Математическое моделирование работы современных поглощающих аппаратов автосцепки и разработка программного комплекса для расчета их характеристик

Железнодорожный транспорт России является важнейшей структурной составляющей экономики страны. В условиях рынка и постоянного реформирования он нуждается в непрерывном внедрении новых технических решений, которые позволят существенно повысить его конкурентоспособность и эффективность. Последние годы отмечены тенденциями к увеличению нагрузок на ось вагона, масс составов, скоростей движения и интенсивности формирования поездов. Все перечисленные факторы ведут к повышению нагруженное&tradeвагона в продольном направлении.

Одним из путей снижения продольной нагруженпости вагона является совершенствование автосцепного устройства, и в частности — применение современных поглощающих аппаратов.

В 2001 г. специалистами ряда организаций был разработан стандарт ОСТ 32.175−2001 «Аппараты поглощающие автосцепного устройства грузовых вагонов и локомотивов. Общие технические требования», кроме того разработаны и утверждены технические требования «Перспективное автосцепное устройство для грузовых вагонов нового поколения», устанавливающие повышенные требования к поглощающим аппаратам. Это привело к созданию новых конструкций поглощающих аппаратов различных классов, которыми должны оборудоваться вновь строящиеся вагоны. Однако для определения показателей работы аппаратов применение экспериментальных исследований дорогостояще и трудоемко. К тому же эксперимент невозможен для прогнозирования нагруженности при перспективных условиях эксплуатации. Для решения данной прикладной проблемы целесообразно прибегать к разработке математических моделей аппаратов и использованию их при имитационном моделировании условий эксплуатации, заменяя натурные испытания вычислительным экспериментом.

Существует ряд трудов, посвященных математическому моделированию работы поглощающих аппаратов, построению математических моделей вагонов различной степени сложности. Актуальными являются комплексные исследова4 ния в этой области в связи с появлением новых конструкций амортизаторов удара. Требуется разработка и уточнение математических моделей новых и существующих поглощающих аппаратов. Кроме того, нуждается в корректировке методика имитационного моделирования условий эксплуатации вагонов в плане современных тенденций грузовых перевозок. Развитие современной вычислительной техники позволяет использовать эффективные численные методы расчета динамических процессов в поезде.

Таким образом, работы, направленные на построение математических моделей современных амортизаторов удара, адекватно описывающих динамические процессы ударного сжатия, и проведение расчетов характеристик аппаратов являются актуальными.

Целью работы является разработка математических моделей современных поглощающих аппаратов автосцепки и создание программного комплекса для расчета их характеристик, использующего численные методы расчета и анализа динамических процессов.

Выводы по результатам расчетов:

Эффективность применения современных поглощающих аппаратов подтверждается снижением продольных усилий, возникающих в автосцепных устройствах как при маневровых соударения, так и при переходных режимах движения поезда. Расчеты показали, что применение амортизаторов ЭПА-120 и ГП-120А позволяют снизить усилия на 20−30% по сравнению с серийными аппаратами Ш-2-В и ПМК-110.

Расчет критериев эффективности также показал преимущество использования поглощающих аппаратов ПМКЭ-110, ЭПА-120 и ГП-120.

При использовании аппаратов Ш-2-В, ПМК-110 в случаях неблагоприятного сочетания скоростей соударений и масс вагонов могут возникать сверхнормативные продольные силы, приводящие к повреждениям вагонов.

Переходные режимы движения наливного поезда существенно отличаются от аналогичных в сухогрузных поездах как по величине продольных сил, так и по характеру распределения их по длине состава. Переходный процесс в наливном поезде более длительный, чем в сухогрузном составе, а значения наибольших продольных усилий, возникающих в межвагонных соединениях наливных поездов, не превышают соответствующих в сухогрузных поездах и в значительной степени зависят от типа поглощающего аппарата.

5.2 Исследование влияния перспективных поглощающих аппаратов на продольную динамику тяжеловесных поездов.

