CC BY
21
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 5 (77)
РУХОМИЙ СКЛАД ЗАШЗНИЦЬ I ТЯГА ПО1ЗД1В
УДК 629.463.66.015
А. О. ШВЕЦЬ1*
'*Каф. «Теоретична та будiвельна механжа», Днiпропетровський нацюнальний унiверситет з^зничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дшпро, Украша, 49010, тел. +38 (050) 214 14 19, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-8469-3902
ВПЛИВ ПОЗДОВЖНЬОГО ТА ПОПЕРЕЧНОГО ЗМ1ЩЕННЯ ЦЕНТРУ ВАГИ ВАНТАЖУ В П1ВВАГОНАХ НА IX ДИНАМ1ЧН1 ПОКАЗНИКИ
Мета. Пiдвищення швидкостi руху залiзничних екiпажiв дозволяе посилити штеграцшш процеси з кра!-нами £вропи й Азп, проте призводить до необхвдносп вдосконалення контролю, шльшсно! оцшки динамiч-но! завантаженостi рухомого складу для дотримання безпечного i надшного сполучення на залiзницях. Тому в процес проектування й експлуатаци рухомого складу шльшсна оцiнка динамiчних навантажень становить актуальну науково-технiчну задачу. Метою ще! роботи е дослвдження впливу поздовжнього та поперечного змiщення центру ваги вантажу в пiввагонах у разi збiльшення швидкостi руху на !х основнi динамiчнi пока-зники - коефiцiенти горизонтально! та вертикально! динашки, коефiцiент стiйкостi вiд сходу з рейок. Методика. За основу дослвдження взятий метод математичного й комп'ютерного моделювання динамiчно! завантаженостi вантажного пiввагона з використанням моделi просторових коливань зчепу п'яти вагонiв i програмного комплексу, розробленого в галузевш науково-дослiднiй лабораторi! динамiки та мщносп рухомого складу (ГНДЛ ДМРС) Днiпропетровського нацiонального унiверситету залiзничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна. Теоретичш дослiдження проведенi за умови руху тввагона моделi 12-532 з ти-повими вiзками 18-100 зi швидкостями в дiапазонi ввд 50 до 90 км/год по кривих iз радiусами 350 й 600 м, з тдвищеннями зовнiшньо! рейки 130 та 120 мм ввдповвдно. Результати. У статп подано аналiз теоретич-них дослiджень динамiчних якостей рухомого складу на прикладi пiввагонiв. Розрахунки з використанням пакета прикладних програм проведенi з достатньою для практики точшстю. У ходi виконання теоретичних дослiджень та пiсля проведення моделювання з урахуванням процесiв коливання вантажного вагона й вантажу за поздовжнього та поперечного змщення центру його ваги в шввагош отримано залежносп основних динамiчних показник1в iз урахуванням швидкостi руху. Наукова новизна. У робот дослiджений вплив поздовжнього та поперечного змщення центру ваги вантажу на динашчну завантажешсть вагона з метою ви-ршення задачi прогнозування динамiки рухомого складу. Уперше подано результати теоретичних досль джень iз урахуванням швидкостi руху по кривих дшянках колi! малого та середнього радiуса. Практична значимкть. Робота мае практичну спрямованiсть. Застосування отриманих результатiв сприя-тиме пвдвищенню безпеки руху вантажних вагонiв i дозволить полiпшити технiко-економiчнi показники роботи залiзничного транспорту.
Ключовi слова: вантаж; пiввагони; динамiчнi показники; кривi дмнки колi!; поздовжне та поперечне змщення центру ваги; швидшсть руху
мовлених збшьшенням ремонтних робгг, а та-кож шдвищеним споживанням енерги на тягу по!зд1в. Час висувае нов1 вимоги до збшьшення р1вня сил динам1чно! взаемоди рухомого складу й коли, що в умовах значного зносу екшажно! частини рухомого складу минулого поколшня е неприпустимим [10, 11].
Техшчний р1вень рухомого складу зал1знич-ного транспорту безпосередньо впливае на еко-ном1чш показники транспортно! галуз1 та еко-номши кра!ни в цшому. Тому посилення поту-жностей зал1знично! галуз1 Укра!ни е стратепч-ним напрямком розвитку И економши [10].
Вступ
Безпека руху вантажних по!зд1в, значення допустимых швидкостей i вантажошдйомносп, витрати на утримання рухомого складу й ко-лiйного господарства, збшьшення мiжремонт-них пробiгiв вагонiв суттево залежать вiд конс-трукцii вантажного рухомого складу затзниць. Експлуатацiя морально застаршого рухомого складу з низькими динамiчними властивостя-ми, частка якого серед залiзничних транспортних засобiв сягае близько 90 % (рис. 1), е одш-ею з причин недостатнього рiвня безпеки руху поiздiв i високих експлуатацiйних витрат, обу-
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 5 (77)
Рис. 1. Знос парку вантажних вагошв Fig. 1. Wear of the freight car fleet
Оскшьки зашзничний транспорт у наш час широко використовують для перевезення р1зних вцщв вaнтaжiв практично на будь-якому шдпри-емста, украй важливо створити умови для безпе-чного руху по!зд1в. Не останню роль у цьому вщ-грае правильне розмщення вантажу, який пере-возять у кузов1 вагона. Визначення змщення центру ваги вантажу вщносно осей симетрп зашзничного вагона дозволяе оперативно виявля-ти небезпечн вщхилення в його спйкосп й тим самим ютотно збшьшити безпеку тд час руху по!зда. Остантм часом це питання стае особливо актуальним у зв'язку з шдвищенням вимог зашз-нищ до допустимих значень поздовжнього та поперечного змщення вантажу тд час завантажен-ня вагона й на шляху його прямування [8].
