Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования 7
1.1. Обеспечение безопасности пассажиров в железнодорожных вагонах 7
1.2. Актуальность проблемы 9
1.3. Краткий обзор исследований в области динамики вагонов 13
1.4. Анализ существующих расчетных схем соударений вагонов и методы их решения 17
1.5. Постановка цели и задач исследования 22
2. Разработка динамической модели вагона 24
2.1. Выбор объекта исследования и его описание 24
2.2. Описание модели тележки 30
2.3. Модель тормозной системы тележки 35
2.4. Модель автосцепного оборудования 36
2.5. Описание модели буферных устройств 44
2.6. Описание модели кузова 46
2.7. Особенности сборки динамической модели пассажирского вагона 48
2.8. Особенности формирования сцепов пассажирских вагонов 50
2.9. Верификация разработанных моделей 51
3. Исследование аварийных соударений пассажирских вагонов 55
3.1. Моделирование аварийных соударений 55
3.2. Соударения двух одинаковых вагонов 56
3.3. Соударения вагона- бойка с вагоном в сцепе с вагоном-упором 62
3.4. Соударение вагона - бойка со сцепом, состоящим из нескольких вагонов с суммарной массой вагона - упора 63
3.5. Соударение состава пассажирского поезда с неподвижным упором...65
3.6. Соударение пассажирского поезда со свободно стоящим препятствием на рельсовом пути 72
4. Оценка возможности использования пассивных средств защиты в конструкции отечественных пассажирских вагонов 75
4.1. Системы пассивной защиты пассажирских вагонов 75
4.2. Конструктивные особенности ударно-тяговых устройств отечественных пассажирских вагонов 83
4.3. Модель подвижного заднего упора 86
4.4. Анализ влияния устройств пассивной защиты на аварийную нагруженность пассажирского вагона 90
Основные результаты работы и выводы 95
Список литературы 99
Приложения 110
- Анализ существующих расчетных схем соударений вагонов и методы их решения
- Особенности сборки динамической модели пассажирского вагона
- Соударение вагона - бойка со сцепом, состоящим из нескольких вагонов с суммарной массой вагона - упора
- Конструктивные особенности ударно-тяговых устройств отечественных пассажирских вагонов
Введение к работе
Системные преимущества железнодорожного транспорта позволяют обеспечивать высокий уровень безопасности движения на базе использования активных средств защиты (предотвращение столкновений). Если на автомобильных дорогах Германии ежегодно гибнут около 5000 человек, пользующиеся личным автотранспортом, в России около 8000, то на железной дороге уровень такого риска значительно ниже.
Аварии на железной дороге часто являются следствием ошибочных действий человека и ввиду необычности привлекают повышенное внимание общественности и средств информации. Почти всегда они связаны со значительными негативными последствиями и отрицательно сказываются на имидже железных дорог. В связи с этим основной целью является исключение возможности столкновения поездов за счет постоянного повышения безопасности на базе использования активных средств защиты. Вместе с тем и пассивные средства являются существенной частью политики в области безопасности движения. В случае столкновения поездов пассивные средства должны минимизировать риск для пассажиров и персонала, а так же объем затрат, необходимый для устранения последствий.
В настоящее время активно развиваются программные комплексы, предназначенные для исследования динамики рельсовых экипажей. Широкие возможности для моделирования пространственных колебаний вагонов при движении по рельсовому пути, а так же в аварийных ситуациях дает программный комплекс «Универсальный механизм», разработанный на кафедре «Прикладная механика» Брянского государственного технического университета под руководством профессора Д.Ю. Погорелова.
Экспериментальные исследования прочности кузовов пассажирских вагонов от действия аварийных нагрузок не всегда возможны, что связано со значительными затратами на их проведение. При этом многообразие
5 возможных вариантов аварийных ситуаций затрудняет создание подробного методического обеспечения проведения экспериментов.
Прогнозирование аварийной нагруженности пассажирских вагонов позволяет на стадии проектирования оценить ряд конструктивных решений и выбрать оптимальные с точки зрения прочности кузовов вагонов, провести ряд численных экспериментов без крупных капитальных вложений.
Обеспечение достаточной прочности кузовов приводит к снижению затрат на ремонтно-восстановительные работы вагонов после аварии, к уменьшению связанных с ними простоями, а так же повышению безопасности пассажиров.
