Результаты исследований численными методами вертикальных воздействий на путь специальных и специализированных вагонов промышленного транспорта

БУД1ВНИЦТВО, РЕКОНСТРУКЦ1Я ТА ЕКСПЛУАТАЦ1Я КОНСТРУКЦ1Й I СПОРУД ЗАЛ1ЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ

УДК 625.143.482

Даренский А.Н., к.т.н., профессор

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ЧИСЛЕННЫМИ МЕТОДАМИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПУТЬ СПЕЦИАЛЬНЫХ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ВАГОНОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ТРАНСПОРТА

Введение. Одной из главных задач при разработке мероприятий, позволяющих уменьшить количество отказов пути из-за неблагоприятных воздействий специальных и специализированных вагонов промышленного транспорта, является поиск методов и средств, позволяющих с большой точностью раскрыть существо и течение динамических процессов, возникающих при движении таких вагонов.

Такие методы и средства должны давать не только качественную, но и количественную информацию о процессах, адекватных реальным процессам в пути. Необходимо, чтобы информация имела вид графиков, изображающих течение динамических процессов во времени. Объем вводимой в исследования технической информации, описывающий практически все детали конструкции пути и подвижного состава должен быть достаточно большим для исследований влияния на динамические процессы взаимодействия подвижного состава и пути значительного числа параметров, их комбинаций и условий движения.

Таким методом является, по мнению автора, метод математического моделирования пространственной динамической системы "экипаж-путь"[1-4] и его реализация с использованием современных программных систем. Алгоритм и программа математической модели фактически адекватны натуральным физическим процессам, происходящим в реальных конструкциях пути и подвижного состава, что подтверждается серией экспериментальных работ [5].

Исследование воздействия специальных и специализированных вагонов на путь численными методами с использованием программной реализации математической модели позволяет получать результаты при

точно заданных исходных данных. Между тем при опытах в пути установить точно исходные данные каждого опыта практически невозможно. По времени выполнения исследований численными методами, возможностями быстрого изменения исходных данных, затратам материальных и финансовых средств, математическое моделирование значительно превосходит метод натурных экспериментов.

Основная часть. Для выявления особенностей воздействия на путь специального и специализированного подвижного состава промышленного транспорта были выполнены многовариантные расчеты с использованием разработанной компьютерной программы математической модели пространственной динамической системы "экипаж-путь" [1-4].

В качестве расчетных экипажей были приняты некоторые наиболее распространенные типы специальных и специализированных вагонов металлургических и горнодобывающих предприятий Украины.

Также был принят наиболее массовый грузовой вагон магистрального транспорта - четырехосный полувагон на тележках типа ЦНИИ-ХЗ-0, который рассматривался в качестве эталонной нагрузки для сравнительного качественного анализа результатов. В расчетах использована модель 12-1000, как наиболее употребляемая для внешних и внутренних перевозок металлургических и горнодобывающих предприятий.

Технические характеристики указанных выше вагонов, которые были приняты в расчетах, получены на основании анализа информации, приведенной в [6-8]. Для каждого экипажа учитывалось 25 параметров.

Скорость движения экипажей задавались для специальных вагонов от 2,5 до 7,5 км/ч, в некоторых случаях - до 10 км/ч, для специализированных вагонов и полувагона модели 12-1000 - от 5 до40, редко - до 80 км/ч, что соответствует разрешенным скоростям движения для такого подвижного состава на промышленном транспорте.

Рассматривался прямой участок пути с рельсами типа Р65 на железобетонных и деревянных шпалах. Характеристики рельсов -моменты инерции, моменты сопротивлений, площади поперечного сечения принимались с учетом износа рельсов в процессе эксплуатации [9].

Пространственные жесткости и приведенные эквивалентные коэффициенты диссипации рельсовых опор принимались в зависимости от сроков эксплуатации пути по результатам исследований, изложенным в [10].

