Имитационное моделирование работы перспективных поглощающих аппаратов автосцепки на железнодорожных цистернах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Имитационное моделирование работы перспективных поглощающих аппаратов автосцепки на железнодорожных цистернах

А.П. Болдырев, Э.А. Фатьков

Исследована работа перспективных поглощающих аппаратов на цистернах путем имитационного моделирования условий эксплуатации. Рассмотрены задачи пуска в ход и торможения наливных поездов, а также маневровые операции. Определены критерии эффективности работы поглощающих аппаратов.

Ключевые слова: поглощающий аппарат, критерий эффективности, автосцепка, железнодорожная цистерна.

Для оценки влияния новых конструкций поглощающих аппаратов на продольную динамику возможно проведение экспериментальных исследований. Однако такие исследования являются дорогостоящими, а в ряде случаев невозможны, например на стадии проектирования. Поэтому для определения продольных сил, действующих на вагон в условиях эксплуатации, целесообразно прибегать к имитационному моделированию.

Рассмотрение динамических процессов в наливных поездах требует построения модели цистерны с жидкостью, которая должна отражать реальные явления, связанные с гидродинамикой, в частности возникновение нескольких частот колебаний жидкости.

Использование линейной теории движения жидкости вполне допустимо при определении усилий, действующих на цистерну, поскольку нелинейные эффекты, которые могут возникать в процессе колебаний груза в котле от действия ударных нагрузок, не успевают проявиться на достаточно коротком интервале времени, когда возникают максимумы нагрузок [1].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для определения продольной нагруженности цистерны необходимо решать гидродинамическую задачу колебаний жидкости в котле. Но, учитывая только продольные колебания котла цистерны и используя допущения, позволяющие оставаться в рамках линейной теории движения идеальной жидкости, уравнения в частных производных, описывающие колебания жидкости, можно свести к обыкновенным дифференциальным уравнениям движения механического аналога (рис.1) ? расчетной модели цистерны [1; 2]. Вязкость жидкости в расчетах не учитывается, так как не оказывает существенного влияния на максимальные продольные усилия в автосцепках [2]. Уравнения движения механической системы имеют следующий вид:

;

, , ,

где М - масса цистерны с жидкостью; g - ускорение свободного падения; N - число учитываемых форм колебаний жидкости.

Присоединенные массы жидкости m_n при n - й форме колебаний и собственные числа вычисляются с учетом единичной нормировки по следующим формулам:

,

поглощающий аппарат цистерна моделирование

где - плотность жидкости; Н - уровень ее налива; R - радиус; L - длина цистерны.

Моделирование условий эксплуатации включало в себя построение математических моделей, описывающих маневровые операции и поездные режимы. Эксплуатационные ситуации моделировались в программном комплексе Train, разработанном на кафедре «Динамика и прочность машин» Брянского государственного технического университета. В нем поезд представлялся как набор масс (вагонов-цистерн), последовательно соединенных между собой упругими связями (поглощающими аппаратами). На каждую единицу состава в поезде действовали усилие на автосцепке, силы тяги (для локомотива), торможения и трения [3; 4].

Для оценки продольных сил, возникающих в составах, и проведения сравнительного анализа работы поглощающих аппаратов рассматривалась одномерная расчетная схема.

Для сравнения эффективности применения поглощающих аппаратов на вагонах-цистернах были рассмотрены следующие ситуации: маневровые операции, трогание и торможение составов различной массы.

Опыт эксплуатации и математическое моделирование показывают, что основную долю повреждений вагон получает при соударениях в ходе маневровых операций. Даже при экстремальных поездных режимах практически не возникают продольные нагрузки, способные вызвать неусталостные повреждения вагона [1]. Поэтому при определении критериев эффективности работы поглощающих аппаратов для вагонов-цистерн было принято решение ограничиться расчетом маневровых операций.

При исследовании маневровых работ в первом приближении был рассмотрен случай накатывания вагона на одиночно стоящую цистерну.

Согласно современным требованиям [5], цистерны новой постройки должны оборудоваться аппаратами не ниже класса Т2. Однако большая доля парка цистерн находится на грани окончания срока службы, поэтому вероятна ситуация, что цистерна может быть оборудована серийным поглощающим аппаратом. В связи с этим в расчетах рассматривались различные типы аппаратов.

Набегающий вагон имел массу 90 т и был оборудован аппаратом Ш-2-В. Исследуемая цистерна оборудовалась разными типами поглощающих аппаратов.

Для описания многообразия расчетных ситуаций и вычисления критериев эффективности работы поглощающих аппаратов, необходимо использовать статистические распределения скоростей соударения и масс цистерн.

Статистическое распределение скоростей при маневровых операциях имеет следующий вид:

Уровни налива цистерны в долях радиуса котла представлены ниже:

В сравнительных расчетах предполагалось, что плотность жидкости = 1000 кг/м³. Массы варьировались за счет уровня заполнения цистерны.

При каждом соударении регистрировалась максимальная продольная сила на автосцепном устройстве.