Мета
Пщвищення швидкосп руху затзничних ею-пашв дозволить посилити штеграцшш процеси з крашами Свропи й Ази, задовольнити попит населення у перевезеннях, знизити витрати еле-ктроенерги та ресурс1в, защяти виробнич1 поту-
жностi провiдних галузей промисловостi. Проте це призводить до необхщносп вдосконалення контролю, кiлькiсноi ощнки динамiчноi наван-таженостi рухомого складу для дотримання без-печного й надшного сполучення на залiзницях. Тому в процес проектування рухомого складу кшьюсна оцiнка динамiчних навантажень стано-вить актуальну науково-технiчну задачу [10, 11].
Метою ща роботи е дослiдження впливу поздовжнього та поперечного змщення центру ваги вантажу в тввагонах iз урахуванням мож-ливого тдвищення швидкостi руху на iх осно-внi динамiчнi показники - коефщенти горизо-нтальноi й вертикальноi динамiки, стiйкостi вiд сходження з рейок.
Методика
Щд час проектування рухомого складу конструктори повинш визначити, чи буде спро-ектована модель володiти необхiдними динам> чними якостями. Вiдповiдь можна отримати тшьки iнтуiтивно шляхом зiставлення основних параметрiв конструкцii з аналогiчною, уже ная-вною, або пiсля и виготовлення та проведення динамiчних ходових випробувань. Однак цей процес тривалий, тому практичний iнтерес ста-новить проведення попередньо1' оцiнки динам> чних якостей вагона на стадii його проектування, що можна здшснити за допомогою матема-тичного моделювання. Воно дозволяе визначити динамiчнi показники вагошв пiд час !х руху по прямолшшних та криволiнiйних дшянках затз-нично! колii з реальними нерiвностями у верти-кальнiй i горизонтальнiй площинах (рис. 2, 3), з урахуванням реально!' поверхш кочення колеса й профiлю головки рейки [2, 10, 11].
V n © ■« 1 1 > <3 s t, © S.W. t, Ф s-"-1 < 1 1 ® S[m
о lo о lf> J* rib &Ç s;1"- 4" cfb I s.,„ rib ctf) ob ob
w\ ч www 4\4\\N\NS\\\\\\W\ Ч 4; 10 __ 2 L ^w w w w w w w \-w w w w w\ w wл
S IM
и
п
S'
и
s:
S'
in*
„и
У
S'
H'
Рис. 2. Сили, яш виникають вiд дп поздовжнiх сил в автозчепленнях вагошв Fig. 2. Forces arising from the action of longitudinal forces in the automatic couplings of cars
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 5 (77)
Як вiдомо, пiд час руху вагона в складi по-1'зда по кривих дiлянках коли на сили взаемодн колiс iз рейками безпосереднiй вплив мають поперечш сили, якi виникають вiд дн поздовж-нiх сил в автозчепленнях вагона в режимах тяги на затяжних ухилах i пiд час гальмувань, особливо рекуперативних [2, 6, 14-20].
На рис. 3 зображено, як ддать на вагон сили з боку шших вагошв, розташованих попереду й позаду нього по ходу руху по1зда.
Рухаючись по кривш, вагон пiд дieю поздо-вжшх сил в автозчепленнях може зайняти рiзне положення вiдносно осi коли, що значною м> рою впливае на величини бiчних горизонталь-них сил взаемодп й сили тертя колю iз рейками. У режимi гальмування стискнi сили можуть сприяти розташуванню вагонiв у коли «ялин-кою», що призводить до збшьшення кутiв наб> гання колiс на рейки. Доповнення математич-них моделей просторових коливань вихiдними даними з уточненими шерцшними характеристиками елеменпв вагонiв i вантажiв дозволяе наблизити результати розрахунюв до реального стану об'екпв i тим самим тдвищити об'ективнiсть математичного та комп'ютерного моделювання. Саме для вирiшення ще! пробле-ми було створено «Програмний комплекс для визначення моменпв шерцн кузовiв вагошв» [2, 6, 11, 15].
Як було зазначено вище, безпека руху по1'з-дiв i збереження вантажв, якi перевозять, без-посередньо залежать вщ способу 1х розмщення й крiплення. Удосконалення методики розраху-нку кршлення вантажпв е актуальною приклад-
ною задачею, що мае ютотне значення для тра-нспортно! науки й галуз1 зал1зничного транспорту [8, 10, 11].
Рис. 3. Ддя на вагон сил i3 боку суадшх вагошв
Fig. 3. The forces action on the car from the neighbouring ones
Особливу увагу придшяють центру ваги. Для стшкосп й безпеки транспортування центр ваги повинен бути на перетиш центральних поздовжнiх i поперечних лiнiй. Якщо потрiбно перевезти нестандартний вантаж, то можливе незначне змщення центру ваги. ^iM того, у процесi перевезення вантажiв iнодi виникае необхiднiсть у несиметричному розташуваннi 1х у вагош. Зсув вантажу вiдносно центру ваги вагона можливий i пiд час транспортування. Часто потрiбно оцiнити вплив тако! несиметри-чностi на динамiчнi якостi вагона та встановити допустимi величини зсуву вантажiв (рис. 4) [3, 5, 9].