Поскольку величины вертикальных сил воздействия на путь у разных типов специальных и специализированных вагонов могут отличаться более, чем в два раза, и эти силы непрерывно изменяются при движении экипажей, для сравнительного анализа более удобно и информативно использовать не их абсолютные значения, а коэффициенты динамики и

амплитудные коэффициенты. Коэффициент динамики представляет собой отношение максимальных вертикальных динамических сил, возникающих при движении, к величине статической колесной (или осевой) нагрузки:

р

ту тах дин

Поскольку при движении экипажа вертикальные силы изменяются не только в большую, но и в меньшую от статических значений сторону, величину этих изменений можно оценивать значениями амплитудного коэффициента:

р

ту тах дин Ка - Р-

тт дин

Следует отметить, что при использовании расчетной схемы рельса как балки на сплошном упругом основании в динамических расчетах взаимодействия экипажа и пути в вертикальной плоскости, при движении экипажа по прямому ровному участку с установившейся скоростью коэффициент динамики и амплитудный коэффициент равны единице. Между тем в реальных условиях вертикальные силы непрерывно изменяются и эти коэффициенты отличаются от единицы весьма существенно.

На рисунке 1 приведены полученные в результате расчетов графики изменений вертикальных сил, действующих от колеса на рельс при движении различных вагонов по пути со скоростью 10 км/ч. В качестве оси абсцисс использовано пройденное вагоном расстояние, ось ординат - силы воздействия (Н). В этих расчетах величины пространственных жесткостей рельсовых опор были приняты постоянными.

На рисунке 2 - 8 приведены полученные на основании анализа результатов расчетов графики зависимостей коэффициентов динамики и амплитудных коэффициентов от скоростей движения тех вагонов, которые являются наиболее характерными типами подвижного состава для условий промышленного железнодорожного транспорта. Значения скоростей движения приняты в приделах фактически реализуемых. На рисунках даны графики зависимостей для пути на железобетонных и на деревянных шпалах, как для новой конструкции, так и после десяти лет ее эксплуатации. Эпюра шпал в расчетах принята равной 1840 шт./км.

Рисунок 1. - Графики динамических вертикальных сил при движении вагонов:

1 - полувагон модели 12-1000, путь на деревянных шпалах, скорость -

10 км/ч

2 - то же железобетонные шпалы

3 - думпкар ВС-85, деревянные шпалы

4 - то же железобетонные шпалы

5 - чугуновоз грузоподъемностью 140 т, деревянные шпалы, скорость

- 5 км/ч

6 - то же, скорость 10 км/ч

7 - чугуновоз грузоподъемностью 140 т, железобетонные шпалы,

скорость - 5 км/ч

8 - то же, скорость 10 км/ч

Графики показывают, что на динамические вертикальные силы оказывают влияние как характеристики двигающихся экипажей, их скорость, так и жесткости рельсовых опор. Причем характер изменений этих сил существенно различается при разных вариантах расчетов.

Для всех рассмотренных типов вагонов зависимости коэффициентов динамики и амплитудных коэффициентов от скоростей движения представляют собой показательные функции, при этом показатель степени аргумента меньше единицы, хотя, ориентируясь на общие положения динамики процесса, можно было бы ожидать другие значения. По-видимому здесь оказывает влияние не только скорость движения вагонов, но и соотношение жесткостей рессорных комплектов вагонов и пути, параметры диссипации в этих подсистемах и другие факторы.

При одинаковых скоростях движения, например 5 км/ч, для полувагона коэффициент динамики находится в пределах 1,006^1,009 для разных типов шпал и сроков службы пути; думпкара ВС-85 -1,032^1,057; для чугуновоза грузоподъемностью 140 т - 1,059^1,075; для тележки И-120-550 эти величины достигают значений 1,115^1,127. В то же время при скорости 10 км/ч значения амплитудных коэффициентов составляют 1,06 - 1,15 для полувагонов 1,01 - 1,02, для думпкара ВС-85, 1,128 - 1,147 для чугуновоза грузоподъемностью 140 т.

Рисунок 2. - Графики зависимостей коэффициентов динамики от скорости движения полувагона модели 12-1000

1 - железобетонные шпалы, ^л=0

2 - железобетонные шпалы, ^л=10 лет

3 - деревянные шпалы, ^л=0

4 - деревянные шпалы, ^п=10 лет.

Рисунок 3. - Графики зависимостей амплитудных коэффициентов от скорости движения полувагона модели 12-1000

1 - железобетонные шпалы, ^л=0

2 - железобетонные шпалы, ^л=10 лет

3 - деревянные шпалы, ^л=0

4 - деревянные шпалы, ^л=10 лет.

102.