Высокие продольные усилия при переходных режимах движения, как правило, возникают в тяжеловесных и длинносоставных поездах. Расчеты продольных усилий в тяжеловесных составах, вагоны которых оборудованы новыми поглощающими аппаратами, являются особенно актуальными в связи с увеличением объемов перевозок и тенденциями повышения нагрузок на ось вагона.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями было установлено, что продольные усилия в длинносоставных поездах при неблагоприятных условиях могут достигать опасных значений [18, 44], что приводит к аварийным ситуациям и значительным повреждениям подвижного состава и перевозимого груза.

В работе моделировались режимы пуска в ход и экстренного торможеиия для тяжеловесных составов массой 10 000 т. Рассматривались однородные составы, все вагоны которых оборудовались однотипными поглощающими аппаратамии неоднородные составы, вагоны которых оборудовались аппаратом ПМК-110, а в четырех сечениях (вагоны 20, 46, 69, 87) устанавливались различные перспективные амортизаторы.

Результаты расчета пуска в ход однородных и неоднородных осаженных составов представлены на рисунке 5.17 и 5.18.

Р, кП ——.

0 22 44 66 88 Мвагона.

Рисунок 5.17 Распределение максимальных продольных усилий при пуске в ход однородного осаженного состава массой 10 000 т, вагоны которого оборудованы аппаратами:

—-Ш-2-В— ПМК-110——ПМКП-110———ПМКЭ-110;

———-ЭПА-120- ¦ ¦ -ГП-120А ¦ f fcr^" —— [ !

——. — ¦ - — «- — ¦-=-¦ ——- ————Г.

22 44 66 88 Ж" вагона.

P, liH.

1200 800.

О 22 44 66 88 jV" вагона.

Рисунок 5.18 Распределение продольных сил при пуске в ход неоднородного поезда 10 000 т вагоны 20, 46, 69, 87 оснащены аппаратами: —-ПМКП-110———ПМКЭ-110————ЭПА-120- ¦ ¦ ¦ ГП-120Л.

Анализ расчетных данных показал:

Наименьшие продольные силы возникли в поезде, оснащенном поглощающими аппаратами ПМКЭ-110 и ЭПА-120. В составе с аппаратами LLI-2-В и ПМК-110 усилия наибольшие. Снижение уровня сил при использовании перспективных поглощающих аппаратов достигало 30 — 35%.

— В составах, где устанавливались несколько перспективных поглощающих аппаратов, наблюдалось снижение продольных сил в данных сечениях на 20 -30%. На соседних вагонах силы при этом увеличивались на 3−5%.

Данные, приведенные в работах [66, 83−85], а также опыт, накопленный железными дорогами, предусматривают несколько вариантов размещения локомотивов в тяжеловесных поездах. Рассредоточение локомотивов создает проблему управления ими, но позволяет снизить возникающие продольные усилия. Оценивалось влияние поглощающих аппаратов на уровень продольных сил, возникающих в составах с рассредоточенными локомотивами. Рассматривались случаи, когда локомотивы сосредоточены в голове состава, в голове и хвосте состава, а также в голове и середине состава. Локомотивы включались без запаздывания. иГ уЧ IIT Г I.

Г 1 У [J ь ' 1 i.

22 44 66 88 №> вагона.

Результаты расчета пуска в ход сжатого состава массой 10 000 т с локомотивами, находящимися с голове и середине состава (схема формирования: Локомотив-55 вагонов — локомотив — 55 вагонов (ЛК-55В-ЛЕС-55В)), представлены на рисунке 5.19.

Рисунок 5.19 Распределение максимальных продольных усилий при пуске в ход однородного осаженного состава массой 10 000 т. с распределенными локомотивами, вагоны которого оборудованы аппаратами:—-Ш-2-В— ПМК-110——ПМКП-110;

——-ПМКЭ-110————ЭПА-120- ¦¦ ¦ ГП-120А.

Распределение локомотивов по длине состава снизило уровень продольных сил по сравнению со случаем, когда локомотивы находились в голове состава. Снижение уровня сил составило 20−30% для схемы распределения локомотивов в голове и середине состава и достигало 40% для случая распределения локомотивов в голове и хвосте состава. Однако при трогании составов с распределенными локомотивами возникали также сжимающие усилия, сравнимые по величине с растягивающими. Применение перспективных поглощающих аппаратов позволило снизить максимальные продольные силы на 10−15%. Наименьшие продольные силы возникали в составах, оборудованных поглощающими аппаратами ЭПА-120 и ГП-120А. При пуске составов, сформированных по схеме ЛК+55В+ЛК+55 В, наблюдалось повышение продольных сил с места включения второго локомотива.

