Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Развитие методик проектирования сопряжения элементов продольного профиля железнодорожной линии 9
1.1 Развитие норм проектирования железных дорог России 9
1.2 ЭВМ в проектировании 10
1.3 Программные продукты развития проектирования 11
1.4 Нормы проектирования продольного профиля и моделирование движения подвижного состава 14
1.5 Критерии проектирования продольного профиля и отражение их в нормах 18
1.6 Переломы профиля 19
1.7 Выводы по первой главе и постановка задачи исследования 23
ГЛАВА 2 Силовые параметры процесса движения поезда по переломам продольного профиля 24
2.1 Компьютерное моделирование 24
2.2 Работа в программном комплексе «Универсальный механизм» 28
2.2.1 Алгоритм работы в программном комплексе «UM» 29
2.2.2 Продольная динамика поезда 39
2.2.3 Вертикальные силы, возникающие в поезде 46
2.3 Апробация программного комплекса «Универсальный механизм» 47
2.4 Анализ по критериям безопасности и плавности движения поезда 53
2.5 Выводы по второй главе 57
ГЛАВА 3 Биклотоидные вертикальные кривые при проектировании сопряжения элементов продольного профиля 59
3.1 Стабильность продольного профиля на участках его переломов 61
3.2 Биклотоидное проектирование переломов профиля 62
3.2.1 Работа в программном комплексе «Универсальный механизм» 64
3.2.2 Продольная динамика и вертикальные силы, возникающие в поезде 67
3.3 Анализ силовых параметров движения поезда по «биклотоидным» переломам продольного профиля 69
3.4 Выводы по третьей главе 75
ГЛАВА 4 Эффективность применения увеличенных переломов продольного профиля и биклотоидного сопряжения 76
4.1 Рекомендации по применению увеличенных переломов продольного профиля 76
4.2 Движение тяжеловесных поездов 77
4.3 Экономическая эффективность 79
4.4 Учет качества пути при определении силового воздействия экипажа на путь посредством имитационного моделирования 80
4.5 Выводы по четвертой главе 86
Заключение 87
Список литературы
- Программные продукты развития проектирования
- Алгоритм работы в программном комплексе «UM»
- Биклотоидное проектирование переломов профиля
- Движение тяжеловесных поездов
Программные продукты развития проектирования
С появлением персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ) на базе технологических линий проектирования (ЛТП) стали разрабатываться автоматизированные рабочие места (АРМ).
По ряду причин рассматриваемые задачи не получили комплексного решения в виде САПР. Разработки в области комплексной автоматизации процессов проектирования железных дорог после начала экономической реформы в 90-х годах прошлого века в РФ были практически прекращены.
Во второй половине 90-х годов в других отраслях стали создаваться программные продукты по автоматизации изысканий и проектирования различных объектов. В это время стали доступны и зарубежные комплексы программ [16]. В настоящее время широко используются системы автоматизированной обработки материалов изысканий, проектирования генпланов и железных дорог, такие как:
«Топоматик Robur - Железные дороги» – программный продукт, разработанный на основе практического опыта работы инженеров-проектировщиков в области железнодорожного проектирования и строительства. Функциональными возможностями комплекса являются: создание цифровой модели рельефа (ЦМР), проектирование плана трассы железной дороги, проектирование продольного профиля новой и реконструируемой железной дороги, проектирование поперечных профилей новой и реконструируемой железной дороги, подсчет объемов работ земляного полотна и верхнего строения пути, выправка плана (рихтовки)[17].
«Credo» – многофункциональный комплекс, обеспечивающий автоматизированную обработку данных в геодезических, землеустроительных работах, инженерных изысканиях, подготовку данных для различных геоинформационных систем, создание и инженерное использование цифровых моделей местности, автоматизированное проектирование объектов транспорта, генеральных планов объектов промышленного и гражданского строительства [18].
