703

Рис. 4. Динамические силовые характеристики поглощающих аппаратов при сжатии автосцепки

Четвертое уравнение соответствует соударению вагонов, при котором максимальная продольная сила превышает предельный конструктивно установленный уровень. В этом случае появляются пластические деформации несущей конструкции кузова вагона, и он рассматривается как упругопластическое тело.

Для случаев, когда происходит соударение вагонов разного типа, оборудованных различными поглощающими аппаратами, выражение (5) в развернутом виде примет вид следующей системы:

261

где надстрочным индексом ' обозначены параметры и характеристики одного вагона, а " – другого вагона.

Численное решение систем уравнений (6) и (7) позволяет определить максимальную продольную силу при соударениях одиночных вагонов. В случаях, когда требуется оценить максимальную продольную силу при соударении отцепов, состоящих из нескольких вагонов, силу рассчитывают для непосредственно соударяющихся вагонов. Полученное расчетом значение продольной силы корректируется за счет повышающего коэффици-

ента 1.1–1.15 [1].

При необходимости имитации соударения с группой вагонов, у которых поглощающие аппараты автосцепок находятся в сжатом состоянии, повышающий коэффициент можно увеличивать до значений, при которых поглощающие аппараты исчерпывают свой ход, при этом неподвижная группа вагонов может рассматриваться в виде стержня жесткостью kк.

Использование предлагаемой методики позволяет рассчитывать оценку динамических нагрузок, действующих на вагоны при переработке на сортировочных горках с учетом скорости соударения, массы вагонов и типов их поглощающих аппаратов автосцепок.

262

Литература

1. Расчет грузовых вагонов на прочность при ударах / Е.П. Блохин,

И.Г. Барбас, Л.А. Манашкин и др. М.: Транспорт, 1989. 230 с.

2.Юрченко А.В. О расчетных схемах грузовых вагонов для исследования нелинейных колебаний при соударениях // Проблемы динамики и прочности железнодорожного подвижного состава: Межвуз. сб. науч. тр. Днепропетровск / ДИИТ, 1983. С. 39–45.

3.Яблонский А.А. Курс теоретической механики. Ч.II. Динамика: Учеб. для высш. техн. учеб. заведений. М., 1971. 488 с.

4.Коломийченко В.В., Беспалов Н.Г., Семин Н.А. Автосцепное устройство подвижного состава. М.: Транспорт, 1980. 185 с.

5.Болдырев А.П., Кеглин Б.Г., Иванов А.В. Разработка и исследование

фрикционно-полимерного поглощающего аппарата ПМКП-110 класса Т 1 // Вестн. ВНИИЖТа, 2005. № 5. С. 40–44.

УДК 629.45/46.015

Д.В. ОСИПОВ

РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА

ВАГОНЫ ПРИ СОУДАРЕНИЯХ НА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ

СОРТИРОВОЧНЫХ ГОРКАХ

Исследования по оценке динамических нагрузок на вагоны при роспуске составов на сортировочных горках выполнялись на основе использования современных научных методов [1] – имитационного моделирования процессов скатывания отцепов и заполнения подгорочных путей, с применением разработанной авторами новой методики определения динамических нагрузок, действующих на вагоны при соударениях.

При рассмотрении режимов работы тормозных средств предполагалось, что замедлители на спускной части горки обеспечивают интервальное торможение отцепов и вход вагонов на парковую тормозную позицию со скоростью не более максимально допустимой при торможении (для замедлителей РНЗ2М, используемых на парковых позициях автоматизированных сортировочных горок – 6 м/с). Мощность парковой тормозной позиции обеспечивает при необходимости выпуск отцепов в сортировочный парк со скоростью не более 1,4 м/с.

Продольный профиль путей сортировочного парка для автоматизированных сортировочных горок, оборудованных системой торможения отцепов, основанной на принципе прицельного торможения, проектируется состоящим из трех элементов [2]. При проведении исследований рассматривалась следующая кон-

263

струкция профиля: начальная часть сортировочных путей (до конца парковой тормозной позиции) размещается на спуске 1,5 ‰, сортировочные пути за парковой позицией располагаются на равномерном спуске 0,6 ‰, последний участок путей длиной 100 м и выходная горловина сортировочного парка размещаются на противоуклоне 2 ‰.

Условия моделирования следующие: скорость надвига — 7 км/ч; допускаемая скорость соударения — 5 км/ч;

минимальное число вагонов в отцепе — 1; максимальное число вагонов в отцепе — 30; полезная длина пути накопления вагонов — 1050 м.