На следующем этапе расчетов моделировались режимы экстренного торможения растянутых тяжеловесных составов. Так же, как и в предыдущем случае, исследовались однородные и неоднородные составы. В результате расчетов были получены распределения максимальных сжимающих усилий по длине состава для случая оборудования вагонов различными поглощающими аппаратами (рисунок 5.20). 0.

— 500.

— 1000 -1500 Р, кН.

Рисунок 5.20 Распределение максимальных продольных усилий при ЭТ однородного растянутого состава массой 10 000 т со скорости 22,5 км/ч, вагоны которого оборудованы аппаратами:—-Ш-2-В— ПМК-110——ПМКП-110;

——-ПМКЭ-110————ЭПА-120- ¦ - -ГП-120А.

В однородных составах массой 10 000 т. при торможении наименьшие продольные силы возникли в поезде, оснащенном поглощающими аппаратами ПМКЭ-110 и ЭПА-120. В составе с аппаратами Ш-2-В и ПМК-110 возникли усилия наибольшие, достигшие соответственно уровня 2 МН и 1,7 МН. Снижение уровня сил достигало 25−30%.

На рисунке 5.21 приведено распределение максимальных продольных сил при экстренном торможении состава массой 10 000 т с распределенными локомотивами. Локомотивы находились в голове и середине состава (ЛК+55В+ЛК+55В).

22 44 66 88 Ж> вагона.

L, А л / j ча/.

— 800.

— 1200.

Р, кН I.

V «1.

4 N / j^v^. j ч rv^v /.

Рисунок 5.21 Распределение максимальных продольных усилий при ЭТ однородного растянутого состава массой 10 000 т со скорости 22,5 км/ч с распределенными локомо тивами, вагоны которого оборудованы аппаратами:—-IU-2-B— ПМК -110;

—-ПМКП-110———ПМКЭ-110————ЭПА-120-ГП-120А.

В случае экстренного торможения состава с распределенными локомотивами уровень продольных сил достигал 1600 кН и был ниже, чем при торможении состава с локомотивами, стоящими в голове состава. Характер распределения сил по длине состава стал более равномерным, в отличие от случая, когда локомотивы.

— 500 стояли в голове состава. Наименьшие продольные силы возникли в составах, оснащенных аппаратами ЭПА- -woo 120.

Были также исследованы переходные режимы движения поезда на переломах профиля. При торможении однородного вагона.

— 1500.

Р, кН.

Рисунок 5.22 Распределение максимальных продольных усилий при ЭТ однородного растянутого состава массой 10 000 т со скорости 22,5 км/ч: — на прямой- ——- на спуске состава с головного локомотива на спуске 10 /00 максимальные продольные силы увеличились на 3−7% (рисунок 5.22).

Обобщая результаты расчетов переходных режимов движения тяжеловесных поездов, можно сделать следующие выводы:

Для режима пуска в ход наименьшие продольные силы возникают в составах, вагоны которых оснащены поглощающими аппаратами ГП-120А или ЭПА-120. Снижение уровня сил при использовании перспективных поглощающих аппаратов достигает 25 — 35% по сравнению с серийными. В неоднородных составах, где несколько вагонов оборудовались перспективными поглощающими аппаратами, наблюдается снижение продольных сил в данных сечениях на 20 — 30%. На соседних вагонах силы при этом увеличились па 3−5%.

Для режимов торможения наименьшие продольные силы возникали в поезде, оснащенном поглощающими аппаратами ПМКЭ-110 и ЭПА-120. Снижение уровня сил по сравнению с серийными аппаратами ПМК-110 и Ш-2-В достигает 2530%. В случае торможения состава с локомотивами, установленными в голове и середине состава, уровень продольных сил ниже, чем при торможении состава с локомотивами, стоящими в голове состава. При этом наименьшие продольные силы возникают в составах, вагоны которых оборудованы аппаратами ЭПА-120.