«САПР КРП - Капрем» – система автоматизированного проектирования капитальных ремонтов железнодорожных путей позволяющая: - выполнить проектирование капитальных ремонтов железных дорог - от обработки съемки до выдачи проектно-сметной документации: проектирование плана линии (прямых, кривых), проектирование продольного профиля, проектирование поперечных профилей с учетом проектов плана и продольного профиля, проектирование плана раскладки плетей бесстыкового пути; - выполнить проверку продольного профиля и плана пути: составление плана (расчет элементов плана); спрямление продольного профиля [19].
«GeoniCS» – программный продукт, работающий на платформе AutoCAD Civil 3D либо AutoCAD, предназначен для обработки данных геодезических и инженерно-геологических изысканий, создания цифровой модели местности (ситуации, рельефа, инженерно-геологического строения, существующих сетей), создания топопланов в отечественных условных знаках, проектирования генеральных планов и вертикальной планировки, внешних инженерных сетей и линейно-протяженных объектов [20].
«GEO+CAD» – программный комплекс представляет собой, открытый набор совместимых программных продуктов для платформы AutoCAD, предназначенных для решения задач инженерных изысканий, геоинженерного проектирования и географических информационных систем (ГИС) инженерного назначения [21].
«Ferrovia» – программа предназначена для разработки проектов строительства, реконструкции, ремонта железных дорог и железнодорожных объектов. Ferrovia поддерживает AutoCAD Civil 3D DTM и совместим с другим программным обеспечением Computer Generated Solutions (CGS) для гражданского строительства, таких как Plateia и Акватерра [22].
«AutoCAD Civil 3D» – это программа предназначенная для проектирования генеральных планов, земельных кадастров, дорог, ландшафтного проектирования и благоустройства, трубопроводных канализационных сетей и охраны окружающей среды [23].
«IndorCAD» – это системы автоматизированного проектирования, предназначенные обработки материалов геодезических изысканий, построения и обработки ЦММ, трассирования линейных объектов, проектирование рельефа, насыпей и выемок произвольной сложности, автомобильных дорог, зданий, инженерных сетей и прочей инфраструктуры [24].
«Pythagoras» – программа позволяет обрабатывать данные полевых измерений, проектировать, создавать чертежи, выполнять различные измерения и расчеты, вычислять объемы выемки/насыпи, разрабатывать модули автоматизации, создавать тематические карты, базы данных и связывать их с объектами чертежа, производить контроль исполнительной съемки и выводить готовую документацию на печать. Чертежные возможности программы позволяют вычерчивать практически любые графические объекты [25].
Все эти программы облегчают работу проектировщика, повышают его производительность, что способствует увеличению вариантности и значительно быстрее позволяют получить проектные решения близкие к оптимальному. Но все это в «рамках» существующих норм, среди которых проектировщик использует: СНиПы, СТНЦ и т.п. Эти нормы обобщают опыт и научные достижения применительно к каким-то осредненным проектным условиям
Алгоритм работы в программном комплексе «UM»
Работа по применению тяжеловесных поездов в России началась еще в 80-х годах XX века, но ввиду сложностей организации такого движения не нашла широкого применения.
В последние годы вновь возобновилась работа по применению тяжеловесных поездов, так в разные годы на участках стали применять поезда весом: Если рассмотреть движение тяжеловесных поездов по существующим продольным профилям, запроектированным еще в прошлом веке для поездов меньшей длины, то получается, что их движение происходит с нарушениями существующих норм.
Для подтверждения возможности движения тяжеловесных поездов по переломам, не отвечающим требованиям существующих норм, выполнены расчеты с применением имитационного моделирования (см. п.2.2.2, пример 3, вариант 3; п.2.3; п. 3.2.2).
Выполненные расчеты подтвердили возможность применения тяжеловесных поездов на профилях, где допустимые нормы сопряжения элементов (i) могут быть увеличены до 2iогр.
