Содержание к диссертации
Введение
1... Актуальность использования двухэтажных пассажирских вагонов. обзор истории их возникновения иразвития. цели, задачи и ограничения исследования 9
1.1 Актуальность использования двухэтажных пассажирских вагонов 9
1.2 Обзор истории возникновения и развития конструкций двухэтажных пассажирских вагонов 1.2.1 Обзор зарубежных двухэтажных вагонов 11
1.2.2 Обзор отечественных двухэтажных вагонов 53
1.3 Краткий обзор развития методов прочностных и динамических исследований подвижного состава 67
1.4 Постановка целей, задач и ограничений исследования 74
2... Построение и испытание конечно-элементных моделей кузова двухэтажного пассажирского вагона. анализ полученных результатов 77
2.1 Описание объекта исследования 77
2.2 Построение модели кузова двухэтажного пассажирского вагона методом конечных элементов 81
2.3 Верификация конечно-элементных моделей кузова двухэтажного пассажирского вагона . Выбор рациональной модели 87
2.4 Выводы по разделу 2. 102
3... Динамическая модель двухэтажного пассажирского вагона 104
3.1 Учет массы брутто кузова для конечно-элементной модели 104
3.2 Выбор расчетной схемы кузова по результатам вибрационных испытаний 114
3.3 Разработка динамических моделей двухэтажного вагона с упругим и твердотельным кузовом 117
3.4 Моделирование железнодорожного пути 126
3.5 Выбор динамической модели двухэтажного пассажирского вагона 127
3.6 Выводы по разделу 3 142
4... Анализ результатов натурных испытаний двухэтажного вагона. выбор конструктивных решений его ходовых частей 143
4.1..Обоснование применения и поиск вариантов конструкций стабилизирующих устройств тележки двухэтажного вагона 143
4.2 Разработка вариантов конструкций стабилизирующих устройств тележки 145
4.3 Моделирование испытаний предложенных вариантов 152
4.4 Анализ результатов испытаний 161
4.5 Выводы по разделу 4 164
Заключение 165
Список литературы 1
- Обзор отечественных двухэтажных вагонов
- Верификация конечно-элементных моделей кузова двухэтажного пассажирского вагона
- Разработка динамических моделей двухэтажного вагона с упругим и твердотельным кузовом
- Моделирование испытаний предложенных вариантов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В большинстве развитых стран мира пассажирский железнодорожный транспорт занимает большую часть пассажирских перевозок. Парк пассажирских вагонов помимо одноэтажных составляют вагоны двухэтажные.
В последнее время на железных дорогах России стали появляться новые пассажирские двухэтажные вагоны российского производства. Это событие было приурочено к XXII зимним Олимпийским играм, проводившимся в городе Сочи в 2014 году. К тому же этому появлению, в свою очередь, способствовали кризисные явления в экономике страны. Применение двухэтажных вагонов позволяет повысить вместимость поезда (в отношении одноэтажных вагонов), снизить стоимость билета для пассажира, снизить затраты на перевозку одного пассажира. Но у этих вагонов есть и ряд недостатков (в отношении одноэтажных вагонов): большая стоимость приобретения вагона, большая масса, большие габаритные размеры кузова, большая склонность к боковому наклону.
В ходе разработки ходовых частей для новых вагонов выполнялся ряд испытаний. По результатам проведения динамических поездных испытаний было отмечено неудовлетворительность (по «Нормам …») некоторых динамических параметров, связанных с комфортностью и безопасностью движения новых двухэтажных вагонов. В дальнейшем были предприняты конструктивные решения, позволившие решить проблемы, связанные с безопасностью движения, но остались вопросы в области качества хода и повышения комфортности движения пассажиров этих вагонов.
Степень разработанности проблемы. Степень разработанности тематики не широка, так как вагоны данной конструкции появились на российских железных дорогах сравнительно недавно. Основным вопросом для нового вагона стала разработка кузова отвечающего требованиям «Норм …». Проблема, связанная с передачей продольных нагрузок в металлоконструкции кузова ввиду изогнутой конструкции рамы, была решена путем продления нижней обвязки концевых частей кузова на всю длину понижения кузова. Данное решение утяжелило и без этого не легкую конструкцию. Стремление к уменьшению массы вагона привело к отказу от буферных устройств, что негативно сказалось на динамических показателях вагона, в частности на горизонтальных ускорениях.