Для оценки различия скоростей соударения, обусловленных спецификой динамики скатывания отцепов, состоящих из вагонов различного типа и массы, исследование динамических нагрузок выполнялось путем моделирования расформирования составов различной структуры. Рассматривались варианты расформирования составов, состоящих из вагонов следующих типов:

—крытые вагоны;

—полувагоны;

—цистерны.

Масса каждого вагона определялась как случайная величина в диапазоне значений соответствующей весовой категории. Рассматривались две крайние весовые категории вагонов: легкая и тяжелая.

Воздействие на процесс роспуска внешней среды было представлено следующими вариантами ветровых условий:

—направление ветра: 1) попутное (совпадающее с направлением скатывания отцепов на горбе горки); 2) боковое (перпендикулярное направлению скатывания); 3) встречное (противоположное направлению скатывания);

—скорость ветра: 1) слабый ветер (3,5 м/с); 2) сильный ветер

(19,5 м/с).

Таким образом, при оценке скоростей соударения анализировалось 36 вариантов условий расформирования составов.

При проведении каждого имитационного эксперимента для обеспечения статистической устойчивости получаемых результатов рассматривался роспуск 150 составов. По итогам моделирования для каждого рассматриваемого варианта условий роспуска формировалось распределение величины потерь кинетической энергии при соударении E.

264

В результате имитационных экспериментов установлено, что при скатывании крытых вагонов легкой весовой категории при скорости встречного, бокового и попутного ветра 3,5 м/с величина E не превышает 20 кДж. На рис. 1 представлен пример распределения потерь кинетической энергии, действующей на вагоны при соударении на автоматизированных горках E для указанных условий.

Рис. 1. E при соударении крытых вагонов легкой весовой категории при встречном ветре скоростью 3,5 м/с

Распределения E при скорости бокового и попутного ветра 3,5 м/с для крытых вагонов легкой весовой категории имеют аналогичный характер. Причина этого, очевидно, заключается в незначительном влиянии ветра малой скорости на динамику скатывания отцепов.

Для крытых вагонов тяжелой весовой категории значенияE увеличиваются до 40–50 кДж по сравнению с аналогичными значениями для вагонов легкой категории (10–20 кДж).

При скорости встречного и бокового ветра 19,5 м/с величинаE для крытых вагонов легкой весовой категории также не превышает 20 кДж. Пример распределения E при аналогичных ветровых условиях для крытых вагонов тяжелой весовой категории представлен на рис. 2. Из диаграммы следует, что при увеличении веса вагонов E возрастает до 40–50 кДж.

В случаях скатывания крытых вагонов легкой категории при попутном ветре 19,5 м/с наблюдается сдвиг эмпирического распределения в сторону увеличения кинетической энергии до 330–340 кДж (около 0,3 % соударений). В 97 % случаев соударений E не превышает 200–210 кДж (рис. 3).

265

Рис. 2. E при соударении крытых вагонов тяжелой весовой категории при встречном ветре скоростью 3,5 м/с

Рис. 3. E при соударении крытых вагонов тяжелой весовой категории при встречном ветре скоростью 19,5 м/с

Для крытых вагонов тяжелой весовой категории при скорости встречного и бокового ветра 19,5 м/с величина E не превышает значений, полученных при скорости ветра 3,5 м/с — 40–50 кДж. Очевидно, что эти значения близки к минимуму E для крытых вагонов тяжелой категории.

При попутном ветре, аналогично условиям роспуска вагонов легкой весовой категории, распределение E существенно смещено в сторону увеличения кинетической энергии: до 360– 370 кДж (около 0,3 % соударений). Случаи соударения вагонов с поглощением кинетической энергии 200–210 кДж составляют около 2,5 %. По сравнению с крытыми вагонами легкой весовой категории при сильном попутном ветре максимальные регистрировавшиеся значения E больше на 30 кДж.

266

Таким образом, для крытых вагонов минимальная величинаE = 10–20 кДж, а максимальная величина может в ряде случаев (тяжелые отцепы, сильный ветер, попутный направлению скатывания) достигать 360–370 кДж (около 0,3 % соударений). При этом в 97 % случаев E не превышает 200–210 кДж.

При моделировании роспуска полувагонов полученные результаты подтверждают справедливость выводов, сделанных ранее.

Максимальные значения поглощаемой кинетической энергии E следующие:

—для полувагонов легкой весовой категории при ветре любого направления скоростью 3,5 м/с, а также при боковом и встречном ветре скоростью 19,5 м/с величина E, как и при роспуске крытых вагонов, не превышает 20 кДж, а для полувагонов тяжелой весовой категории — 40–50 кДж;

—при попутном ветре скоростью 19,5 м/с E для полувагонов легкой весовой категории может достигать 380–390 кДж (около 0,3 % случаев соударения), что в среднем на 50 кДж больше по сравнению с крытыми вагонами;

—при попутном ветре скоростью 19,5 м/с для полувагонов тяжелой весовой категории E может достигать 470–480 кДж, что на 25–30 % (110 кДж) больше аналогичных значений, полученных при моделировании роспуска крытых вагонов.