К примеру, для поезда весом 9000 т и длиной 1523 м (lпоп = 1700 м) при ограничивающих уклонах, являющимися руководящими (iогр = iр), на участке с особогрузонапряженной категорией железнодорожной линии, в соответствии с [2], допустимым значением алгебраической разности сопрягаемых уклонов является Diдоп = 5 , а в соответствии с таблицей 4.1 – Diдоп = 18 , больше в 3,6 раз. 4.3 Экономическая эффективность
В качестве экономической эффективности рассматриваются затраты на тягу, которая зависит от сил, возникающих в продольной динамики поезда. Из п. 3.3, выполненные сравнения расчетов движения посредством имитационного моделирования подтверждают возможность применения вертикальных биклотоид, так как по сравнения с вертикальными круговыми кривыми, уменьшаются значения продольной динамики поезда до 10 % (F = 40 кН) на участках, где поезд идет в растянутом состоянии (в режиме тяги).
Так, на примере двухпутного участка железнодорожной линии Арамиль -Хризолитовый, Свердловской железной дороги - филиала ОАО «РЖД», с пропускной способностью 80 пар поездов в сутки за один год на один километр экономия затрат при применении биклотоидного сопряжения элементов продольного профиля железнодорожного пути составляет:
Экономия затрат при применении увеличенных переломов продольного профиля с вертикальными биклотоидными кривыми по сравнению с вертикальными круговыми кривыми, достигает в среднем до 12,76 тыс руб/годкм на каждый поезд, без учета экономии на содержание пути из-за уменьшения силового воздействия на путь.
Учет качества пути при определении силового воздействия экипажа на путь посредством имитационного моделирования
В рамках диссертационной работы и дипломного проекта студента кафедры «Путь и железнодорожное строительство» ФГБОУ ВПО УрГУПС, Пастухова Е. А. при помощи программного комплекса «Универсальный механизм» проведено моделирование динамики железнодорожного состава с учетом качества железнодорожного пути.
При исследовании основными данными для расчетов и построения графиков взаимодействия «колесо-рельс» являются количество единиц подвижного состава, их тип, масса и скорость движения, принятые на заданном участке железнодорожного пути. Для более глубокого и детального анализа учитываются в системе «колесо-рельс»: макрогеометрия пути, силы трения, неровности пути, радиусы кривых. Процесс моделирования железнодорожного пути осуществлен по участку выполненных капитальных работ линии Юдино–Екатеринбург.
Вид капитальных работ – реконструкция (модернизация) верхнего строения пути на участке Сарапул-Кама ПК 1142,8+00 км – ПК 1169,8+00 км I путь. Сроки строительства 2009 г. – 2010 г.
Участок ремонта двухпутный, электрифицированный, с электрической централизацией стрелочных переводов. Наличие кривых в плане составляет более 30 % от общей протяженности. Движение поездов интенсивное. Путь оборудован двусторонней автоблокировкой. В соответствии с проектными данными количество пар поездов в сутки – 88, из которых 62 грузовых и 26 пассажирских. Вес поездов – 6000 т и 1150 т соответственно. Средняя осевая нагрузка – 18,704 т.
Биклотоидное проектирование переломов профиля
Для сравнения результатов опытной поездки и расчетов, исходными данными компьютерного моделирования в программном комплексе «Универсальный механизм» являются: вагонов, с нагрузкой 21,5 т/ось. Использован алгоритм расчета представленный в п.2.2.1. Результатами расчетов являются значения усилий, возникающие в межвагонных соединениях рассматриваемого поезда, которые представлены в табличном виде (см. приложение В).
Для сравнения показаний динамометрических вагонов и значений сил между 2-м и 3-м вагонами – для пассажирского поезда, между 1-м вагоном и локомотивом – для грузового поезда, полученных в программной среде «Универсальный механизм», построены графики сравнения (см. рисунки 2.17, 2.18) и определено отклонение средних значений экспериментальных от расчетных.
График сравнения показаний динамометрического вагона в составе грузового поезда и значений, полученных в программной среде «Универсальный механизм» Из рисунка 2.17, средние значения показаний динамометрического вагона (F1ср) и по расчетам (F2ср) равны:
Разница между средними значениями показаний динамометрического вагона в составе грузового тяжеловесного поезда и значений сил между 1-м вагоном и локомотивом по расчетам составляет 9 %.
Учитывая вышеприведенные значения, можно сделать вывод: расчеты продольной динамики поезда с помощью программного комплекса «Универсальный механизм» совпадают с результатами эксперимента.