В диссертационной работе в качестве объекта исследования принят скоростной пассажирский вагон модели 61-4170, имеющий максимальную конструктивную скорость движения 200 км/ч, производства ОАО «Тверской вагоностроительный завод». Моделирование аварийных соударений пассажирских вагонов и поездов проведены в среде программного комплекса «Универсальный механизм». Разработаны методики построения виртуальных моделей элементов вагонов, оказывающих существенное влияние на нагруженность вагонов в аварийных ситуациях. Определены основные принципы моделирования аварийных ситуаций.
В первой главе рассмотрены существующие исследования динамики и методики анализа нагруженности различных рельсовых экипажей. Показаны достоинства и недостатки некоторых методов исследования продольных соударений вагонов, выбраны наиболее эффективные методы. В заключении сформулированы цель и основные задачи исследования.
Во второй главе дано описание объекта исследования, основные технические характеристики, необходимые для построения математических моделей. Приведено описание разрабатываемых динамических моделей узлов пассажирских вагонов, методов их построения и взаимосвязи между
*
собой. Дано исчерпывающее обоснование построенных моделей рельсовых экипажей.
Третья глава посвящена исследованию аварийной нагруженности пассажирских вагонов при продольных соударениях в различных ситуациях, в том числе происходящих в реальных условиях эксплуатации.
В четвертой главе приведено описание современных средств пассивной защиты зарубежных вагонов при продольных соударениях. Предложен вариант применения средств пассивной защиты в конструкции отечественных пассажирских вагонов, имеющих стандартные ударно тяговые устройства. Проведено расчетное обоснование эффективности применения таких средств в конструкциях пассажирских вагонов.
Верификация результатов исследования выполнена с использованием натурных испытаний, проведенных в ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения».
і 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Анализ существующих расчетных схем соударений вагонов и методы их решения
Потребности в динамических расчетах при проектировании транспортных средств привели к созданию прикладных теорий колебаний, как в нашей стране, так и за рубежом.
Теория линейных колебаний приобрела завершенный вид [8, 9], что связано с созданием в математике теории линейных дифференциальных уравнений [10, 11]. Теория нелинейных колебаний не имеет общих подходов для анализа, так как связана с математическими проблемами исследования нелинейных дифференциальных уравнений. С введением в практику исследований электронных вычислительных машин круг задач нелинейной динамики железнодорожного подвижного состава значительно расширился.
В настоящее время, при наличии мощных компьютерных средств может быть поставлена и решена самая общая задача о нелинейных колебаниях вагона при движении, как в прямых, так и в криволинейных участках пути. К программным комплексам, позволяющим моделировать подобный подход, можно отнести программу ADAMS/Rail, фирмы MSC [12], а также программу «Универсальный механизм»[13], разработанную на кафедре «Прикладная механика» Брянского государственного технического университета под руководством профессора Д.Ю. Погорелова. Математические модели, используемые в исследованиях, обычно подразделяются на статистические и детерминированные.
Статистические модели подразумевают случайное возмущение и случайные параметры. Эти случайные функции выбирают в соответствии с заданными законами распределения. Математический аппарат теории случайных функций позволяет по известным спектральным плотностям возмущений определять функции спектральных плотностей выходных динамических процессов. При этом, используемые в данном математическом аппарате преобразования Лапласа и Фурье, предполагают линейность дифференциальных уравнений модели. Для исследования нелинейных колебаний вагонов часто используют методы статистической или гармонической линеаризации. Такие подходы к изучению случайных колебаний вагонов были использованы Л.О.Грачевой [14], В.Ф.Ушкаловым [15], А.Н.Савоськиным [16], И.В .Бирюковым [17], Г.П. Бурчаком, Л.В, Винником, В.Л. Гончаруком [18], А.Э Павлюковым, А.В. Смольяниновым [19], Ю.П. Бороненко, А.П. Орловой [20] и другими.
Детерминированные модели подразумевают известные аналитические функции внешнего возмущения и известные значения параметров или заданные функции их изменения во времени. Детерминированные модели использовались в исследованиях СВ. Вертинского [21, 22], В.Д. Хусидова, М.М. Соколова [23], СВ. Мямлина [24], В.П. Вороновича [25], В.Н.Данилова [26], В.А. Лазаряна [27], Г.И. Петрова [28], и многих других ученых.