В качестве основы ходовых частей для двухэтажного вагона была принята безлюлечная тележка модели 68-4095, применявшаяся для одноэтажных вагонов нового поколения. По результатам расчетов и испытаний было усилено рессорное подвешивание, установлен стабилизатор бокового наклона, что значительно увеличило угловую жесткость подвешивания. Результаты динамических испытаний показали, что вагон удовлетворяет требованиям «Норм …», но по некоторым параметрам возможны улучшения.
Также остается много вопросов для дальнейшего совершенствования отечественных двухэтажных пассажирских вагонов.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и научное обоснование технических решений для обеспечения улучшения качества хода новых отечественных двухэтажных пассажирских вагонов.
Для достижения поставленной цели необходимо решение
следующих задач:
– создать расчетную схему кузова отечественного двухэтажного пассажирского вагона, учитывающую упругие свойства материала его несущих элементов;
– анализ схемы из условий прочности на соответствие натурному образцу путем сравнения полученных напряжений с экспериментальными;
– на основе выполненной ранее схемы разработать модель кузова массой брутто. Оценить жесткостные параметры модели кузова путем моделирования вибрационных испытаний. Полученные результаты сравнить с экспериментом;
– разработать динамическую модель тележки отечественного двухэтажного пассажирского вагона по параметрам приближенную к реальной;
– на основе разработанных ранее моделей кузова брутто и тележки создать гибридную динамическую модель вагона. Путем моделирования динамических испытаний подтвердить соответствие модели объекту исследования;
– выполнить анализ результатов динамических испытаний объекта исследования. Наметить пути совершенствования конструкций ходовых частей отечественного двухэтажного пассажирского вагона и смоделировать нововведения на основе разработанной ранее конструкции тележки;
– смоделировать поездные испытания модели двухэтажного вагона с модернизированными ходовыми частями (на условиях ранее производимых испытаний);
– провести анализ полученных данных и сделать вывод о полезности конструктивных нововведений для ходовых частей отечественных двухэтажных пассажирских вагонов.
Научная новизна. Научная новизна исследований заключается в следующем:
1. Создана подробная компьютерная модель отечественного
пассажирского купейного двухэтажного вагона (61-4465) методом конечных
элементов, позволяющая с достоверной точностью выполнять
математический анализ напряженно-деформированного состояния (в
соответствии с результатами натурных испытаний).
2. Разработан и обоснован уточненный способ учета влияния
распределения массы брутто кузова по его металлоконструкции (при
наличии перегородок купе и служебных помещений) на жесткостные
параметры кузова отечественного двухэтажного пассажирского вагона.
3. Созданы новые конструкции стабилизирующих устройств бокового наклона кузова двухэтажного пассажирского вагона с подбором жесткостных параметров подвешивания его ходовых частей.
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. На этапе проектирования новых пассажирских вагонов может
применяться методика моделирования нагружения несущей
металлоконструкции кузова массой брутто объемными массовыми
элементами с определенными связями в виде стержневых элементов.
Методика подтверждена проектировочными расчетами и динамическими
испытаниями.
2. Разработана математическая модель кузова двухэтажного
пассажирского вагона (61-4465), позволяющая с оптимальной
достоверностью определять уровень напряженно-деформированного
состояния.
3. Создана компьютерная динамическая модель двухэтажного вагона,
позволяющая с приемлемой точностью оценить динамические параметры
двухэтажного вагона.
4. Разработаны новые конструктивные решения стабилизирующих
устройств и подобраны технические параметры ходовых частей. Выполнена
оценка их влияния на динамические параметры вагона, подтверждающая
возможность их применения на практике после дополнительных
(прочностных и т.п.) исследований.
Методология и методы исследования, применяемые в работе.
Теоретическая методология исследования основывается на методах математического моделирования объекта исследования и его частей, с учетом прочностных и динамических параметров. Для этого применяется метод конечно-элементного моделирования (Siemens PLM Software Femap), метод подсистем при моделировании динамики систем тел («Универсальный механизм»).