Рис. 4. Розрахункова схема 4-вюного вагона з несиметричним розташуванням вантажу Fig. 4. The calculation scheme of a 4-axle car with asymmetric arrangement of cargo
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету зашзничного транспорту, 2018, N° 5 (77)
Зазвичай у pa3i симетричного завантаження кузова вагона в розрахунковш cxeMi приймають, що головнi центральш осi iнерцiï спiвпадають з осями його симетрп'. Якщо прийняти, що в розрахунковш cxeMi вагона з несиметричним заванта-женням кузова розташування осей координат ствпадае з осями симетрп кузова, то шерщйш властивосп його можна виразити через моменти шерцп вiдносно трьох перпендикулярных осей i вщповщш цим осям вiдцентровi моменти iнерцiï. У кожному з варiантiв завантаження кузова розташування початку координат прийнято в цен^ ваги. Головнi осi шерцп при цьому ствпадають з осями симетрп елшсоща iнерцiï, напрямок яких визначають косинусами трьох кутiв а, ß, у. Ма-тематична модель дозволяе розглянути коливан-ня вагона з несиметричним розмiщенням вантажу й рiзними жорсткостями ресорного шдвшування.
Загальний центр ваги вантажiв ( ЦВвз ) повинен розмiщуватися, як правило, на лшп перетину поздовжньоï та поперечноï площин симетрiï вагона. У випадках, коли ця вимога нездшс-ненна з об'ективних причин (геометричнi па-раметри вантажу, умови розмiщення та кршлення), допускаеться змiщення ЦВ\ вщносно поздовжньо1' та поперечно)-' площин симетрп вагона (табл. 1) [5, 9].
Допустиму величину змщення ЦВ] у поздо-вжньому напрямку 1ЗШ (вщносно поперечно! площини симетрiï) тд час завантаження вантажу й на шляху прямування визначають вщпо-вiдно до табл. 1 залежно вiд загально1' маси вантажу у вагош.
Вщповщно до [4] в разi необхiдностi несиме-тричного розташування вантажу у вагонi рiзни-ця в завантаженнi вiзкiв не повинна перевищу-вати: для 4-вюних вагонiв - 10 т; 6-вюних - 15 т; 8-вiсних - 20 т. При цьому навантаження, що припадае на кожен iз вiзкiв, повинно бути не бшьше за половину вантажопiдйомностi вагона.
Допустиму величину змщення ЦВ] у поперечному напрямку Ьзм (вiдносно поздовжньо1' площини симетрiï) пiд час завантаження вантажу й на шляху прямування визначають вщпо-вщно до табл. 2 залежно вщ загально1' маси вантажу у вагош й висоти загального центру ваги вагона з вантажем ( Н* ) над рiвнем верху головок рейок [5, 9].
Таблиця 1
Допустиме поздовжне змщення загального центру ваги вантажу в 4-вкному вагош
Table 1
Permissible longitudinal displacement of the common gravity center of the cargo in 4-axle car
Вага вантажу, т ¿зм , ММ
тд час завантаження на шляху прямування
<10 2 700 3 000
15 2 250 2 480
20 1 950 2 160
25 1 550 1 730
30 1 250 1 440
35 1 100 1 235
40 950 1 080
45 850 960
50 750 865
55 680 785
60 600 720
62 550 630
67 200 260
70 0 60
>70 0 0
Допускаеться одночасне змщення ЦВвз вщ-носно поздовжньо1' та поперечно!' площин симетрп вагона (рис. 5) в межах значень, поданих у табл. 1, 2.
Допускаеться перевезення двох вашагав (або груп вашагав) однаково)-' маси з кососиме-тричним розмщенням ix у вагонi (рис. 6) у разi дотримання таких умов:
- висота загального центру ваги вагона з вантажем ( Н"т ) над РГР не перевищуе 2 300 мм;
- вщсташ мiж центрами ваги вантаж1в ЦВЛ та ЦВв2 у поздовжньому та поперечному на-прямках не перевищують допустимих значень, яю визначають вiдповiдно до табл. 3 з ураху-ванням загальноï маси вантажiв;
- ЦВI знаходиться на перетиш поздовжньо!-' й поперечно!,' площин симетрп вагона.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 5 (77)
Таблиця 2
Допустиме поперечне змщення загального центру ваги вантажу в 4-вкному вагош
Table 2
Permissible lateral displacement of the common gravity center of the cargo in 4-axle car
Вага вантажу, Витота зага-льшго щн-тру ваги вaгoнa з Ьзм , мм
т ватажЕм над РГР, м тд час зава-нтaжeння на шляху прямування
<1,2 450 620
<10 1,5 380 550
2,0 290 410
<1,2 380 550
30 1,5 2,0 310 250 450 350
2,3 200 280
<1,2 250 350
50 1,5 2,0 200 180 280 250
2,3 140 200
<1,5 150 220
55 2,0 120 170
2,3 100 150
<1,5 125 180
67 2,0 95 140
2,3 80 120
>67 <2,3 70 100
Сумарна маса вантажу й зacoбiв кpiплeння у вaгoнi нe пoвиннa пepeвищyвaти йoгo трафа-peтнoï вaнтaжoпiдйoмнocтi, а в paзi заванта-жeння вантажу з oбпиpaнням на два вагони ча-стка маси вантажу й зacoбiв кpiплeння, щo при-падае на кoжний вaнтaжoнecний вaгoн зчeпy, нe пoвиннa пepeвищyвaти тpaфapeтнoï ванта-жoпiдйoмнocтi вaгoнa. Bиxiд вантажу в пoздo-вжньoмy напрямку за мeжi кiнцeвиx бaлoк рами плaтфopми a6o пiввaгoнa нe пoвинeн переви-щувати 400 мм [5, 9].