Использование детерминированных или случайных моделей не исключает одна другую. Их применение диктуется поставленной задачей.
Описание колебаний вагонов может быть осуществлено либо в одной из плоскостей симметрии, либо в трехмерном пространстве. В соответствии с этим, модели, используемые в исследованиях, подразделяются на "плоские" и "пространственные". Пространственные модели, как правило, дают более детальную картину динамических процессов колебаний вагонов.
В разрабатываемых математических моделях упругие и инерционные свойства железнодорожного пути представляют по-разному. Например, полагают, что каждое колесо экипажа имеет дополнительное подрессорива-ние (упруго-вязкий путь) [26], между колесом и основанием железнодорожного пути вводят дополнительную подрессоренную массу, изображающую приведенную к колесу массу верхнего строения пути [29], рассматривают колесо и рельс как массу, движущуюся по бесконечной балке на сплошном упругом основании [30]. Многие исследователи разрабатывали математические модели экипажей, в которых кузов и рамы тележек представлены упругими телами, чаще всего балками с эквивалентной изгибной жесткостью [30, 31]. В основном такие модели предназначались для оценки динамического нагружения кузова с последующим анализом напряжений в его элементах [31].
Большой вклад в развитие теоретических и экспериментальных исследований динамики вагонов внес А.А. Попов, выполнивший фундаментальные исследования по теории колебаний вагонов и изложивший основы теории свободных и вынужденных колебаний вагона с учетом трения в рессорном подвешивании, исследования колебаний вагонов в системе поезда, движущегося по упругому рельсовому пути, а также исследование явления резонанса при колебаниях вагона под действием периодических неровностей [32].
М.В. Винокуров, подробно исследовавший собственные и вынужденные колебания двухосного и четырехосного грузового и пассажирского вагонов, рекомендовал целесообразные соотношения жесткостей ступеней рессорного подвешивания, степени демпфирования колебаний силами трения. Он установил соотношение между базой вагона и радиусом инерции кузова, определил положение метацентра вагона, при котором обеспечивается устойчивость, рекомендовал рациональные параметры люлечного устройства, оценил влияние нелинейного рессорного подвешивания на плавность хода вагона, определил длину волны извилистого движения колесных пар по рельсам и значение критической скорости при колебаниях виляния ваго-нов[33].
В.Ф. Ушкалов, рассматривал задачи статистической динамики с учетом конечной жесткости элементов надрессорного строения и предложил методику прогнозирования динамических напряжений в конкретных конструкциях вагонов [15].
Особенности сборки динамической модели пассажирского вагона
В схеме кузов представлен тремя абсолютно твердыми телами, связанными упруго-диссипативной связью; модель кузова реализована в комплексе «Универсальный механизм».
Особенностью модели является то, что кузов обладает упругостью только в продольном направлении. Эта особенность реализуется следующим образом. Средней части кузова задается шесть степеней свободы, а консольным частям -по одной относительно средней в продольном направлении. Таким образом, общее число степеней свободы кузова равно восьми. Элементы кузова связаны между собой биполярной силой, силовая характеристика которой задается в файле управления моделью. Такой подход позволяет уйти от ограниченного количества силовых элементов, реализованных в стандартной поставке комплекса, и запрограммировать любую аналитическую зависимость, описывающую динамическую жесткость вагона при соударениях. Одним из наиболее простых решений задания продольной жесткости может служить следующее выражение где с — динамическая жесткость вагона, г, г0 — текущая длина элемента и его длина в положении равновесия (половина длины кузова), d — коэффициент диссипации, Ду — относительная скорость.
Для вычисления продольной жесткости сварной несущей конструкции кузова вагона разработана упруго-диссипативная пластинчато-стержневая конечно-элементная (КЭ) модель (рис. 2.18).
Формирование КЭ модели проводилось на основании геометрической модели, разработка которой производилась в среде графического ядра моделирования FEMAP 8.0 [101] конечно-элементного комплекса MSC Nastran for Windows 2001 [104].