К практической методологии относятся испытания объекта
исследования (прочностные, динамические).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Создание и оценка на адекватность конечно-элементной модели
кузова двухэтажного пассажирского вагона путем сравнения с
экспериментальными напряжений в наиболее нагруженных зонах.
Предложения по совершенствованию конструкции кузова двухэтажного
пассажирского вагона.
2. Методика создания модели кузова брутто пассажирского вагона с
подтверждением его полезности.
3. Результаты теоретических исследований по обоснованию
конструктивных решений системы стабилизации движения отечественного
пассажирского вагона.
Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается результатами статических и динамических испытаний, проведенными для ОАО «Тверской вагоностроительный завод».
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на научных
конференциях, конкурсах: «Будущее машиностроение России» (МГТУ имени
Н.Э. Баумана, 2010г.), «Достижения молодых ученых в развитии
инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (БГТУ, 2010 г.),
«Будущее машиностроение России», МИКМУС-2010 (Институт
машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Москва, 2010 г.), 53-й научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (МФТИ, 2010 г.), труды «Двенадцатой научно-практической конференции» (МИИТ, 2011), «79-я международная научно-техническая конференция» (Нижний Новгород, 2012) и др.
Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 8 печатных работах. Три статьи опубликованы в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованный ВАК России для публикации научных результатов диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 118 наименований. Общий объем диссертации составляет 178 страниц текста, включает 92 рисунка и 16 таблиц.
Обзор отечественных двухэтажных вагонов
Первые двухэтажные пассажирские вагоны появились достаточно давно, практически, спустя десять лет после того, как появилась первая железная дорога (1825 год) между английскими городами Дарлингтон и Стоктон. Американская железнодорожная компания «Балтимор энд Огайо» стала первой эксплуатировать поезда, составленные из подобных вагонов (рисунок 1.1). Конструкцию двухэтажного вагона предложил в 1833 году немецкий инженер Ф. Лист [1, 2]. Двухъярусный, как и обычный одноэтажный пассажирский вагон того времени, конструктивно походил на карету с железнодорожным ходом, только сверху («на крыше») имелась площадка, прикрытая тентом с восьмиместной, продольной лавкой. Активный рост промышленности в середине 19 века привел к прокладке железных дорог в крупных индустриальных городах. Поезда курсировали по городу и доставляли рабочих на фабрики и заводы. Длинные поезда для города доставляли большие неудобства, вследствие чего, перевозки осуществлялись по принципу максимум пассажиров и минимум удобств. Это давало преимущество двухэтажным вагонам.
С развитием городского железнодорожного транспорта увеличилось количество пассажиров, желающих им воспользоваться. Изменялись конструкции вагонов и локомотивов, улучшались условия поездки, увеличивалась вместительность вагонов, повышалась скорость движения. Для крупных, густонаселенных городов новый вид транспорта был особо актуален, поскольку лошадиная тяга, применявшаяся для перевозки пассажиров и грузов, имела существенные недостатки (в сравнении с железнодорожным транспортом).
Развивался и междугородний железнодорожный транспорт. Таким образом, на железных дорогах Германии появились двухъярусные вагоны угловатой формы, вмещающие на первом этаже тридцать человек с багажом (первый, второй классы), на втором – сорок (третий класс) [2]. Лестница на второй этаж находилась на торцевой стене вагона.
Французская железнодорожная компания «Compagnie des chemins de fer de l Ouest» была основана в 1855 году путем слияния малых компаний, занимавшихся железнодорожными перевозками в Париже, Нормандии, Бретани. В то время поездки на железнодорожном транспорте набирали все большую популярность. С середины 50-х годов 19 века, чтобы справиться с возрастающим пассажиропотоком на железных дорога Парижа и его пригороде, помимо одноэтажных, «Compagnie des chemins de fer de l Ouest» стала использовать двухэтажные вагоны (рисунок 1.2) [2, 3], [7]. С развитием железнодорожной сети и ростом ее загруженности они стали применяться и на междугороднем сообщении. а
Двухэтажный вагон представляли собой двухосный одноэтажный, на крыше которого размещалась надстройка второго этажа без боковых стен с поперечными лавками (рисунок 1.2 а, б). На второй этаж вели две лестницы на торцевых стенах. Вагоны были двух типов: 1) второго (первый этаж) и третьего класса (второй этаж); 2) третьего класса. Эти вагоны получили название «Voitures a imperiale». а) вагон второго и третьего класса; б) вагона третьего класса Рисунок 1.2 – Французские пассажирские двухэтажные вагоны «Voitures a imperiale», выпускавшиеся с 50-х годов 19 века Для повышения устойчивости двухэтажного вагона к опрокидыванию при движении в кривых участках пути высота первого и второго этажей была сделана небольшой – 1,65 м и 1,47 м, соответственно.