Таблиця 3
Мaксимaльно допyстимi вiдстaнi
\пж uen rpaMM Barn вaнтaжiв i3 кососиметричним розмiщенням ïx у liaioiii
Table 3
Maximum permissible distances between the centers of gravity of the cargos with skew-symmetric placement in the car
Загальна вага двox вашажзв, т Í , мм b , мм
<20 8 000 1 250
30 7 000 900
40 6 000 750
50 6 000 600
55 6 000 500
67 5 000 400
72 4 500 350
Рис. 5. Розрахункова схема визначення поздовжнього та поперечного змщень загального центру ваги вантажiв у вагонi
Fig. 5. Calculation scheme for determining the longitudinal and transverse displacements of the common gravity center of cargo in the car
doi: 10.15802/stp2018/146432 © А. О. Швець, 2018
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 5 (77)
Рис. 6. Кососиметричне розмщення вантаж1в у вагош:
ЦВв1, ЦВг2 - центри ваги вантажш; ЦВ] - загальний центр ваги вантажу у вагош
Fig. 6. The skew-symmetric cargo placement in the car:
ЦВъ1, ЦВг - cargo gravity centers; ЦВ] - common gravity center of cargo in the car
Результати
Розрахунки можна проводити з достатньою для практики точнютю, обмежуючись розгля-дом руху групи з п'яти вагошв (рис. 2). За основу дослщження взятий метод математичного моделювання з використанням моделi просто-рових коливань зчепу п'яти вагошв i програм-ного комплексу, розробленого в ГНДЛ ДМРС Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту iменi академша В. Лазаряна. Теоретичш дослiдження проведенi за умови руху шввагона моделi 12-532 з типо-вими вiзками 18-100 зi швидкостями в дiапазонi вiд 50 до 90 км/год по кривих iз радiусами 350 й 600 м, з шдвищеннями зовнiшньоï рейки 130 i 120 мм вщповщно [2, 7, 15].
У цьому дослщженш розглянутий вплив зсуву центру ваги вантажу в кузовi шввагона у поздовжньому та поперечному напрямках, а також в обох напрямках одночасно. Графши змши динамiчниx показниюв пiд час руху по кривих дшянках коли R = 600 м й 350 м наве-деш на рис. 7-9. Зсув у поздовжньому напрямку (рис. 7) дослщжений у межах до А = 3 м, що допускаеться за нормами для вантажв ма-лоï ваги (табл. 1) [3, 5, 9].
Як видно з рис. 7, у цшому зi збшьшенням поздовжнього змщення центру ваги вантажу коефщенти вертикальноï динамши збшьшу-ються. Так, за швидкосп 70-90 км/год показни-ки К в разi збiльшення поздовжнього зсуву
вiд 0 до 3 м не перевищують допустиму норму як у кривш R = 600 м, так й у кривш
R = 350 м. Рiвень оцшки К
у кривш
R = 350 м вщповщае - «добре», а у кривш R = 600 м - «вщмшно». На рис. 7 (в, г) наведе-ш коефщенти горизонтально!-' динамiки Кг
пiд час руху по кривих iз радiусом R = 350 м та 600 м вщповщно. 1з них видно, що зi збiльшен-ням А коефщенти горизонтальноï динамiки Кг змшюються незначно та залишаються у кривш R = 600 м й у кривш R = 350 м на рiв-ш оцшки - «вщмшно» [1, 4].
Коефщенти запасу стшкосп вiд сходу колю iз рейок у кривiй R = 350 м (рис. 7, д) мало за-лежать вщ поздовжнього змщення вантажу, на вщмшу вщ кривоï R = 600 м (рис. 7, е), але в обох випадках не перевищують мшмально допустиме значення. З отриманих результат випливае, що поздовжне змщення вантажу в разi збiльшення швидкосп руху не викликае збшьшення коефщеппв горизонтальноï дина-мiки, а коефщенти Кв й Кст не перевищують
значень, визначених нормами [1, 3, 4].
Поперечне змщення вантажу розглянуте в межах вщ А = 0 до 0,2 м при поздовжньому
змщенш А = 0 м (рис. 8).
Для вантаж1в вагою 63 т, за якоï проведеш розрахунки, допускаеться поздовжне змщення А = 0,15 м, на шляху прямування це значення
може становити 0,2 м (табл. 2, 3) [5, 9]. Вплив поперечного змщення центру ваги вантажу бшьш ютотно позначаеться на динамiчниx по-казниках, шж поздовжнш зсув.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 5 (77)
Кд.
R = 350 м h = 120 ям
0,05
- у- -1
Ах, №1
0,5
Ж 50 км/год '
в — С
- 60 км/год
1,5
- 70 км/год ■
2,5
- 90 км/год
0,6
0,5
0,4
0,3
0,1
Кдв
R = 600 >i h - НО ми
Ах, м
0,5
-50к№год —1
-60 км/год '
1,5
■ 70 км/год '
2,5
j ЮЛ! гол '
- 90 км/год
д - e
б - b
е - f
R = 600 м h = 130 мм
15
10
-- h-.
Ах, м
- 60 км'год '
- 70 км/год ■
- 80 км'год '
Рис. 7. Графши залежносп ввд зсуву вантажу в поздовжньому напрямку тд час руху по вiдповiднiй кривш:
а, б - коефщенти вертикально динамжи; в, г - коефщенти горизонтальноï динамши; д, е - коефщенти стiйкостi вiд сходу з рейок
Fig. 7. Dependence graphs on the cargo displacement in the longitudinal direction when moving in the corresponding curve: a, b - vertical dynamics coefficient; c, d - horizontal dynamics coefficient; e, f- derailment stability coefficient На рис. 8 показано вплив на динамiчнi пока- ся не дуже значно (рис. 8, в, г), а коефщенти зники поперечного змщення центру ваги ван- стшкосп вщ сходу з рейок навпаки значно зни-тажу А у кривих R = 350 м та R = 600 м вщ- жуються (рис. 8, д, е). За швидкосп 70-90 км/год
п- с- л ^ ■ в разi збiльшення поперечного змщення А вiд
повiдно. 3i збiльшенням А коефiцieнти верти- ^ ^ у
■к- î о ¿л 0 до допустимого для зазначено1' ваги значення
кально! динамiки збшьшуються (рис. 8, а, б), J . .„ .
