Сборник 70 студ конференции БГТУ

31

К.С. Булаева АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ БАЗЫ ТЕЛЕЖКИ НА ШИРИНУ ВАГОНА

Объект исследования: грузовые вагоны и их тележки.

Результаты, полученные лично автором: проведен анализ влияния базы тележки на ширину вагона.

Для анализа определяются величины максимальных поперечных смещений концевого Ен и среднего Евпоперечных сечений кузова вагона при вписывании его в габарит подвижного состава 1-ВМ. Рассматриваются 4-х осный полувагон с глухим дном модели 12-764, 4-х осный крытый грузовой вагон модели 11-280, 2-х осная тележка модели ДП-3, 2-х осная тележка модели 18-100, 2-х осная тележка модели 18-194-1, 2-х осная тележка модели КВЗ-И2. Для примера на рис.1 и 2 построены графики Енmax и Евmax в зависимости от величины базы тележки

Рис. 1. График зависимостейЕн и Евот базы тележек для вагона модели

12-764

Рис. 2. График зависимостей Ен и Евот базы тележек для вагона модели

11-280

Как видно, база тележки не влияет на ширину вагона или влияет незначительно.

Работа выполнена под руководством д.т.н., проф. каф. «Подвижной состав железных дорог» Кобищанов В.В.

33

При моделировании варианта загрузки платформы лесом в хлыстах и трубами большого диаметра они представляются абсолютно твердыми телами с реальными инерциальными характеристиками. Взаимодействие труб и бревен между собой и с элементами вагона описывается специальными контактными элементами. Стяжка бревен ремнями моделируется силовыми упругими элементами.

Во всех четырех моделях в качестве ходовых частей использована твердотельная модель тележки грузового вагона модели 18-100.

Для оценки напряженно-деформированного состояния несущей конструкции вагона-платформы в процессе эксплуатации были разработаны детализированные пластинчатые конечно-элементные модели (рис.2).Отличие моделей состоит в наличии во второй модели стоек и торцевой стены.

Рис.2. Детализированная пластинчатая конечно-элементная модель несущей конструкции кузова вагона

Вузлы конечно-элементной модели, соответствующие зонам взаимодействия несущей конструкции платформы с грузом и ходовыми частями, прикладывались динамические усилия, полученные из твердотельных динамических моделей движения вагона-платформы. Расчет производился в среде промышленного программного комплекса Femap10.3в динамической постановке.

Адекватность полученных результатов подтверждена их сопоставлением с результатами, полученными при расчете вагонаплатформы как балки на двух опорах. Сопоставление показывает, что разность результатов не превышает 23%, что свидетельствует о правильностипроведенныхрасчетов.

Врезультате проведенных исследований определены максимальные действующие в несущей конструкции рамы вагона-платформы нормальные напряжения для всех рассматриваемых режимов эксплуатации. Анализ полученных результатов показал, что полученные напряжения не превышают допускаемых значений, рекомендуемых нормативной документацией на проектирование вагонов.

Работа выполнена под руководством доц.кафедры «Подвижной состав железных дорог» Д.Я. Антипина

34

А.Н. Кривоноженков ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ КАРДАННОГО ПРИВОДАТЕПЛОВОЗА ТГ16М

Тепловоз ТГ16М является магистральным двухсекционным локомотивом с конструкционной скоростью 100 км/ч и нагрузкой от колесной пары на рельсы (205,8±6,2) кН. Предназначен для работы на путях Сахалинского отделения Дальневосточной железной дороги шириной колеи 1067 мм. При замене колесных пар на тележке, а также перестановке рычажной передачи и гидравлических демпферов горизонтальных колебаний, тепловоз может быть использован на колее 1520 мм.Каждая из секций тепловоза может быть использована как самостоятельный локомотив.

Целью исследований было определение причин возникновения вибраций в промежуточной опоре карданного вала, обнаруженных при испытаниях опытного образца тепловоза. По предварительным данным основной причиной вибраций являлось наличие эксцентриситета во вращающихся частях передачи.

С помощью программного комплекса UniversalMechanism (http://www.universalmechanism.com) проведены эксперименты на модели тепловоза ТГ16М по движению в прямом участке пути на скоростях от 40 км/ч до 120 км/ч. Эксцентриситет вала варьировался от 0 мм до 1,5 мм. Оценивалась вертикальная составляющая силы в промежуточной опоре вала.

Подробнее был рассмотрен процесс движения в прямом участке пути со скоростью 103,2км/ч, для которого имелись экспериментальные данные. Моделирование показало, что причиной возникновения резонансного увеличения амплитуд вибраций на указанной скорости является эксцентриситет вала. В качестве меры предложено ужесточение опоры крепления вала и выведение собственной частоты за пределы рабочего диапазона частот, связанных с частотой вращения вала.