Учет внутреннего трения в конструкции осуществляется по гипотезе Фойгта [102]. При моделировании динамики колебаний несущей конструкции совокупность действующих диссипативных сил заменяется эквивалентным вязким демпфированием, определяемым из равенства работ данных сил и сил вязкого сопротивления за период колебаний. Определение коэффициента эквивалентного вязкого демпфирования производится на основе коэффициента конструкционного демпфирования, обусловленного работой сил внутреннего трения. Преобразование конструкционного демпфирования в эквивалентное вязкое производится по первой частоте собственных изгибных колебаний конструкции. Коэффициент конструкционного демпфирования при расчетах принимался равным 10% от критического.
Расчет КЭ модели кузова проводился методом непосредственного интегрирования уравнений узловых перемещений, реализованным в программном комплексе MSC Nastran for Windows 2001. В результате проведенных численных экспериментов определена средняя продольная жесткость кузова.
Метод подсистем, реализованный в комплексе, позволяет создавать сложные динамические модели на базе более простых. Для создания полной модели вагона применяется метод «включенных подсистем». С помощью этого метода модель кузова дополняется моделями буферных устройств и ударно-тяговыми механизмами без каких-либо изменений. Тележки так же введены в виде включенных подсистем. Опирание кузова на тележки через скользуны реализуется с помощью силовых контактных элементов типа «точки - плоскость». При моделировании шкворневого узла предполагается отсутствие зазоров в соединении кузова с тележкой в горизонтальной плоскости. Иными словами силы в горизонтальной плоскости от шкворневой балки кузова жестко передаются надрессорной балке. При таком решении надрессорной балке задается четыре степени свободы относительно кузова, отсутствует возможность свободного поступательного перемещения надрессорной балки в горизонтальной плоскости. Для более полного описания модели шкворневого замка вводятся контактные силы, ограничивающие свободные перемещения надрессорной балки относительно кузова в вертикальном направлении. В предложенной схеме соединения тележки с кузовом возможность разрушения замкового шкворня исключена, считается, что при любых обстоятельствах тележка не отделяется от кузова вагона. Разработанная модель пассажирского вагона имеет 108 степеней свободы, полностью параметризована и может быть дополнена элементами подвагонного оборудования.
Формирование модели пассажирского поезда осуществлялось с использованием технологии внешних подсистем. В качестве внешней подсистемы использована модель локомотива, разработанная на кафедре «Прикладная механика» БГТУ. Модель дополнена ударно — тяговым оборудованием (см. п. 2.4) с некоторыми изменениями, в качестве силового элемента, моделирующего поглощающий аппарат, применен биполярный элемент типа «Автосцепка», входящий в стандартный набор силовых элементов комплекса. Формирование поезда осуществляется с помощью контактных сил, вводимых между буферами двух смежных вагонов и в контуре зацепления. При этом использование контактных сил позволяет обеспечить наличие сил трения между тарелями буферных устройств смежных вагонов.
Соударение вагона - бойка со сцепом, состоящим из нескольких вагонов с суммарной массой вагона - упора
Полученные результаты показывают, что в аварийной ситуации локомотив подвергается действию ударных сил, превышающих нормативные, при этом на вагоны передается значительно меньшая нагрузка. Продольные силы на исследуемый вагон в диапазоне скоростей соударения до 30 км/ч не превышает 2,5 МН. Однако, проведенные численные эксперименты показывают, что после удара головкой автосцепки об кузов полуприцепа, автофургон отбрасывает на некоторое расстояние от локомотива. После чего поезд настигает его и происходит повторный удар, при этом чаще всего наблюдалась ситуация, когда повторный удар происходит не головкой автосцепки, а кузовом локомотива и сила удара, хотя он и происходит на меньшей скорости, превышает первый. Отмечено, что в большинстве случаев повторное ударное взаимодействие происходило между кузовом локомотива и полуприцепом автофургона. В зависимости от положения автофургона после первого удара, возможна ситуация, когда тягач разворачивает на некоторый угол относительно оси пути и происходит удар в боковую поверхность кузова локомотива. Такая ситуация практически всегда приводит к сходу локомотива с рельсов.