коефiцieнти горизонтально! динамiки змшюють-
0,15 м коефщент запасу стiйкостi вiд сходу
а — a
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 5 (77)
колю iз рейок Кст значно знижуеться у кривш R = 600 м. Це наочно демонструють результати, наведеш на рис. 8, д, е. Збшьшення А вщ 0 до
0,15 м за швидкосп 70 км/год призводить до зниження коефщента Кст в 3,13 раза (у кривш R = 600 м) й у 3,1 раза (у кривш R = 350 м). Отже, обмеження поперечного зсуву, позначе-
а - a
Кдв
0,6 0,5
R -350 м h = 120 j
Al=0 в
(U 0,2 од
Ay, m
о,os
60 КМ/ГОД
0,1
- 70 кмУгод
0,15 -ЗОкм'год
D,]
-90 км'год
в - С
д - е
ного нормами, потрiбно дотримуватися, воно обумовлене рiзким зниженням коефiцiента запасу стшкосп вiд сходу колю iз рейок.
Одночасне змiщення центру ваги уздовж осей X, Y розглянуто в межах А та А вщ 0 до 0,15 м (рис. 9) [3, 12, 13].
б - b
г - d
Клг
0,15
R = 600 и h = 130 мм Ах=0 м
0,05
Ay, и
0,05
6Ü км/год
ОД
0,15
ОД
е - f
Рис. 8. Графiки залежностi ввд зсуву вантажу в поперечному напрямку тд час руху по ввдповщнш кривiй:
а, б - коефщенти вертикально динамжи; в, г - коефщенти горизонтальноï динамжи; д, е - коефщенти стшкосп вiд сходу з рейок
Fig. 8. Dependence graphs on the cargo displacement in the longitudinal direction when moving in the corresponding curve:
a, b - vertical dynamics coefficient; c, d - horizontal dynamics coefficient; e, f - derailment stability coefficient
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 5 (77)
На рис. 9 побудоваш графiки залежностi динамiчних показникiв вщ величини змiщення центру ваги вантажу в поперечному напрямку А за величини поздовжнього змщення центру
мас вантажу А = 0,15 м. Як видно з порiвнян-ня графтв, наведених на рис. 7 за А = 0 й рис. 9 за А = 0,15 м, вщмшносп у показни-
Кдв
0,5 0,4 0,3 0,2 ОД О
в — С
д - e
К = J50 M h = 120 мм Ах=0,15 M
Ay, m
0,05
м/год
R = 350 м h = 120 им Ах=0,15 м
Ay, m
ках невеликi, тобто наявшсть одночасного поперечного та поздовжнього зсувiв центру ваги вантажу практично не позначасться на динам> чних показниках. Коефiцieнти вертикально! динамiки Кдв та запасу стiйкостi Кст дещо б>
льше залежать вiд одночасного поздовжнього й поперечного змщення центру ваги вантажу.
б-Ъ
г - d
Кдг
0,15
ОД
0,05
R = 600 м h = 130 мм Ах=0,15 и
---
Ay, м
e-f
Рис. 9. Графiки залежносп ввд одночасного зсуву вантажу в поперечному та поздовжньому напрямках шд час руху у вiдповiднiй кривш:
а, б - коефщенти вертикально динамжи; в, г - коефщенти горизонтальноï динамжи; д, е - коефщенти стiйкостi вiд сходу з рейок
Fig. 9. Dependence graphs on the cargo displacement in the longitudinal direction when moving in the cor-responding curve:
a, b - vertical dynamics coefficient; c, d - horizontal dynamics coefficient; e, f - derailment stability coefficient doi: 10.15802/stp2018/146432 © А. О. Швець, 2018
а — a
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&шзничного транспорту, 2018, № 5 (77)
Рiвень ощнки коефiцieнтiв вертикально! та горизонтально! динамши вщ одночасного поз-довжнього й поперечного змщення центру ваги вантажу - «вщмшно», але таке змiщення призводить до значного зниження коефiцieнта Кст. Тому обмеження одночасного поздовж-нього й поперечного зсуву, позначеного нормами, також потрiбно дотримуватися. Крiм того, розрахунки показали неможливють збшь-шення швидкостi руху по кривих малого равду-са у зв'язку з великою ймовiрнiстю сходження рухомого складу з рейок [1, 3, 4, 12, 13].
Розрахунки продемонстрували, що в разi не-симетричного розмiщення вантажу до 0,5 м уз-довж та 0,05 м впоперек тввагона його горизонтальна динамша порiвняно iз симетричним розташуванням вантажу мало змiнюeться, а ве-ртикальнi динамiчнi коефiцieнти збшьшуються на 10-15 %.
Наукова новизна та практична значимкть
Наукова новизна роботи полягае в досл> джент впливу поздовжнього та поперечного змщення центру ваги вантажу на динамiчну завантажешсть вагона з метою виршення зада-чi прогнозування динамiки рухомого складу й включае результати теоретичних дослщжень з урахуванням швидкостi руху по кривих дшя-нках коли малого й середнього ращуса.