По габаритным размерам и таре экипажи первого и второго типов были практически одинаковы: длина по буферам 8,07 м, высота от уровня головок рельсов 4,31 м, ширина по подножкам 3,02 м, тара составляла 8 т (приблизительно).
Основное различие заключалось во вместительности вагонов. Экипаж первого типа вмещал до 76 мест для сидения (40 мест на первом и 36 – на втором этаже). Вагон второго типа – до 86 мест (50 мест на первом и 36 – на втором этаже).
Двухэтажные вагоны осуществляли перевозки регулярно, но места на втором этаже пользовались спросом только в теплое время года. Да и такое путешествие не у всех пассажиров вызывало одобрение, поскольку было не безопасным перемещение по проходу ввиду отсутствия боковых стен и высоких перил. Благодаря большей вместительности цены на билеты были меньше чем на одноярусные вагоны, что и привлекало основную массу пассажиров. Вагоны эксплуатировались до 1931 г.
Впоследствии на их основе стали выпускать двухэтажные вагоны с полностью закрытым, остекленным вторым этажом с центральным проходом. Среди французов они получили прозвище «Bidel» (рисунок 1.3) [3], так как решетки на окнах второго этажа напоминали им клетки зверинца «Bidel», в которых содержались дикие животные. По планировке они также разделялись на типы: 1) второй (первый этаж) и третий класс (второй этаж); 2) третий класс. За счет расширения салона второго этажа увеличилась его вместимость. Было выпущено две серии двухэтажных вагонов: 1) серия 1882, производившихся с 1883 года; 2) серия 1911 – с 1911 по 1924 года. Всего таких вагонов было построено, приблизительно, 1000 единиц.
Верификация конечно-элементных моделей кузова двухэтажного пассажирского вагона
В двухэтажных вагонах размещены места для сидения пассажиров, в одноэтажных – места для инвалидных колясок и их сопровождения, крупногабаритного багажа (велосипеды, коляски и т.п.), а также основное оборудование модуля. Одноэтажные вагоны оснащены туалетами, адаптированными для инвалидов и тамбуром с широкими дверными проемами (1600 мм), обеспечивающими доступ для пассажиров в инвалидных колясках с платформ высотой от 0,5 м до 0,9 м. Ширина двухэтажного вагона 2,99 м, по длине выпускается в двух вариантах: 13,7 м и 15,4 м. Ширина и длина одноэтажного вагона 3,05 м и 10 м соответственно. Высота поезда составляет 4,32 м.
Отсутствие в двухэтажных вагонах тягового оборудования, входных дверей, туалетов создает для пассажиров комфортные температурные и акустические условия. Наличие сквозного беспрепятственного прохода между вагонами облегчает перемещение пассажиров, широкие окна, система видеонаблюдения увеличивает ощущение безопасности.
Поезда выпускаются в разных конфигурациях: от шести до десяти вагонов (от трех до пяти модулей) длиной от 81 м до 135 м. Также они различаются по максимальной скорости движения – 160 км/ч и 200км/ч и компоновки вагона. Пригородные поезда выпускаются в двух версиях: большой вместимости с конфигурацией сидений 2+3 (пять сидений по ширине вагона); большей комфортности с конфигурацией сидений 2+2. Междугородняя версия предполагает конфигурацию 2+1 с большим шагом между кресел, индивидуальные лампы для чтения, электрические розетки, подставки для ног. Максимальная вместительность поезда OMNEO из десяти вагонов 1300 пассажиров. Французские железные дороги SNCF заключили контракт с Bombardier на поставку 860 поездов.
До образования в США единой железнодорожной корпорации «Амтрак» пассажирскими перевозками занимались частные железнодорожные компании. «Амтрак» в настоящее время является монополистом в сфере обслуживания пассажиров железнодорожного транспорта на дальние расстояния и принадлежит правительству США.