К наиболее распространенным системам пассивной защиты от аварийных ударных нагрузок можно отнести поглощающие аппараты ударно-тяговых механизмов и буферные устройства. Поглощающие аппараты предназначены для рассеивания части энергии удара, уменьшая продольные растягивающие и сжимающие усилия, передающиеся на раму кузова через автосцепку. Принцип их действия основан на возникновении в аппарате сил сопротивления и преобразования кинетической энергии соударяющихся масс в другие виды энергии. С ростом скоростей движения поездов только одни поглощающие аппараты не способны в достаточной мере поглощать энергию удара в случае аварии. В связи с этим ведутся разработки дополнительных средств защиты вагонов.
К одним из ранних конструкций, предназначенных для снижения величины ударных взаимодействий, можно отнести конструкции вагонов с плавающей хребтовой балкой. Подвижная хребтовая балка (рис. 4) размещается по продольной оси вагона и связана с рамой кузова амортизирующим устройством. Сцепные устройства размещены по концам хребтовой балки и, как правило, включают в себя стандартные поглощающие аппараты. В зависимости от конструкции и типа вагона, характеристики перевозимого груза центральные амортизирующие устройства могут иметь максимальный ход 178, 254, 305, 457, 508, 610, и 762 мм. Принцип работы таких устройств заключается в следующем. Хребтовая балка относительно рамы может упруго перемещаться вдоль оси вагона на величину хода амортизирующего устройства, что позволяет воспринимать и гасить большую энергию удара и обеспечивает сравнительно небольшие продольные силы, передаваемые на кузов.
Недостатком такой конструкции является высокая стоимость изготовле ния подвижной хребтовой балки.
Одним из перспективных направлений создания пассивных средств защиты можно считать вариант использования специальных устройств, разрушающихся в процессе восприятия ударных нагрузок и устанавливаемых последовательно с буферными устройствами (рис. 4.2) на раме вагона [110]. (1-буферное устройство, 2-разрушаемый элемент, 3-рама) Применение дополнительных устройств позволяет поглощать часть энергии за счет энергии деформации разрушаемого элемента. Для обоснования применения дополнительных устройств в работе [ПО] были проведены расчеты на столкновения двух локомотивов массой 90 т, движущихся навстречу друг другу с разными скоростями. В результате расчетов установлено, что уже при движении локомотивов со скоростью 5 км/ч напряжения в раме достигают предела текучести. Данное обстоятельство обусловило необходимость применения дополнительных элементов в конструкции рамы локомотивов, позволяющих повысить живучесть несущей системы. Проведенные эксперименты показали, что наиболее энергоемкими являются
цилиндрические оболочки. В дальнейших расчетах были приняты оболочки с длинной 800 мм и диаметром 300 мм, толщина стенки 6 мм (рис. 4.3). Приведенные размеры обусловлены требованиями UIC о поглощении энергии в 0,5 МДж для элементов, воспринимающих аварийные нагрузки. (а - недеформироеанное состояние, б - деформированное состояние) Численные эксперименты на соударения вагона, оборудованного таким устройством показали, что при соударении на скоростях до 10 км/ч с неподвижным жестким упором энергия удара полностью поглощается.
Оригинальные технические решения предложены для высокоскоростного поезда DUPLEX национального общества железных дорог Франции (SNCF), электропоезда серии480 и 481/482 городской железной дороги Берлина, мотор-вагонного поезда ЕТ 2000 фирмы DWA, электровоза Euro Sprinter 152, поезда ETR460 [111, 112]. Это конструкция буферного устройства, совмещенного с разрушаемым элементом (рис. 4.6).
Конструктивные особенности ударно-тяговых устройств отечественных пассажирских вагонов
Одним из основных условий эффективного использования средств пассивной защиты является использование всего пространства между двумя смежными вагонами. Однако, вследствие особенности работы автосцепных устройств отечественных пассажирских вагонов, использование всего пространства затруднено. Особенностью автосцепного устройства является то, что в зависимости от величины сжимающей силы возможны различные варианты передачи нагрузки на кузов. При действии сжимающих сил, не превышающих максимальной упругой силы поглощающего аппарата, нагрузка передается от автосцепки через упругие элементы поглощающего аппарата задним упорам хребтовой балки. С ростом сжимающих сил происходит закрытие поглощающего аппарата, и нагрузка жестко передается по той же схеме. При дальнейшем увеличении сжимающих сил возможна передача нагрузки от головки автосцепки ударной розетке.