« У(кп/ч!

Рисунок 4. - Графики зависимостей коэффициентов динамики от скорости движения думпкара ВС-85

1 - железобетонные шпалы, ^л=0

2 - железобетонные шпалы, ^л=10 лет

3 - деревянные шпалы, ^л=0

4 - деревянные шпалы, ^п=10 лет.

105

5 7,5 10 у

Рисунок 5. - Графики зависимостей коэффициентов динамики от скорости движения чугуновоза грузоподъемностью 140 т

1 - железобетонные шпалы, ^л=0

2 - железобетонные шпалы, ^л=10 лет

3 - деревянные шпалы, ^л=0

4 - деревянные шпалы, ^п=10 лет.

Рисунко 6. - Графики зависимостей амплитудных коэффициентов от скорости движения чугуновоза грузоподъемностью 140 т

1 - железобетонные шпалы, ^л=0

2 - железобетонные шпалы, ^л=10 лет

3 - деревянные шпалы, ^л=0

4 - деревянные шпалы, ^п=10 лет.

Рисунко 7. - Графики зависимостей коэффициентов динамики от скорости движения тележки для изложниц И-120-5500

1 - железобетонные шпалы, ^л=0

2 - железобетонные шпалы, ^л=10 лет

3 - деревянные шпалы, ^л=0

4 - деревянные шпалы, ^п=10 лет.

7.5 1: у ¡км/ч)

Рисунко 8. - Графики зависимостей амплитудных коэффициентов от

скорости движения тележки для изложниц И-120-5500

1 - железобетонные шпалы, ^л=0

2 - железобетонные шпалы, ^л=10 лет

3 - деревянные шпалы, ^л=0

4 - деревянные шпалы, ^п=10 лет.

Таким образом, влияние осевых нагрузок и жесткостей рессорных комплектов при движении по прямым участкам пути, не имеющем неровностей, на анализируемые параметры явно прослеживается.

Введение в расчеты неравноупругости рельсовых опор с применением метода Монте-Карло оказывает весьма существенное влияние на коэффициенты динамики. Так, при скорости 10 км/ч, изменение коэффициента неравноупругости опор от 0 до 0,2 (рисунок 9) вызывает увеличение коэффициентов динамики от 1,02 до 1,055 при движении полувагонов, для думпкаров ВС-85 эти изменения составляют 1,065^1,125, чугуновозов грузоподъемностью 140 т - 1,085^1,173 и при движении тележек для изложниц И-120-550 - 1,18^1,215.

При реализуемых на путях промышленного железнодорожного транспорта скоростях движения поездов основное влияние на величину вертикальных динамических сил оказывают короткие изолированные неровности профиля длиной до 6 м. На рисунке 10 и 11 приведены графики изменений коэффициентов динамики и амплитудных коэффициентов при движении некоторых типов вагонов, принятых к расчетам, по вертикальным изолированным неровностям длиной 2 и 4. В этих расчетах в качестве опор приняты железобетонные шпалы, срок эксплуатации пути - 10 лет. Для установления влияния именно неровностей на динамику воздействия подвижного состава на путь, жесткость опор здесь одинакова.

114

17 ,6

16 141

—"

Е-—1 > 1 1-1 I-

ои ао ас аж .,

ТV

Рисунок 9. - Графики зависимостей коэффициентов динамики экипажей от коэффициента неравноупругости рельсовых опор, железобетонные шпалы, скорость движения 10 км/ч:

1 - полувагон модели 12-1000

2 - думпкар 6 ВС-60

3 - думпкар ВС-85

4 - платформа чугуновозная 70 т

5 - чугуновоз 140 т

6 - тележка для изложниц И-120-5500

в

✓

I ✓г___ 5 д.

— >

-1--

Рисунок 10. - Графики зависимостей коэффициентов динамики от глубины вертикальной неровности пути на железобетонных шпалах, скорость движения 10 км/ч:

1, 3, 5, 7 - длина неровности 2 м

2, 4, 6, 8 - длина неровности 4 м 1, 2 - полувагон модели 12-1000

3, 4 - думпкар ВС-85 5, 6 - чугуновоз 140 т

7, 8 - тележка для изложниц И-120-5500.