Дополнительно исследовалось влияние направления эксцентриситета смежных валов по углу(фазы эксцентриситета). Величина эксцентриситета не оказывает влияния при значениях угла в 90º и 270º, а при 180º – существенно увеличивает реакцию в опоре.

Получено практически полное совпадение графиков частоты и спектральной плотности,полученных при натурных испытаниях и по результатам моделирования, подтверждающих вывод о том, что повышенная динамическая реакция в опоре промежуточного вала вызвана эксцентриситетом валов карданного привода.

Работа выполнена под руководством СимоноваВ.А.

35

А.А. Левченя РАЗРАБОТКА УПРАЩЕННОЙ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ ДЛЯ

ПРИКИДОЧНОГО РАСЧЕТА КУЗОВА ВАГОНА-ХОППЕРА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Объект исследования: кузов вагона-хоппера для перевозки зерна модели

19-3054-04.

Результаты, полученные лично автором: разработана упрощённая стержневая конечно-элементная модель кузова вагона-хоппера, позволяющая получить результаты по среднему сечению, удовлетворительно соответствующие результатам расчета подробной пластинчатой конечно-элементной модели.

На первом этапе исследования производится расчет кузова как балки на двух опорах. Построена расчетная схема кузова, определены значения изгибающих моментов и нормальных сил, определены геометрические характеристики сечения, произведен расчет напряжений по среднему сечению в верхней и нижней точках от действия нагрузок, соответствующих первому нормативному расчетному режиму.

Для проверки полученных значений был проведен расчет кузова по уточненной конечно-элементной модели. Порядок создания и расчета был следующим:

1.Сначала построена поверхностная геометрическая модель четверти кузова вагона.

2.На основе геометрической модели создана пластинчатая конечноэлементная модель.

3.Далее к конечно-элементной модели прикладывались внешние нагрузки и ограничения. Нагрузки прикладывались по наклонным плоскостям бункеров и торцевой стены, ограничения приложены в шкворневом узле (вертикальная связь) и по ребрам, находящимся в плоскостях симметрии (симметричные связи). Поочередно были приложены: продольная сжимающая

(3 МН) и растягивающая (2,5 МН) силы, соответствующие I расчетному режиму.

Произведено сопоставление результатов, полученных в верхней и нижней точках среднего поперечного сечения по прикидочному расчету и расчету МКЭ.

Разница в результатах составила около 40% по нижней точке, и по верхней точке – более 400%.

Большие погрешности результатов расчета могут быть объяснены непостоянством сечения вагона по длине, наличием таких элементов как раскосы и подкосы, неравномерным распределением нагрузки по длине рамы.

Была предложена упрощенная стержневая расчетная схема, в которой элементы конструкции по длине имеют разную жесткость, а также нагрузка распределена неравномерно (рис.1).

36

Рис.1. Упрощенная стержневая конечно-элементная модель кузова

К узлам конструкции 2,3,4,5,6 и 7 подходят 2 стержневых элемента, один из которых моделирует работу элементов рамы, а второй – боковой стены.

Были определены геометрические характеристики стержней, составляющих расчетную схему.

Центры тяжести стержневых элементов соответственно смещены относительно узлов расчетной схемы.

Расчет предложенной расчетной схемы производился в промышленном программном комплексе Femap.

В таблице 1 приведены результаты расчетов по трем расчетным схемам.

* Числа в скобках соответствуют расчету МКЭ, при котором запрещены перемещения узлов конструкции в поперечном направлении.

Результаты, полученные при помощи предложенной упрощенной модели, соответствуют расчету по МКЭ в большей степени, чем балка на двух опорах.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Подвижной состав железных дорог» Д.Ю. Расина

37

А.С. Митраков ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ХОДОВОЙ ДИНАМИКИ

ПАССАЖИРСКОГО ПОЕЗДАС СИСТЕМОЙ ПРИНУДИТЕЛЬНОГО НАКЛОНА КУЗОВА

Объект исследования: отечественный пассажирский поезд, оборудованный системой принудительного наклона кузова.

Результаты, полученные лично автором: разработана оригинальная конструкция пассажирского поезда с системой принудительного наклона кузова, разработаны твердотельныекомпьютерные модели состава, оборудованного принудительной системой наклона кузова; получены параметры его ходовой динамики.

Выполнено исследование параметров ходовой динамики пассажирского поезда, оборудованного системой наклона кузова в кривых участках пути.

Одним из требований, предъявляемых к современному пассажирскому подвижному составу, является повышение средних маршрутных скоростей и соответственно уменьшение времени нахождения в пути. Препятствием на пути к этим целям является ограничение на скорости движения вагонов в кривых. Ограничения связаны с обеспечением безопасности в отношении опрокидывания вагона в кривых, а также необходимого уровня комфортной перевозки пассажиров по уровню непогашенных боковых ускорений. В условиях роста конструкционных скоростей движения подвижного состава на участках пути со значительным количеством кривых эффект роста средних маршрутных скоростей фактически отсутствует. Решением указанной проблемы является применение пассажирского подвижного состава, оборудованного системой принудительного наклона кузова в кривых.

