! динамiки (або динамiчних поперечних зусиль в ходових частинах) знаходиться на початку високоградiентного зростання параметру з досягненням гранично допустимого зна-чення. Додатковими ознаками е зменшен-ня запасу стшкосп вiд сходу та збурення автоколивань виляння.
3 Результати моделювання (незатшеш частини рисунок 3) показують на безпечнiсть експлуатаци вагона, вщремонтованого за технологiею «ДН1ПРО», iз швидюстю до 100 км/год. Пiсля демонтажу штирових передач вагон iз зношеними ободами колю (переточених за профшем ДПТ-09) можна експлуатувати з юнуючими обмеженнями швидкостi, що пiдтверджено пробном 50 тис. км пiввагона iз знятими штирями у маршрутi №1.
Список лггератури
1 Лазарян В. А. Устойчивость движения рельсовых экипажей / Лазарян В. А., Длугач Л. А., Коротенко М.Л. - К.: Науко-ва думка, 1972. - 200 с.
2 Демин Ю.В. Автоколебания и устойчивость движения рельсовых экипажей / Ю.В.Демин, Л.А.Длугач, М. Л.Коротенко, О. М. Маркова. -К.: Нау-кова думка, 1984. - 160 с.
3 Мельничук В.О., Савчук О.М. Швидюсть вантажних вагошв. - Харюв: Корпоращя «Техностандарт», Залiзничне вид-во «Рухомий склад», 2010. - 92 с.
4 Устойчивость тележек скоростных пассажирских вагонов против автоколебаний виляння / В.П.Воронович, Ю.В.Демин, А.А. Радзиховский, А.Ю.
Черняк // Залiзничний транспорт Укра!ни. - №6. - 2002. - С. 12-15.
5 Соколов М.М. Динамическая на-груженность вагона / Соколов М.М., Ху-сидов В.Д., Минкин Ю.Г. - М.: Транспорт, 1981. - 206 с.
6 Свщоцтво про реестращю авторсь-кого права на твiр № 7305. Комп'ютерна програма «Dynamics of Rail Vehicles» («DYNRAIL») / вид. Мямлину С.В. Зареестр. 20.03.2003.
7 Мямлин С.В. Моделирование динамики рельсовых экипажей. - Д.:Новая идеология, 2002. -240 с.
8 Аналiз поперечних коливань колеса вщносно рейки з вщеозапиав / В.О.Мельничук, О.М.Савчук, М.А.Грiчаний, 1.Ю.Хоменко // Вiсник ДНУЗТ. - Вип. 32. - Дншропетровськ, 2010. - C.143-147.
Анотацн:
Ключов1 слова: динамжа вагошв, моделювання, розрахунок, стшшсть
Розглянутий метод визначення ознак втрати стшкосп руху за результатами комп'ютерного моделювання просторово! динашки вантажного вагона з визначенням допустимо! експлуатацшно! швидкосп. Шдтверджена безпечшсть пвдвищення швидкосп вагошв, ввдремонтованих за технолопею «ДН1ПРО», до 100 км/год.
Рассмотрен метод определения признаков потери устойчивости движения по результатам компьютерного моделирования пространственной динамики грузового вагона с определением допустимой эксплуатационной скорости. Подтверждена безопасность повышения скорости вагонов до 100 км/ ч, отремонтированных по технологии «ДНШРО».
Estimation method of running stability loss signs based on results of computer simulation of three dimensional dynamics of a freight car with definition of allowable operating speed has been examined.
Safety of rise of speed up to 100 km/h for cars repaired by DNIPRO technology has been proven.