Одержан! результати мають практичну спрямован!сть. У ход! виконання теоретичних дослщжень та тсля проведення моделювання з урахуванням процешв коливання вантажного вагона й вантажу за поздовжнього та поперечного змщення центру його ваги в шввагош отримано залежност! основних динам!чних по-казник!в !з урахуванням швидкосп руху. Засто-сування отриманих результат!в сприятиме пщ-вищенню безпеки руху вантажних вагошв i дозволить полшшити технiко-економiчнi показ-ники роботи затзничного транспорту.
Висновки
У статп подано аналiз проведених теоретичних дослщжень динамiчних якостей рухомого складу на прикладi пiввагонiв, розрахунки ви-конано з використанням пакета прикладних програм.
На пiдставi дослщження можна зробити на-ступнi висновки:
- поздовжш змiщення вантажу викликають збiльшення коефiцieнтiв вертикально! динамiки й не повинш перевищувати значень, визначе-них нормами;
- обмеження поперечного зсуву, визначено-го нормами, потрiбно дотримуватися; воно спричинене не збшьшенням коефiцieнтiв дина-мiки, а рiзким зниженням коефiцieнта запасу стiйкостi вщ сходу колiс iз рейок.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. ГОСТ 33211-2014. Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам. - Введ. 2016-07-01. - Москва : Стандартинформ, 2016. - 54 с.
2. Данович, В. Д. Математическая модель пространственных колебаний сцепа пяти вагонов, движущихся по прямолинейному участку пути / В. Д. Данович, А. А. Малышева // Транспорт. Нагруженность и прочность подвижного состава : сб. науч. тр. / Днепропетр. гос. техн. ун-т ж.-д. трансп. - Днепропетровск, 1998. - С. 62-69.
3. ДСТУ ГОСТ 22235:2015. Вагони вантажш мапстральних зал!зничних дор!г кол!!' 1520 мм. Загальш вимоги щодо забезпечення збереження тд час завантажувально-розвантажувальних та маневрових ро-6!т (ГОСТ 22235-2010, IDT). - Введ. 2016-02-01. - Ки!в : УкрНДНЦ, 2015. - 20 с.
4. ДСТУ ГОСТ 33211:2017. Вагони вантажш. Вимоги до мшносп та динамшних якостей (ГОСТ 33211 -2014, ГОТ). - Введ. 2017-07-01. - Ки!в : УкрНДНЦ, 2017. - 58 с.
5. 36!рник № 17 Правил перевезення i тарифт заллничного транспорту Укра!ни. - Ки!в : САМ, 2005. -176 с.
6. Определение допустимых сил при оценке устойчивости грузовых вагонов от выжимания в поездах / А. А. Швец, К. И. Железнов, А. С. Акулов, А. Н. Заболотный, Е. В. Чабанюк // Наука та прогрес транспорту. - 2016. - № 1 (61). - С. 189-192. doi: 10.15802/stp2016/61045
7. Правила визначення тдвищення зовшшньо!' рейки i встановлення допустимих швидкостей в кривих дшянках кол!!' : ЦП 02336. - Ки!в : Укрзалгзниця, 2013. - 44 с.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 5 (77)
8. Романов, А. Н. Определение смещения центра тяжести груза в железнодорожном вагоне / А. Н. Романов, Ф. И. Гиревка, Д. Г. Заворотный // ПиКАД: Промышленные измерения, контроль, автоматизация, диагностика. - 2007. - № 3. - С. 34-35.
9. Технические условия размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах. - Москва : Юртранс, 2003. - 544 с.
10. Швець, А. О. Аналгз засобт проектування та методш удосконалення конструкцш вантажного рухомого складу / А. О. Швець // Вюник сертифжацп залгзничного транспорту. - 2018. - № 02 (48). - С. 61-73.
11. Швець, А. О. Особливосп визначення моменпв шерцд кузов!в вантажних вагошв / А. О. Швець // Вюник сертифжацп заллничного транспорту. - 2018. - № 5 (51). - С. 20-34.
12. BS EN 14363:2005. Railway applications. Testing for the acceptance of running characteristics of railway vehicles. Testing of running behavior and stationary tests. - Publication Date 2006-04-28. - Brussels : BSI, 2005. - 118 p.
13. BS EN 14363:2016. Railway applications. Testing and Simulation for the acceptance of running characteristics of railway vehicles. Running behavior and stationary tests. - Publication Date 2016-04-30. - Brussels : BSI, 2005. - 198 p.
14. Determination of the issue concerning the lift resistance factor of lightweight car / A. O. Shvets, К. I. Zheliez-nov, А. S. А^^, О. M. Zabolotnyi, Ye. V. Chabaniuk // Наука та прогрес транспорту. - 2015. - № 6 (60).
- С. 134-148. doi: 10.15802/stp2015/57098
15. Effect of the state of car running gears and railway track on wheel and rail wear / E. P. Blokhin, O. M. Pshinko, V. D. Danovich, M. L. Korotenko // Railway Bogies and Running Gears : Proc. of the 4th Intern. Conf. / Technical University of Budapest. - Budapest, 1998. - P. 313-323.
16. Impact of cargo distribution on the vehicle flatback on braking distance in road freight transport / T. Skrucany, J. Vrabel, M. Kendra, P. Kazimir // MATEC Web of Conferences. - 2017. - Vol. 134 : 18th International Scientific Conference - LOGI 2017 (19 Oct. 2017, Czech Republic). doi: 10.1051/matecconf/201713400054
17. Navarrete, J. A. Experimental and theoretical modeling of cargo sloshing during braking / J. A. Navarrete, F. Otremba // ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (Phoenix, Arizona, USA, Nov. 11-17, 2016). - Phoenix, 2016. - Vol. 4B : Dynamics, Vibration, and Control. doi: 10.1115/imece2016-65698
18. Ramos, A. G. A new load balance methodology for container loading problem in road transportation / A. G. Ramos, E. Silva, J. F. Oliveira // European Journal of Operational Research. - 2018. - Vol. 266. - Iss. 3.