Для анализа полученных результатов, представленных в приложениях А, Б рассматривались критерии безопасности и плавности движения поезда (см. п. 1.6). В качестве безопасности - усилия в межвагонных соединениях (в автосцепках) состава поезда (S) и продольные ускорения (aав), в качестве плавности - шум продольных ускорений в автосцепке (/ав ), вертикальные ускорения (яв) и шум вертикальных ускорений экипажа Ов), определяемых по формулам 1.3, 1.15, 1.12, 2.12.
Результаты вариантного имитационного моделирования показывают, что: 1 На всех участках продольного профиля с переломами отличными от нормативных значений, силы, действующие на автосцепку при устройстве вертикальных кривых, не превышают допустимых значений ( 1200 кН) независимо от величин перелома продольного профиля.
График изменения продольных усилий между локомотивом и первым вагоном тяжеловесного поезда: 1,5ВЛ80С, 72 полувагона q = 21,0 т/ось, длина поезда /п = 1109,82 м, вес поезда Q = 6340 т
Не зависимо от величины алгебраической разности смежных элементов при движении поезда по вертикальной кривой, радиус которой определен по формуле (1.13), подтверждено что значения центробежного вертикального ускорения остается в пределах допустимых значений [aв]. На примере 3, вариант 2 (72 вагона), вертикальные ускорения вагона не превышают 0,2 м/с2 (см. рисунок 2.20).
Значения вертикальных ускорений кузова экипажа при движении поезда по вертикальным кривым значительно ниже, чем при движении по переломам, где устройство вертикальных кривых по нормам не предусматривается (см. рисунок 2.21). — вертикальные ускорения вагона, при движении по переломам продольного профиля с устройством вертикальных кривых; — вертикальные ускорения вагона, при движении по переломам продольного профиля без устройства вертикальных кривых. При этом шум вертикальных ускорений, определяемый по формуле 2.12, зависит от режима ведения поезда (см. рисунок 2.22).
Шум продольных (в автосцепках) ускорений (критерий плавности, определяемый по формуле 1.15) в первую очередь зависит от веса, скорости и режима ведения поезда, во вторую – от величины перелома продольного профиля, влияющей на длину вертикальной кривой. Разница «шума» продольных ускорений поездов разного веса достигает до 38 % (см. рисунок 2.23).
Шум продольных ускорений также позволяет оценить энергопотери процесса движения поезда.
Среди множества программ компьютерных продуктов, позволяющих осуществлять синтез уравнений движения в символьной форме, наиболее адаптированным для изучения поведения подвижного состава на железнодорожном пути является программный комплекс «Универсальный механизм», апробированный и зарекомендовавший себя на Российском рынке.
Разработан алгоритм работы в ПК «UM» с применением созданного автором внешнего блока предобработки данных продольного профиля. Алгоритм позволяет получить силовые параметры, необходимые для анализа продольной и вертикальной динамики поезда и экипажей состава при проходе переломов продольного профиля.
Выполненные сравнения показаний экспериментов контрольно измерительных поездок динамометрических вагонов в составе пассажирского и грузового тяжеловесного (весом 9000 т) поездов со значениями результатов компьютерного моделирования в программном комплексе «UM» подтверждают результаты компьютерного исследования. Расхождение средних значений составляет 9 %.
Возможно применение увеличенных переломов продольного профиля с алгебраической разностью уклонов до 2iогр, превышающей допустимые по нормам значения и рассчитанных посредством имитационного моделирования. Требования норм iн при проектировании профиля не могут считаться обязательными.
Для проектируемой (новой или реконструируемой) железнодорожной линии с учетом конкретной ситуации на основе компьютерного моделирования должны быть созданы свои объективные нормы. При этом результаты, полученные с применением имитационного моделирования, доказывают, что с уменьшением вертикальных ускорений уменьшаются продольные ускорения, что объясняется более плавным движением поезда (падает шум ускорений), а это в свою очередь приводит к уменьшению затрат энергии на тягу поезда [76].