Система принудительного наклона кузовов позволяет обеспечить безопасность движения, а также снизить воздействие на пассажиров центробежного ускорения при движении в кривых участках пути с повышенными скоростями.

Критериями безопасности для поездов с принудительным наклоном кузова являются: исключение опрокидывания в кривых, исключение схода колесной пары с рельсов, обеспечение допускаемых величин динамических характеристик, обеспечение допускаемого значения усилий отжатия рельса.

Критерием обеспечения комфорта пассажиров является непогашенное ускорение, действующее на человека.

В работе предлагается реализация системы принудительного наклона на базе отечественного электропоезда ЭД4М, оборудованного пневматическим подвешиванием. Система наклона кузова построена на управлении уровнем опорных поверхностей пневматических рессор одной тележки контроллером,

38

определяющим необходимый угол наклона кузова на основе показаний датчиков угловыхускорений, расположенныхна кузове вагона.

Для оценки эффективности и безопасности предлагаемой системы разработана твердотельная динамическая модель пятивагонной секции (рис.1), состоящей из двух головных вагонов, двух прицепных вагонов и одного моторного. Вагоны представляют собой систему абсолютно твердых тел, связанных между собой силовыми элементами и шарнирами. Для оценки динамических воздействий на пассажира в середине салона кузова размещены твердотельные модели антропометрических манекенов типа Hybrid III 50th MaleDummy. В салоне размещается два манекена: один сидя, второй – в положении стоя.

Рис.1. Твердотельнаядинамическаямодель пяти вагоннойсекции

Динамическая модель пневморессоры описывается в цифровом процессоре MatlabSimulink и интегрируется в пакет ПК «Универсальный механизм».

Расчет угла наклона на основании данных динамической загруженности проводится в программе MatlabSimulink и управляющее воздействие передаётся в модель пневморессоры, изменяя угол наклона кузова.

По результатам моделирования движения состава по прямым участкам пути,кривым и стрелочным переводам с повышенными скоростями были получены динамические характеристики состава, оборудованного системой принудительного наклона кузова:

-вертикальные и горизонтальные ускорения кузова;

-коэффициент плавности хода;

-силы отжатия рельса;

-коэффициенты безопасности в отношении вкатывания колеса на рельс.

Полученные при моделировании движения поезда показатели ходовой динамики оценивались по их средним значениям с вероятностью не превышения Р=0,999 путем обработки осциллограмм временных зависимостей в соответствии с РД 24.050.37.

Анализ полученных динамических характеристик показал, что предлагаемая в работе система наклона кузова в кривых позволяет снизить ускорения кузова на 20% и повысить плавность хода на 15%.

Сопоставляя динамические характеристики предлагаемой конструкции поезда с эксплуатируемым в России электропоездом с принудительным

40

Верификация полученных результатов была проведена данными аналитического расчета кузова с использованием упрощенной расчетной схемы кузова как балки на двух опорах. Сопоставление показывает, что разность результатов не превышает 20%, что подтверждает достоверность полученных результатов.

Оценка динамических усилий, действующих на несущую конструкцию кузова при маневровых соударениях, проведена на основе разработаннойтвердотельной компьютерной модели соударения груженого вагона с препятствием в виде одиночно стоящего полувагона с максимально допустимой скоростью V=14 км/ч (рис. 2).

Рис. 2. Твердотельнаякомпьютернаямодель соударениягруженоговагонас препятствиемв видеодиночностоящегополувагона

В результате твердотельного моделирования определены динамические усилия, действующие на торцевую стену вагона, для двух вариантов представления штучного груза на поддонах. В первом варианте весь груз рассматривался как абсолютно твердое тело, соединенное с кузовом контактными элементами, а также силовыми элементами, моделирующими систему крепления груза. Во втором варианте груз моделировался в виде системы твердых тел, каждая из которых моделирует груз, уложенный на поддон.

Анализ данных, полученных в результате исследования, показал, что представление в компьютерной модели грузав виде системы твердых тел позволяет уточнить динамические усилия, действующие на торцевую стену вагона при соударении, на 8-16%.

Анализ напряженно-деформированного состояния несущей конструкции торцевой стены крытого грузового вагона выполнялся в динамической постановке методом непосредственного интегрирования уравнений узловых перемещений от действия уточненных маневровых нагрузок, полученных из твердотельной компьютерной модели.

Рассчитанные максимальные напряжения в несущей конструкции торцевой стены при соударении вагона с препятствием на скорости 14 км/ч превышают предел текучести, что свидетельствует о наличии в торцевой стене пластических деформаций.

Для снижения уровня нагруженности торцевой стены крытого грузового вагона при маневровых соударениях предложена схема крепления груза нейлоновыми сетями с передачей продольных