Полученные распределения E для полувагонов легкой и тяжелой весовых категорий при попутном ветре скоростью 19,5 м/с приведены на рис. 4 и 5.

Рис. 4. E при соударении полувагонов легкой весовой категории при попутном ветре скоростью 19,5 м/с

267

Рис. 5. E при соударении полувагонов тяжелой весовой категории при попутном ветре скоростью 19,5 м/с

При моделировании роспуска цистерн были получены сходные с вышеописанными результаты. При этом следует отметить, что в целом уровни кинетической энергии, поглощаемой ваго- нами-цистернами при соударениях в процессе заполнения сортировочных путей, меньше аналогичных значений, полученных при моделировании роспуска крытых вагонов и полувагонов. На рис. 6 и 7 представлены распределения E для условий роспуска цистерн при скорости попутного ветра 19,5 м/с.

Максимальные значения поглощаемой кинетической энергии E для рассматриваемых условий следующие:

— для цистерн легкой весовой категории при ветре любого направления скоростью 3,5 м/с, а также при боковом и встреч-

268

ном ветре скоростью 19,5 м/с величина E не превышает 20 кДж,

адля цистерн тяжелой весовой категории — 40–50 кДж;

—при попутном ветре скоростью 19,5 м/с E для цистерн легкой весовой категории достигает 160–170 кДж (около 1 % случаев соударения);

—при попутном ветре скоростью 19,5 м/с для цистерн тяжелой весовой категории E может достигать 240–250 кДж (0,3 % случаев соударения).

По результатам оценки величины кинетической энергии, воспринимаемой вагонами различных типов и весовых категорий можно сделать следующие общие выводы:

1)для всех исследуемых типов вагонов всех весовых категорий при ветре любой скорости встречного или бокового направления, а также при слабом попутном ветре величина E не превышает 50 кДж;

2)динамические нагрузки при сильном попутном ветре для отцепов из вагонов тяжелой весовой категории существенно выше, чем для вагонов легкой категории: для крытых вагонов

—на 9–12 %, для полувагонов — на 21–26 %, для цистерн — на 41–56 %;

3)при сильном попутном ветре (эксперименты, соответствующие скорости 19,5 м/с) наибольшие динамические нагрузки при соударениях испытывают полувагоны, несколько меньшие

– крытые вагоны и наименьшие – цистерны (соотношение максимальных уровней поглощаемой энергии представлено в таблице).

269

Максимальные уровни энергии, поглощаемой одним вагоном при соударениях в сортировочных парках автоматизированных горок

E / 2, кДж

Значительная часть кинетической энергии, действующей на вагон при соударении, рассеивается в поглощающем аппарате автосцепки. Естественно, что остаток кинетической энергии, передающийся на раму и кузов вагона, зависит от типа поглощающего аппарата, установленного на вагоне.

Для определения динамических нагрузок, воспринимаемых рамой и кузовом вагона, были проведены расчеты по определению значений этих нагрузок при использовании поглощающих аппаратов различных типов, соответствующих классу Т1. Рассматривались следующие типы поглощающих аппаратов:

—Ш-1-ТМ (номинальная энергоемкость 50 кДж);

—Ш-2-В (номинальная энергоемкость 60 кДж).

Данными поглощающими аппаратами и аппаратами аналогичной энергоемкости оборудована значительная часть эксплуатируемого вагонного парка. Аппараты класса Т1, как правило, пружинно-фрикционного типа.

Жесткость кузова вагона при расчетах принята равной

170 МН/м [3].

На рис. 8 представлены полученные зависимости динамической нагрузки на раму и кузов вагона Fв от кинетической энергии, поглощаемой вагоном при соударении E.

«Красной» линией на графике обозначен критический уровень динамической нагрузки, при превышении которого возникают пластические деформации элементов рамы и кузова вагона (3 МН). Этому уровню соответствуют различные предельные значения величины E:

для поглощающего аппарата Ш-1-ТМ — около 77 кДж; для поглощающего аппарата Ш-2-В — около 87 кДж. Анализ полученных в результате моделирования максималь-

ных уровней энергии, поглощаемой вагонами при соударениях в сортировочном парке (см. таблицу), с использованием зависимостей, приведенных на рис. 8, показывает, что при определен-

270