Активное развитие промышленности США в 19 веке побудило бурный рост сети железных дорог, протянувшихся от атлантического до тихого океана и то Мексики до Канады. С увеличением грузовых перевозок рос и пассажиропоток. Парк пассажирских вагонов состоял из одно и двухэтажных вагонов. Это продолжалось до начала 1920-х годов. С ростом популярности личного автотранспорта и междугородных автобусных перевозок пассажиропоток железнодорожных компаний начал стремительно уменьшаться. Улучшение качества сервиса в середине 30-х годов частично помогло исправить положение, но доля железнодорожных пассажироперевозок в общем пассажирообороте по-прежнему постепенно уменьшалась.
Временный перелом наступил с началом Второй Мировой Войны. Перемещение войск и ограничение на продажу частным лицам топлива увеличили объем пассажирских перевозок по сравнению с периодом Великой депрессии в 6 раз. Рост спроса на перевозки позволил частным железнодорожным перевозчикам обновить свой парк подвижного состава с устаревших на более новые и комфортные поезда. В это же время появляется первый двухэтажный туристический вагон с цельнометаллическим кузовом (построенным компанией Budd Company) и стеклянным куполом обозрения в качестве второго этажа. Вагон представлен публике и совершает первый рейс в 1945 году в составе поезда Twin Cities Zephyr [13].
В 1947 году компания Pullman совместно с General Motors сделали поезд Train of Tomorrow (Поезд Будущего) из четырех двухэтажных вагонов с панорамными куполами обозрения и запустили в рекламный тур по железным дорогам США и Канады, представляя эти туристические вагоны (Astra Dome) [14, 15] пассажирам и возможным покупателям.
Ввиду большого интереса со стороны пассажиров вагоны данной конструкции впоследствии, были включены в состав известного в США и мире поезда California Zephyr (Калифорния Зефир), запущенного в 1949 году. Двухэтажные туристические вагоны получили название Vista Dome (Купол Обозрения) (рисунок 1.19). Купольный вагон имел несколько исполнений: сидячий вагон, буфетный вагон-салон, вагон-ресторан. Панорамный купол обозрения возвышался над крышей вагона на 0,61 м и вмещал от 24 до 30 пассажиров. Vista Dome имел высоту 4,6 м, ширину 2,8 м и длину 26 м.
Разработка динамических моделей двухэтажного вагона с упругим и твердотельным кузовом
При расчете конструкции на прочность при статическом нагружении используются уравнения типа (2.10). Из их решения определяется вектор узловых смещений, благодаря которым по соотношениям (2.1) определяются перемещения точек тела, а по (2.5) и (2.6) деформации и напряжения.
Опираясь на (2.9) можно получить уравнения движения элемента. Силы инерции qin = — pOj-Aj, по принципу д Аламбера, вводятся в интеграл для узловых сил [31], из чего получается система уравнений {M}{Xj} + {К}Ш = {/}, (2.11) где MtJ- = jv рФ; &jdV - матрица масс элемента; - плотность материала; {А,} - вторая производная по времени вектора узловых перемещений. Аналогично (2.11) принимается и система уравнений движения для всей КЭ схемы. Подобная система уравнений (2.11), при отсутствии внешних сил, используется при расчете собственных колебаний тела (КЭ модели) [62]. Учитывая узловые смещения вида {Х\е формируется уравнение І Cut где Ы частота, t время, [-оу2{М} + {К}]Ш = 0. (2.12) Из условия равенства нулю определителя системы уравнений находятся собственные частоты колебаний системы (о)1г У2,…) и соответствующие им собственные векторы узловых смещений (собственные формы колебаний конструкции) (Я)., где z = 1, 2, ....
Для выбора наиболее рациональной расчетной схемы кузова двухэтажного пассажирского вагона рассматривались два типа расчетной схемы МКЭ: 1) пластинчатая [103] (рисунок 2.3), 2) пластинчато-стержневая (рисунок 2.4).
Критерием выбора расчетной схемы являлось соответствие результатов расчетов КЭ схемы результатам натурных испытаний кузова вагона.