- P. 1140-1152. doi: 10.1016/j.ejor.2017.10.050
19. Transit cooperative research program Report 71. Track-Related Research. Vol. 5 : Flange Climb Derailment Criteria and Wheel/Rail Profile Management and Maintenance Guidelines for Transit Operations. - Washington : Transportation Research Board, 2005. - 147 p.
20. Turanov, Kh. Mathematical Modeling of Cargo Motion Crosswise the Wagon under the Action of Plane Force System / Kh. Turanov // Science and Technology. - 2015. - № 5 (1) - P. 5-14. doi: 10.5923/j.scit.20150501.02
А. А. ШВЕЦ1*
'*Каф. «Теоретическая и строительная механика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (050) 214 14 19, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-8469-3902
ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЬНОГО И ПОПЕРЕЧНОГО СМЕЩЕНИЯ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ ГРУЗА В ПОЛУВАГОНАХ НА ИХ ДИНАМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
Цель. Повышение скорости движения железнодорожных экипажей позволяет усилить интеграционные процессы со странами Европы и Азии, однако приводит к необходимости совершенствования контроля, количественной оценки динамической загруженности подвижного состава для соблюдения безопасного и надежного сообщения на железных дорогах. Поэтому в процессе проектирования и эксплуатации подвижного состава количественная оценка динамических нагрузок составляет актуальную научно-техническую задачу. Целью настоящей работы является исследование влияния продольного и поперечного смещения
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, N° 5 (77)
центра тяжести груза в полувагонах при увеличении скорости движения на их основные динамические показатели - коэффициенты горизонтальной и вертикальной динамики, коэффициент устойчивости от схода с рельсов. Методика. За основу исследования взят метод математического и компьютерного моделирования динамической загруженности грузового полувагона с использованием модели пространственных колебаний сцепа пяти вагонов и программного комплекса, разработанного в отраслевой научно-исследовательской лаборатории динамики и прочности подвижного состава (ОНИЛ ДППС) Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна. Теоретические исследования проведены при движении полувагона модели 12-532 с типичными тележками 18-100 со скоростями в диапазоне от 50 до 90 км/ч по кривым с радиусами 350 и 600 м, с повышениями наружного рельса 130 и 120 мм соответственно. Результаты. В статье представлен анализ теоретических исследований динамических качеств подвижного состава на примере полувагонов. Расчеты с использованием пакета прикладных программ проведены с достаточной для практики точностью. В ходе выполнения теоретических исследований и после моделирования с учетом процессов колебания грузового вагона и груза при продольном и поперечном смещении центра его веса в полувагоне получены зависимости основных динамических показателей с учетом скорости движения. Научная новизна. В работе исследовано влияние продольного и поперечного смещения центра тяжести груза на динамическую загруженность вагона с целью решения задачи прогнозирования динамики подвижного состава. Впервые представлены результаты теоретических исследований с учетом скорости движения по кривым участкам пути малого и среднего радиуса. Практическая значимость. Работа имеет практическую направленность. Применение полученных результатов будет способствовать повышению безопасности движения грузовых вагонов и позволит улучшить технико-экономические показатели работы железнодорожного транспорта.
Ключевые слова: груз; полувагоны; динамические показатели; кривые участки пути; продольное и поперечное смещение центра тяжести; скорость движения
A. O. SHVETS1*
'*Dep. «Theoretical and Structural Mechanics», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (050) 214 14 19, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-5537-6617
INFLUENCE OF THE LONGITUDINAL AND TRANSVERSE DISPLACEMENT OF THE CARGO GRAVITY CENTER IN GONDOLA CARS ON THEIR DYNAMIC INDICATORS
Purpose. Increase in the movement speed of railway vehicles makes it possible to strengthen integration processes with the countries of Europe and Asia and leads to the need to improve control, to quantify the dynamic load of rolling stock to ensure safe and reliable communication on the railways. Therefore, in the process of design and operation of rolling stock, the quantitative assessment of dynamic loads constitutes an urgent scientific and technical task. The purpose of this paper is to investigate the effect of longitudinal and transverse displacement of the cargo gravity center in gondola cars during movement speed increase on their main dynamic indicators -the horizontal and vertical dynamics coefficients, the derailment stability coefficient. Methodology. The study was carried out by the method of mathematical and computer simulation of the dynamic loading of freight gondola car using the model of spatial oscillations of the five cars coupling and the software complex developed in the branch research laboratory of dynamics and strength of rolling stock (BRL DSRS) of the Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan. Theoretical studies were carried out during the movement of the 12-532 gondola car model with typical bogies 18-100 with speeds in the range from 50 to 90 km/h in curves with radii of 350 and 600 m, with increases of the outer rail 130 and 120 mm, respectively. Findings. The article presents analysis of the carried out theoretical researches of dynamic qualities of rolling stock using the example of gondola cars. Calculations are performed using the package of applied programs with sufficient accuracy for practice. When performing the theoretical studies and after modeling, taking into account the processes of oscillation of the freight car and cargo at the longitudinal and transverse displacement of its gravity center in the gondola car, the dependences of the main dynamic parameters taking into account the movement speed were obtained. Originality. The article investigates the effect of longitudinal and transverse displacement of the load's gravity center on the dynamic loading of the car in order to solve the problem of forecasting the rolling stock dynamics. The results of theoretical stud-
HayKa Ta nporpec TpaHcnopTy. BicHHK flmnponeTpoBChKoro Ha^oHaahHoro yrnBepcHTeTy 3&m3HHnHoro TpaHcnopTy, 2018, № 5 (77)
ies taking into account the movement speed in curved track sections of small and medium radius. Practical value.