Для оценки эффективности применения различных поглощающих аппаратов были рассчитаны критерии эффективности [4], определенные следующим образом: для каждого поглощающего аппарата фиксировалась максимальная сила на автосцепке, возникающая при ударе с каждой скорости вагона в покоящуюся цистерну с различным уровнем налива жидкости. Для определения критерия усталостной повреждаемости применялась схематизация динамического процесса по методу «дождя» [6]. В ходе вычислений учитывались вероятности появления скоростей соударений и уровней налива цистерны.

Результаты расчета представлены в таблице.

Таблица

Критерии эффективности для различных поглощающих аппаратов (усл. ед.)

Из расчетов критериев видно, что с точки зрения снижения продольных усилий наиболее эффективны поглощающие аппараты классов Т2 и Т3. Лучшие результаты показали эластомерный поглощающий аппарат ЭПА-120 и гидрополимерный поглощающий аппарат ГП-120.

При использовании аппаратов ПМК-110 и ПМКП-110 критерий J_П.В не равен нулю, что показывает возможность появления единичных сверхнормативных сил, которые при неблагоприятном сочетании скоростей соударений и масс могут привести к повреждениям цистерны.

Были исследованы динамические процессы, возникающие при пуске в ход наливных поездов различной массы. Тяга осуществлялась при помощи локомотива, находящегося в голове состава. Все вагоны оборудовались одним типом поглощающих аппаратов. В расчетах принималось, что состав находится в сжатом (осаженном) состоянии. Считалось, что цистерны заполнены водой на уровень эксплуатационного недолива и имеют массу 90 т.

Наибольший интерес с точки зрения возникновения опасных продольных усилий представляют ситуации трогания составов массой 6400 и 8000 т (рис. 2 а, б).

При пуске состава массой 6400 т в случае оборудования вагонов аппаратами ПМК-110 максимальные силы составляли 800…830 кН. Снижение уровня продольных сил при использовании аппаратов ЭПА-120 достигало 30…35%, а при применении аппаратов ГП-120 - 20…23%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наибольшие по величине продольные силы возникали при трогании состава массой 8000 т. При оборудовании вагонов состава амортизаторами ПМК-110 и ПМКП-110 максимальные продольные усилия составляли 1400 и 1300 кН соответственно. Применение перспективных поглощающих аппаратов позволило понизить уровень сил на 15…25%. Так, при использовании аппарата ПМКЭ-110 максимальные продольные силы составляли 1200 кН, а при применении аппаратов ГП-120 и ЭПА-120 - порядка 1100 кН.

Результаты расчета режима полного служебного торможения растянутых однородных составов (наиболее неблагоприятный режим) различной массы приведены на рис. 3 а, б. Параметры воздухораспределителей и силы нажатия на тормозные колодки выбирались в соответствии с рекомендациями [4]. Торможение осуществлялось с головы состава.

На поездах массой 6400…8000 т преимущества использования аппаратов ЭПА-120 и ГП-120 выявились отчетливо. Максимальные силы в 1000 кН возникли при торможении состава массой 6400 т, вагоны которого были оборудованы аппаратами ПМК-110. Использование аппаратов ЭПА-120 и ГП-120 дало снижение сжимающих сил до 30%, аппарат ПМКЭ-110 обеспечил снижение продольных сил до 20%.

В составе массой 8000 т, как и в предыдущем случае, максимальные продольные силы возникли в вагонах, оборудованных фрикционными аппаратами ПМК-110 и ПМКП-110, и составили 1200 и 1100 кН соответственно.

На основании проведенных расчетов можно сделать следующие выводы.

Перспективные поглощающие аппараты являются более эффективными с точки зрения снижения продольных усилий, возникающих в автосцепных устройствах при переходных режимах движения поезда. Расчеты показали, что применение амортизаторов ЭПА-120 и ГП-120 позволяет снизить усилия на 20…30% по сравнению с серийными аппаратами ПМКП-110 и ПМК-110.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Список литературы

1. Прасолов, А. Н. К оценке напряжений в котле 8-осной цистерны при продольных воздействиях / А.Н. Прасолов // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. - Брянск, 1986. - С.41-48.

2. Богомаз, Г.И. Динамика железнодорожных вагонов-цистерн / Г.И. Богомаз. - Киев: Наукова думка, 2004. - 224 с.

3. Блохин, Е. П. Динамика поезда (нестационарные продольные колебания)/ Е.П. Блохин, Л.А. Манашкин. - М.: Транспорт, 1982. - 222 с.

4. Болдырев, А.П. Расчет и проектирование амортизаторов удара подвижного состава/ А.П. Болдырев, Б.Г. Кеглин. - М.: Машиностроение -1, 2004. - 199 с.

5. Перспективное автосцепное устройство для грузовых вагонов нового поколения: техн. требования.

6. Когаев, В.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: справочник /В.П. Когаев, Н.А. Махутов, А.П. Гусенков. - М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.

Размещено на Allbest.ru