Разработана детализированная пластинчатая конечно-элементная модель кузова вагона (рисунок 2.3), сформированная трех и четырех узловыми пластинчатыми элементами, учитывающими все внутренние силовые факторы и позволяющими моделировать пластины значительной толщины.
Детализированная пластинчатая конечно-элементная модель кузова двухэтажного пассажирского вагона Пластинчатая модель состоит из порядка 7,2104 элементов, объединенных 6,3104 узлами, и имеет 3,8105 степени свободы. При моделировании кузова пластинчато-стержневой схемой МКЭ элементы обшивы представлены тонкослойными пластинами, а подкрепляющие элементы - стержнями, максимально приближенными по своим геометрическим характеристикам к реальным элементам кузова.
В результате детализированная пластинчато-стержневая модель кузова (рисунок 2.4) включает порядка 1105 элементов, объединенных 8104 узлами. Модель обладает 4,8105 степенями свободы. Особое внимание уделено моделированию гофров (трапециевидных и полукруглых). Подкрепление крыши и пола первого этажа имеет полукруглые гофры, которые моделируются набором пластин трапециевидными, инерциальными характеристиками соответствующими реальным. Пластинчато-стержневая конечно-элементная модель кузова двухэтажного пассажирского вагона Подкрепление наружной гладкой обшивы боковой стены, изнутри гофрированной с трапециевидными гофрами, моделировалось набором пластинчатых элементов, по форме и размеру сходными с натуральными.
При создании конечно-элементных моделей характеристики изотропного материала обоих моделей задавались следующими значениями: модуль Юнга Е = 2,1105 МН/м2, модуль сдвига G = 0,808 МН/м2, коэффициент Пуассона = 0,3.
2.3 Верификация конечно-элементных моделей кузова двухэтажного пассажирского вагона. Выбор рациональной модели
Верификация разработанных конечно-элементных моделей кузова двухэтажного пассажирского вагона осуществлена путем сравнения результатов расчета с данными стендовых натурных (прочностных) испытаний, полученных для ОАО «Тверской вагоностроительный завод» [56], [101]. Сравнение производилось по значениям нормальных напряжений.
Закрепление расчетных моделей (рисунок 2.5) выполнено в соответствии с условиями испытаний. В вертикальном направлении кузов закреплен связями на скользунах. В поперечном горизонтальном направлении кузов имеет связи в пятниковых зонах. Горизонтальная продольная связь кузова выполнена в местах расположения задних и передних упоров автосцепки, при сжатии и растяжении соответственно (со стороны нетормозного конца вагона).
При моделировании статических прочностных испытаний к кузову прикладывались следующие нагрузки [26], [101]: 1) сжимающая 2,5 МН – в местах расположения задних упоров автосцепки; 2) растягивающая 1 МН – в местах расположения передних упоров; 3) нагрузка от собственного веса (брутто) кузова – к полу первого (в концевых и средней частей кузова) и второго этажей. Продольные усилия прикладывались со стороны тормозного конца вагона. Вертикальная и продольная нагрузки выполнены сосредоточенными силами (рисунок 2.6). Распределение вертикальной нагрузки от массы брутто кузова составило: - первый этаж 364,8 кН; - второй этаж 214,8 кН. Кузов двухэтажного пассажирского вагона проходил прочностные статические испытания на специальном стенде (рисунок 2.7). На стенде реализовывались нормативные продольные нагрузки растяжения и сжатия. С помощью специальных силовых приспособлений осуществлялось вертикальное (нормативное) нагружение.
Моделирование испытаний предложенных вариантов
Масса модели меньше реальной металлоконструкции кузова. Это связано с тем, что в модели, в целях упрощения, не учитываются различные элементы, не влияющие на картину напряженно-деформированного состояния, кроме тех, к которым непосредственно крепится крупноблочное, тяжеловесное оборудование. К ним относятся: крышки люков крыши вагона; крышка люка аккумуляторного отсека; кронштейны и элементы фиксации оборудования, которое не относится к тяжеловесному, крупноблочному; пятники; розетка, передние и задние упоры автосцепки и т.п.
Связь элементов общей массы осуществлялась в соответствии со схемой, представленной на рисунке 3.4, при помощи специальных стержневых элементов («rigid») [62], [102], [106]. Такой элемент обладает абсолютной жесткостью и позволяет устанавливать степень свободы перемещения одного узла (узлов) относительно другого, которые он соединяет.