5.3 Оценка энергетической нагруженности поглощающих аппаратов автосцепки с использованием методики имитационного моделирования условий эксплуатации.

Энергетическая нагруженность поглощающего аппарата является важной эксплуатационной характеристикой. Определение количества энергии, воспринятой за определенный период эксплуатации, может быть использовано для оценки ресурса аппарата или вагона в целом. Экспериментальные методы оценки продольных сил и энергетических характеристик в эксплуатации затруднительны и дорогостоящи. Это связано с многообразием расчетных ситуаций при формировании и движении поезда, к тому же эксперимент дорогостоящ и неприменим для оценки энергонагруженности разрабатываемых амортизаторов удара.

В работе задача определения энергетической нагруженности поглощающих аппаратов решалась при помощи имитационного моделирования наиболее значимых режимов эксплуатации. Для расчетов энергетической нагруженности использовались математические модели серийных фрикционных поглощающих аппаратов Ш-2-В и ПМК-110, фрикционно-эластомерного аппарата ПМКЭ-110, фрикционно-полимерного аппарата ПМКП-110, гидрополимерного аппарата ГП-120А и эластомерного аппарата ЭПА-120.

В расчетах использовалась двухмассовая модель вагона, учитывающая упруговязкие свойства вагона. При моделировании рассматривались следующие расчетные ситуации: соударения вагонов при формировании поезда, пуск поезда, полное служебное торможение, экстренное торможение. Статистические характеристики повторяемости ситуаций базируются на литературных данных [9, 20, 37, 122]. Общее число соударений вагона за год эксплуатации па сортировочных горках принято равным 437 [71]. Было учтено, что на сортировочных горках вагон нагружается дважды — как набегающий и как ударяемый. Общее число пагружений грузового вагона при переходных режимах движения поезда за год по данным [37, 72]: пуск поезда — 4500, полное служебное торможение — 4218, экстренное торможение — 19.

Алгоритм определения энергонагруженнсоти одного поглощающего аппарата представлен на рисунке 5.23: для каждого амортизатора моделировалось 20 маневровых ситуаций, 4 режима пуска в ход и 20 режимов торможений на основе статистических распределений, представленных таблицами 3.4 — 3.6. С учетом статистических распределений масс вагонов были сформированы составы массой 2700 т и 5000 т. Поезда массой 6400 т и 8000 т считались однородными. При пуске в ход поезд считался осаженным, а при торможении зазор в межвагонной связи принимался случайным. Вагоны оснащались различными типами серийных поглощающих аппаратов (Ш-2-В, ПМК-110). В расчетах принималось, что торможение осуществляется с головы поезда. Динамические силовые характеристики для вагонов, оснащенных исследуемыми поглощающими аппаратами, регистрировались в четырех сечениях поезда. Для этих вагонов рассчитывалась энергия, воспринятая аппаратом, а затем усреднялась.

Рисунок 5.23. Алгоритм расчета эпергонагруженности амортизатора в эксплуатации Количество воспринятой энергии для поездных режимов представлено в таблицах 5.6 — 5.7.

Заключение

.

В настоящей работе решена актуальная научно-практическая задача, связанная с разработкой адекватных математических моделей современных амортизаторов удара, методики имитационного моделирования условий эксплуатации вагона и созданием программного комплекса для расчета задач продольной динамики. С использованием программного комплекса проведено комплексное исследование прикладных проблем оценки характеристик современных поглощающих аппаратов на различных типах грузовых вагонов.

1. Проведен анализ работ, посвященных моделированию продольной динамики поезда и созданию математических моделей поглощающих аппаратов, рассмотрены существующие программные пакеты для расчетов динамических процессов в поезде. На основе проведенных исследований сформулированы цель и задачи работы.

2. Проанализированы общие подходы к созданию математических моделей поглощающих аппаратов и идентификации их параметров. На основе описания реальных физических процессов ударного сжатия новых эластомерных и полимерных материалов с учетом экспериментальных данных разработана математическая модель нового гидрополимерного поглощающего аппарата ГП-120А, а также уточнены математические модели других аппаратов (ПМКП-110, ПМКЭ-110, ЭПА-120).