Как было отмечено в первой главе, существующие нормы [1-3] предполагают применение вертикальных кривых радиусом Rв = 2000 – 20000 м, в зависимости от категории железнодорожной линии или пути, при сопряжении смежных элементов продольного профиля с алгебраической разностью уклонов iн 2,35,2 .
На примере системы стандартов проектирования железных дорог Америки «Arema» [73], где исключены элементы переходной крутизны, а сопряжения элементов продольного профиля осуществляется при помощи вертикальных кривых, возникла идея разработки сопряжения элементов продольного профиля при разных радиусах вертикальных кривых с учетом допустимых усилий, возникающих в поезде. Биклотоидная кривая – это две переходные кривые (клотоиды) с переменным радиусом от до Rв.
Движение тяжеловесных поездов
Работа по применению тяжеловесных поездов в России началась еще в 80-х годах XX века, но ввиду сложностей организации такого движения не нашла широкого применения.
В последние годы вновь возобновилась работа по применению тяжеловесных поездов, так в разные годы на участках стали применять поезда весом:
Если рассмотреть движение тяжеловесных поездов по существующим продольным профилям, запроектированным еще в прошлом веке для поездов меньшей длины, то получается, что их движение происходит с нарушениями существующих норм.
Для подтверждения возможности движения тяжеловесных поездов по переломам, не отвечающим требованиям существующих норм, выполнены расчеты с применением имитационного моделирования (см. п.2.2.2, пример 3, вариант 3; п.2.3; п. 3.2.2).
Выполненные расчеты подтвердили возможность применения тяжеловесных поездов на профилях, где допустимые нормы сопряжения элементов (i) могут быть увеличены до 2iогр.
К примеру, для поезда весом 9000 т и длиной 1523 м (lпоп = 1700 м) при ограничивающих уклонах, являющимися руководящими (iогр = iр), на участке с особогрузонапряженной категорией железнодорожной линии, в соответствии с [2], допустимым значением алгебраической разности сопрягаемых уклонов является Diдоп = 5 , а в соответствии с таблицей 4.1 – Diдоп = 18 , больше в 3,6 раз. 4.3 Экономическая эффективность
В качестве экономической эффективности рассматриваются затраты на тягу, которая зависит от сил, возникающих в продольной динамики поезда.
Из п. 3.3, выполненные сравнения расчетов движения посредством имитационного моделирования подтверждают возможность применения вертикальных биклотоид, так как по сравнения с вертикальными круговыми кривыми, уменьшаются значения продольной динамики поезда до 10 % (F = 40 кН) на участках, где поезд идет в растянутом состоянии (в режиме тяги).
Так, на примере двухпутного участка железнодорожной линии Арамиль -Хризолитовый, Свердловской железной дороги - филиала ОАО «РЖД», с пропускной способностью 80 пар поездов в сутки за один год на один километр экономия затрат при применении биклотоидного сопряжения элементов продольного профиля железнодорожного пути составляет:
Экономия затрат при применении увеличенных переломов продольного профиля с вертикальными биклотоидными кривыми по сравнению с вертикальными круговыми кривыми, достигает в среднем до 12,76 тыс руб/годкм на каждый поезд, без учета экономии на содержание пути из-за уменьшения силового воздействия на путь.
Учет качества пути при определении силового воздействия экипажа на путь посредством имитационного моделирования
В рамках диссертационной работы и дипломного проекта студента кафедры «Путь и железнодорожное строительство» ФГБОУ ВПО УрГУПС, Пастухова Е. А. при помощи программного комплекса «Универсальный механизм» проведено моделирование динамики железнодорожного состава с учетом качества железнодорожного пути.
При исследовании основными данными для расчетов и построения графиков взаимодействия «колесо-рельс» являются количество единиц подвижного состава, их тип, масса и скорость движения, принятые на заданном участке железнодорожного пути. Для более глубокого и детального анализа учитываются в системе «колесо-рельс»: макрогеометрия пути, силы трения, неровности пути, радиусы кривых.
Похожие диссертации на Исследование сопряжения элементов продольного профиля железнодорожного пути посредством имитационного моделирования