The article has a practical focus. Application of the results will contribute to improving the traffic safety of freight
cars and will improve the technical and economic performance of the railway transport.
Keywords: cargo; gondola cars; dynamic indicators; curved track sections; longitudinal and transverse displacement of the gravity center; gravity center; movement speed
REFERENCES
1. Vagony gruzovye. Trebovaniya k prochnosti i dinamicheskim kachestvam, 54 GOST 33211-2014 (2016). (in Russian)
2. Danovich, V. D., & Malysheva, A. A. (1998). Mathematical Model of Spatial Oscillations of the Coupling of Five Cars Moving Along a Rectilinear Section of the Track. Transport. Stress Loading and Durability of a Rolling Stock, 62-69. Dnepropetrovsk. (in Russian)
3. Vahony vantazhni mahistralnykh zaliznychnykh dorih kolii 1520 mm. Zahalni vymohy shchodo za-bezpechennia zberezhennia pid chas zavantazhuvalno-rozvantazhuvalnykh ta manevrovykh robit, 20 DSTU GOST 22235:2015 (2015). (in Ukrainian)
4. Vahony vantazhni. Vymohy do mitsnosti ta dynamichnykh yakostei, 58 DSTU 33211:2017 (2017). (in Ukrainian)
5. Zbirnyk № 17 Pravyl perevezennia i tarryfv zaliznychnoho transportu Ukrainy. (2005). Kyiv: SAM. (in Ukrainian)
6. Shvets, A. A., Zheleznov, K. I., Akulov, A. S., Zabolotny, A. N., & Chabanyuk, E. V. (2016). Determination the permissible forces in assessing the lift resistant factor of freight cars in trains. Science and Transport Progress, 1(61), 189-192. doi: 10.15802/stp2016/61045 (in Russian)
7. Pravyla vyznachennia pidvyshchennia zovnishnoi reiky i vstanovlennia dopustymykh shvydkostei v kryvykh diliankakh kolii. TsP 02336. (2013). Kyiv: Ukrzaliznytsia. (in Ukrainian)
8. Romanov, A. N., Girevka, F. I., & Zavorotny, D. G. (2007). Opredelenie smeshcheniya tsentra tyazhesti gruza v zheleznodorozhnom vagone. PiKAD: Promyshlennye izmereniya, kontrol, avtomatizatsiya, diagnostika, 3, 34-35. (in Russian)
9. Tekhnicheskie usloviya razmeshcheniya i krepleniya gruzov v vagonakh i konteynerakh. (2003). Moscow: Yurtrans. (in Russian)
10. Shvets, A. O. (2018). Analysis of Design Tools and Methods to Improve Designs of Freight Rolling Stock. Visnyk sertyfikatsii zaliznychnoho transportu, 02(48), 61-73. (in Ukrainian)
11. Shvets, A. O. (2018). Osoblyvosti vyznachennia momentiv inertsii kuzoviv vantazhnykh vahoniv. Visnyk sertyfikatsii zaliznychnoho transportu, 5(51), 20-34. (in Ukrainian)
12. Railway applications. Testing for the acceptance of running characteristics of railway vehicles. Testing of running behavior and stationary tests, 118 BS EN 14363:2005 (2005). (in English)
13. Railway applications. Testing and Simulation for the acceptance of running characteristics of railway vehicles. Running Behavior and stationary tests, 198 BS EN 14363:2016 (2016). (in English)
14. Shvets, A. A., Zhelieznov, K. I., Akulov, A. S., Zabolotnyi, A. N., & Chabaniuk, Ye. V. (2015). Determination of the issue concerning the lift resistance factor of lightweight car. Science and Transport Progress, 6 (60), 134-148. doi: 10.15802/stp2015/57098 (in English)
15. Blokhin, E. P., Pshinko, O. M., Danovich, V. D., & Korotenko, M. L. (1998). Effect of the state of car running gears and railway track on wheel and rail wear. Railway Bogies and Running Gears: Proceedings of the 4th International Conference (pp. 313-323). Budapest. (in English)
16. Skrucany, T., Vrabel, J., Kendra, M., & Kazimir, P. (2017). Impact of cargo distribution on the vehicle fla t-back on braking distance in road freight transport. MATEC Web of Conferences: 18th International Scientific Conference - LOGI 2017 (19 Oct. 2017, Czech Republic), 134. doi: 10.1051/matecconf/201713400054 (in English)
17. Navarrete, J. A., & Otremba, F. (2016). Experimental and theoretical modeling of cargo sloshing during braking. ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (Phoenix, Arizona, USA, Nov. 1117, 2016). Dynamics, Vibration, and Control, 4B. Phoenix. doi: 10.1115/IMECE201665698 (in English)
18. Ramos, A. G., Silva, E., & Oliveira, J. F. (2018). A new load balance methodology for container loading problem in road transportation. European Journal of Operational Research, 226(3), 1140-1152. doi: 10.1016/j.ejor.2017.10.050 (in English)
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 5 (77)
19. Transit cooperative research program Report 71. Track-Related Research. Volume 5: Flange Climb Derailment Criteria and Wheel/Rail Profile Management and Maintenance Guidelines for Transit Operations. (2005). Washington: Transportation Research Board. (in English)
20. Turanov, K. (2015). Mathematical Modeling of Cargo Motion Crosswise the Wagon under the Action of Plane Force System. Science and Technology, 5(1), 5-14. doi: 10.5923/j.scit.20150501.02 (in English)
HagiMmna go pegKoneriï: 11.06.2018 npHHHOTa go gpyKy: 20.09.2018