3. Разработана методика имитационного моделирования условий эксплуатации вагона, включающая описание маневровых операций, переходных режимов движения поезда, движение на переломах, расчета коэффициентов запаса устойчивости вагона от выжимания, и использующая адекватные математические модели аппаратов и вагонов. Основываясь на данных ОАО «РЖД» о структуре перевозимых грузов, парке вагонов, уровню их загрузки разработан алгоритм и построено статистическое распределение масс грузовых вагонов РФ. Полученное статистическое распределение, а также распределения скоростей соударения и движения, масс составов использованы для расчетной оценки продольной нагруженности вагонов в эксплуатации.

4. Разработан проблемно-ориентированный программный комплекс для расчетов маневровых соударений вагонов и переходных режимов движения поезда, включающий математические модели поглощающих аппаратов и вагонов, а также описание внешних сил. Достоверность работы подтверждается решением тестовых задач, имеющих аналитическое решение, а также сопоставлением данных натурного и вычислительного экспериментов. Математические модели адекватно описывают работы поглощающих аппаратов: погрешность по максимальной силе составляет 5−10%, а погрешность по ходу аппарата находится в пределах 1−5%.

5. С использованием разработанного программного комплекса проведен расчет характеристик современных поглощающих аппаратов на различных типах грузовых вагонов.

Рассчитаны динамические характеристики аппаратов в наливных поездах. Исследованы режимы маневровых соударений, пуска и торможений составов различной массы. Применение перспективных поглощающих аппаратов ЭПА-120 и ГП-120А позволяет снизить уровень сил на 25−30% по сравнению с серийными Ш-2-В и ПМК-110.

Исследовано влияние перспективных поглощающих аппаратов на продольную динамику тяжеловесных поездов. Для режима пуска в ход наименьшие продольные силы возникают в составах, вагоны которых оснащены поглощающими аппаратами ГП-120 или ЭПА-120, а для режимов торможения — в составах, вагонных которых оборудованы аппаратами ПМКЭ-110 и ЭПА-120. Снижение уровня сил при использовании перспективных поглощающих аппаратов достигает 25 — 35% по сравнению с серийными. При моделировании режимов экстренного торможения тяжеловесного поезда, в сечениях которого находились порожние вагоны, было установлено, что возможно их выжимание в случае применения серийных поглощающих аппаратов. При оснащении вагонов аппаратами ПМКЭ-110 и ЭПА-120 случаев выжимания не зарегистрировано, коэффициенты запаса устойчивости в среднем на 20% выше, чем для вагонов, оснащенных серийными аппаратами.

6. С использованием методики имитационного моделирования условий эксплуатации определена энергетическая нагруженность поглощающих аппаратов. Получено общее количество энергии, которую воспринимают различные амортизаторы удара за год. Расчетные данные об энергетической нагруженности поглощающих аппаратов могут использоваться для оценки ресурса амортизаторов и корректировки методик проведения испытаний.

7. Разработанные математические модели и методики расчетов, реализованные в программном комплексе, рекомендуется использовать при решении широкого спектра задач продольной динамики. Сравнительный анализ применения различных поглощающих аппаратов автосцепки позволяет обосновать целесообразность использования поглощающих аппаратов для вновь проектируемых вагонов.

8. Разработанный программный комплекс позволяют проводить различные виды расчетов при проектировании конструкций амортизаторов удара. Результаты исследований использованы при разработке гидрополимерного и фрикционпо-полимерного поглощающего аппарата с объемным распором (подана заявка на изобретение № 2 008 139 710 приоритет от 06.10.2008).

Материалы исследований использованы при проведении НИОКР по государственному контракту № 4361р/6551, заключенном с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, и договорам с рядом промышленных предприятий: ООО «ПК «Бежицкий сталелитейный завод», ЗАО «Термотрон-завод», ОАО «Ливгидромаш», а также при подготовке работ, отмеченных следующими наградами: дипломом победителя конкурса Брянской области на лучшую научную работу ученых по естественным, техническим и гуманитарным наукам «Наука области — Брянщине (2008)», дипломом за активное участие в 5 международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» в г. Санкт-Петербурге.