На схеме крепления показано расположение и связь объемных элементов по осям X, Y, Z. При создании связей учитывалось расположение перегородок купе и служебных помещений.
Для всех элементов общей массы средней и концевых частей кузова вертикальная связь (Z) выполнена с полом. Но в средней части (на первом и втором этажах) объемные элементы общей массы имеют дополнительные вертикальные связи в зоне среднего ряда. Для первого этажа это связь элементов с межэтажным перекрытием (полом второго этажа), для второго этажа – с дугами крыши.
Для крайних рядов объемных элементов закрепление по оси Y, в концевых частях кузова, осуществлялось к нижней обвязке и продольному профилю стены, на первом этаже – к нижней обвязке и продольному профилю боковой стены, на втором этаже – к продольному профилю боковой стены и верхней обвязке кузова. Объемные элементы среднего ряда всех групп (рисунок 3.4 А-А, Б-Б) не имеют горизонтальных связей (Y) непосредственно с кузовом. Крепление выполнено к объемным элементам крайних рядов.
Связь по оси Х элементов общей массы концевых частей кузова осуществлена с полом, нижней обвязкой для крайних рядов, с полом и элементами крайних рядов для среднего ряда. Связь (Х) элементы средней части кузова выполнена следующим образом. Для первого этажа элементы крайних рядов крепятся к полу, нижней обвязке и продольному профилю боковой стены; элементы среднего ряда – к полу, продольному профилю боковой стены и межэтажному перекрытию (полу второго этажа). Для второго этажа элементы крайних рядов крепятся к полу второго этажа, продольному профилю боковой стены и верхней обвязке; элементы среднего ряда – к полу второго этажа и дугам крыши.
На рисунке 3.4 показано, что объемные элементы не связаны между собой по оси Х, это позволяет исключить их влияние на жесткость кузова в данном направлении.
Все связи элементов общей массы осуществляются, преимущественно, с подкрепляющими элементами кузова. Также связи моделируют влияние жесткостных свойств перегородок купе и служебных помещений на вертикальную жесткость кузова [102].
В целях упрощения моделирования, в первом и втором способе материал всех объемных элементов по своим механическим свойствам (модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона) приближен к стали [62]. Для каждого способа моделирования массы кузова брутто в координатной системе (рисунок 3.1) было определено положение центра тяжести. Полученные результаты сравнены с показателями реального вагона (брутто кузова) и представлены в таблице 3.3 [102]. Таблица 3.3 – Координаты центра тяжести Наименование Координаты центра тяжести, м Х Y Z Первый способ 12,72 1,57 1,72 Второй способ 12,92 1,53 1,85 Третий способ 13,01 1,54 2,19 Реальный вагон 13,02 1,54 2,22 Масса обслуживающего персонала и пассажиров с багажом (полезной нагрузки) учитывалась с условиями ночного режима поездки, т. к. в этом случае их общий центр тяжести выше, чем при дневном режиме [102]. Ночной режим предусматривает, что пассажиры лежат на диванах и полках, а проводник сидит в служебном отделении.
Из таблицы 3 видно, что по сравнению с реальным вагоном, центр тяжести модели кузова брутто, выполненного первым способом, ниже на 0,5 м (Z). Такая разница может значительно сказаться на достоверности результатов динамических испытаний модели вагона [109], [114]. Из всех предложенных способов третий является наиболее приближенным по показателям координатной системы к реальному вагону. Наибольшее отклонение, в данном случае, составляет 0,04 м по оси Z, что в свою очередь, не должно привести к значимым расхождениям динамических параметров модели с результатами поездных испытаний.
К недостаткам и достоинствам третьего способа моделирования можно отнести применение специальных («rigid») связей. Недостатком является абсолютно жесткая связь элементов общей массы между собой и кузовом. К достоинству относится возможность устанавливать степень свободы перемещения одного узла относительно другого, которых «rigid» элемент соединяет. Тем самым, это позволяет регулировать положение центра тяжести кузова, перемещая объемные элементы (в ограниченных пределах).
Выше представленные доводы обосновывают применение третьего способа моделирования массы брутто кузова (рисунок 3.5) для проведения в дальнейшем динамических испытаний модели вагона.