В случае сохранения традиционной схемы применение средств пассивной защиты практически не возможно, так как для пассажирских вагонов в Нормах [1] приведены четкие требования к ходу поглощающих аппаратов и упругому максимальному усилию при сжатии аппарата.
Для возможности использования элементов пассивной защиты в конструкциях отечественных пассажирских вагонов необходимо максимально увеличить упругий ход головки автосцепки, при этом требования Норм не должны быть нарушены. В соответствии с описанной выше схемой передачи аварийных нагрузок необходимо: первое - увеличить зазор между головкой автосцепки и ударной розеткой; второе - обеспечить пространство для размещения поглощающего аппарата при увеличенном ходе автосцепки.
Первая задача может быть успешно решена путем использования автосцепок, применяемых на специальных вагонах с повышенным ходом поглощающего аппарата. Для решения второй проблемы предлагается применить задние подвижные упоры.
Конструкция подвижных задних упоров предполагает крепление их к хребтовой балке на болтовое или заклепочное соединение с обеспечением заданной силы трения между боковыми поверхностями упоров и стенками хребтовой балки. Отверстия в стенках хребтовой балки должны иметь овальную форму для обеспечения возможности регулировки положения упоров на хребтовой балке и возможность его сдвига в направлении середины вагона на некоторую величину при действии аварийных сил высокой величины. Помимо сохранности поглощающих аппаратов в работоспособном состоянии при аварийных соударениях, при перемещении задних упоров, между ними и стенками хребтовой балки будет возникать сила трения, направленная на поглощение энергии удара. На рис. 4.11 показана схема размещения автосцепного и буферных устройств на вагоне с увеличенным зазором между розеткой и головкой автосцепки, а так же с указанием минимальной величины смещения задних упоров.
Можно отметить, что возможны различные варианты монтажа упоров на хребтовой балке. При этом в качестве одного из вариантов может быть использована система самоустанавливающихся упоров в заданное положение. Для этого последовательно с упором необходимо установить пружину, восстанавливающая сила которой превышает силу трения между стенками хребтовой балки и задними упорами и величину начальной затяжки поглощающего аппарата в положении равновесия. Вторым и более эффективным вариантом можно считать использование сминаемых элементов устанавливаемых последовательно с задними упорами. Использование таких элементов позволяет получить силовую характеристику, не зависящую от величины деформации. Применение предложенной схемы позволит использовать дополнительное пространство для размещения средств пассивной защиты.
Кроме того, сегодня ведутся разработки новых конструкций автосцепок, которые могут способствовать размещению элементов пассивной защиты. К примеру, Тверским вагоностроительным заводом для магистральных пассажирских вагонов локомотивной тяги предложен вариант беззазорного сцепного устройства (рис. 4.12) [114].
Отличительной особенностью этого автосцепного устройства является его установка в соответствии с ГОСТ 3475-81, при этом рама вагона может выполняться идентичной для всех вариантов автосцепного устройства. При необходимости это устройство может быть заменено на типовое автосцепное устройство СА-3 в условиях вагоностроительного или вагоноремонтного предприятия.
Использование в качестве элементов сцепления нетиповых головок автосцепок может позволить свободное перемещение всей автосцепки внутри хребтовой балки.
В соответствии с изложенным разработана модель автосцепного устройства с использованием подвижных задних упоров. Модель подвижного упора представляет собой тело с одной поступательной степенью свободы вдоль продольной оси кузова относительно его передней части. Для моделирования сминаемого элемента устанавливаемого последовательно с подвижным задним упором использована фрикционная биполярная сила, обеспечивающая постоянное сопротивление перемещению упора. Дальнейшие расчеты ведутся из условия варьирования сил трения биполярной силы, соответствующих необходимой величине силы сопротивления сминаемых элементов. Величина силы трения установлена из условия, что подвижные упоры должны оставаться на месте при штатных режимах движения. Проведенные численные эксперименты показывают, что при скорости соударения 12 км/ч вагона - бойка с исследуемым вагоном, оборудованным подвижными упорами, достаточно применять силу трения, равную 2,5 МН. Следует отметить, что снижение силы трения может привести к изменению динамической нагруженное вагонов при допустимых скоростях соударений.