Рисунок 11. - Графики зависимостей амплитудных коэффициентов динамики от глубины вертикальной неровности пути на железобетонных шпалах, скорость движения 10 км/ч:

1, 3, 5, 7 - длина неровности 2 м

2, 4, 6, 8 - длина неровности 4 м 1, 2 - полувагон модели 12-1000

3, 4 - думпкар ВС-85 5, 6 - чугуновоз 140 т

7, 8 - тележка для изложниц И-120-5500.

При скорости движения 10 км/ч по прямому участку пути с вертикальной изолированной неровностью длиной 2 или 4 м коэффициент динамики полувагона, в зависимости от глубины неровности, достигает значений 1,075 -1,123, амплитудный коэффициент - до 1,230;для думпкара ВС-85 эти значения составляют 1,16 и 1,22; для чугуновоза 1,195 и 1,30; для тележки И-120-5500 -1,24 и 1,28 соответственно. В этом случае, если в расчеты вводится неравноупругость рельсовых опор, коэффициенты динамики при движении по пути с вертикальными неровностями возрастают на 12-20 %, амплитудные коэффициенты - на 8 - 17 %.

Выводы. Таким образом, использование расчетной схемы пути как балки на упругих опорах в математической модели динамической системы "экипаж-путь" позволило установить расчетами, что при движении по прямому участку пути с неравноупругими опорами величина максимальных динамических вертикальных сил, действующих от колеса на рельс для полувагона модели 12-1000 может достигать 118 кН (при скорости 40 км/ч), для думпкара ВС-85 - 174 Кн (скорость 40 км/ч), чугуновоза грузоподъемностью 140 т - 296 кН (скорость 10 км/ч), для тележки И-120-5500 - 276 кН (скорость - 5 км/ч). При движении этих вагонов с теми же скоростями по пути с вертикальными изолированными неровностями значения вертикальных сил возрастают до 126 кН для

полувагона, 187 кН для думпкара ВС-85, 319 кН для чугуновоза грузоподъемностью 140 т и до 295 кН для тележки И-120-5500.

Литература

1. Даренський О.М. Розрахунок рейки як балки на пружних опорах тд дieю рухомого навантаження [Текст] / О.М. Даренський, Н.В. Бугаець, В.Г. В^ольберг // Д11Т, тези доповвдей. - 2010. №.14.-С.171.

2. Даренський О.М. Методолопчш основи вибору розрахунково! схеми динамiчноi системи "экiпаж-колiя" для умов промислового транспорту [Текст] / О.М. Даренський // 1КСЗТ.-2010.-№2.-С. 32-36.

3. Даренський О.М. Розрахункова схема динамiчноi системи "экшаж-тшя" для умов промислового залiзничного транспорту. Загальнi положення i допущення математично! моделi системи [Текст] / О.М. Даренський, В.Г. В^ольберг // ДонНИИЖТ. Збiрник наукових праць - 2010.- №21.-С. 219-230.

4. Даренський О.М. Умови контактування колю i рейок в горизонтальны площиш. Силовi i кiнематичнi зв'язки екшажу i коли [Текст] / О.М. Даренський // Зб. наук. праць УкрДАЗТ - 2010.- №113.-С. 171-177.

5. А.Н. Даренский. Результаты экспериментальных работ по определению сил сопротивления железобетонных шпал перемещениям [Текст] / А.Н. Даренский, В.Г. Витольберг, Н.В. Бугаец // ДонИИЖТ. Збiрник наукових праць - 2009.- №17.-С. 157-171.

6. Вагоны. Конструкция, теория и расчет [Текст]: учебник / Под. ред. Л.А. Шадура - М.: Транспорт, 1943,- 439 с.

7. Вагоны СССР [каталог-справочник 16-7-68].-М.: НИИинформтяжмаш, 1969.- 176 с.

8. Вагоны СССР [каталог-справочник 18-8-74].-М.: НИИинформтяжмаш, 1975.- 198 с.

9. Правила розрахунюв залiзничноi коли на мщшсть i стшкють [Текст]: Е.1. Даниленко, В.В. Рибкш.- К.: Транспорт Украши - 2006.-168 с.

10. Даренский А.Н. Результаты определения пространственных неупругих сопротивлений железобетонного пути деформациям для условий промышленного транспорта [Текст] / А.Н. Даренский // - 1КСЗТ.-2010.-№6.-С. 24-31