К вопросу взаимодействия подвижного состава и геометрических параметров трассы высокоскоростных железнодорожных магистралей

УДК 625.1

С. В. Шкурников, О. С. Морозова

К ВОПРОСУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРАССЫ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ

МАГИСТРАЛЕЙ

Дата поступления: 10.07.2017 Решение о публикации: 17.07.2017

Аннотация

Цель: Ввиду отсутствия мирового опыта эксплуатации на одном рельсовом пути совмещенного движения высокоскоростных пассажирских (со скоростью движения до 400 км/ч), скоростных пассажирских (со скоростями движения до 250 км/ч) и специальных грузовых поездов (со скоростью более 200 км/ч) единственным возможным способом изучения воздействия состава на железнодорожный путь является компьютерное моделирование. Проводится анализ существующих компьютерных программ и определяется наиболее приемлемая для решения задач совмещенного движения. Методы: Используется имитационное моделирование. На основании полученной модели рассматривается возможность практического применения программного комплекса «Универсальный механизм». Результаты: Разработана пробная имитационная модель вагона высокоскоростного поезда в программном комплексе «Универсальный механизм». Предварительные результаты показали возможность его применения для исследования взаимодействия высокоскоростного экипажа и пути. Практическая значимость: Современные компьютерные технологии позволяют решать задачи динамического взаимодействия с высокой степенью достоверности. В многообразии программного обеспечения для изучения динамического поведения железнодорожного экипажа в России особую популярность приобрел программный комплекс «Универсальный механизм», применение которого возможно для исследования динамического поведения различных категорий поездов на различных участках плана и профиля железнодорожного пути.

Ключевые слова: Высокоскоростной железнодорожный транспорт, имитационное моделирование, динамика железнодорожных экипажей, программный комплекс «Универсальный механизм», движение экипажа в круговой кривой.

Sergey V. Shkurnikov, Cand. Eng. Sci., associate professor, head of a chair, 3123810@mail.ru; *Olga S. Morozova, postgraduate student, olya.morozova51@gmail.com (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) ON INTERACTION OF A ROLLING STOCK AND GEOMETRICAL PARAMETRES OF HIGH-SPEED NETWORKS' ROUTE

Summary

Objective: Due to the lack of global experience of holding on one track high-speed passenger trains (moving at a speed up to 400 km/h), high-speed passenger trains (moving at a speed up to

250 km/h) and special freight trains (accelerating to a speed of more than 200 km/h), the only possible way of studying the influence of a train on a track is computer simulation modeling. The analysis of the existing computer programs was carried out and the most effective programme for the solution of combined train movement was selected. Methods: Simulation modeling was applied. On the basis of the obtained model the possibility of "Universal mechanism" software practical application was considered. Results: A test simulation model of a high-speed train carriage was developed in "Universal mechanism" software application. Preliminary results showed the possibility of its usage for the study of a high-speed train and track interaction. Practical importance: Modern computer technologies make it possible to solve the tasks of dynamic interaction with a high degree of accuracy. Among the variety of software used for the study of dynamic behavior of a railway vehicle in Russia, "Universal mechanism" software application is of wide popularity and may be used for the study of dynamic behavior of different types of trains on railway tracks of different plans and profiles.

Keywords: High-speed railway transport, simulation modeling, dynamics of railway vehicles, "Universal mechanism" software application, railway vehicle operation in a circular curve.

Введение

Особенностью организации движения по одному рельсовому пути высокоскоростных пассажирских поездов (при скоростях движения до 400 км/ч), скоростных пассажирских и специальных грузовых составов (при меньших скоростях движения) является то, что в мире и в России нет аналогов проектирования и эксплуатации железных дорог с подобным совмещением. Трудность вызывают вопросы, связанные с поведением железнодорожного экипажа в круговой кривой. Существенные скорости движения высокоскоростного поезда способствуют возрастанию центробежной силы, влияние которой неблагоприятно сказывается на комфортабельности езды пассажиров, а также приводит к дополнительному силовому воздействию на наружную рельсовую нить. Известно, что для уменьшения влияния центробежной силы устраивается возвышение наружного рельса в кривой. В то же время специальный грузовой поезд, масса которого может быть больше, а скорости движения меньше, двигаясь в кривой, создает центростремительные силы, действующие внутрь кривой и оказывающие влияние на внутреннюю рельсовую нить. При проектировании кривой в плане следует стремиться к суммарному равенству центробежных и центростремительных сил, которое приводит к обеспечению равномерного износа рельсовых нитей [1, 2].

Современные информационно-вычислительные технологии позволяют решить эту задачу с помощью компьютерного моделирования с высокой степенью достоверности. Оно не требует изготовления опытного образца, может включать в себя любое необходимое количество численных экспериментов, а также позволяет получать зависимости состояния динамической системы от различных факторов. Однако результаты компьютерного моделирования требуют экспериментального подтверждения.

Существует множество компьютерных программ, позволяющих исследовать динамику подвижного состава как отечественного, так и зарубежного производства. Наиболее популярными из них являются: ДИОНиС (МИИТ, Россия), Универсальный механизм (БГТУ, Россия), специализированный модуль RAIL системы ADAMS (MSC Software, США), SIMPACK (Германия), MEDYNA (Германия), Vampire (DeltaRailGroup, Великобритания), модуль VI-Rail системы VI-Grade (Германия) [3].

В общем случае модель для изучения динамики поезда или железнодорожного экипажа представлена совокупностью твердых тел, связанных между собой шарнирными, упругими или диссипативными элементами [4, 5]. За счет трения, упругости, постоянства линейных размеров связи накладывают ограничения на перемещения и скорости элементов динамической системы. Состояние динамической системы поезда определяется как совокупность величин сил и моментов в данный момент времени [6].

Для сложных технических систем, таких как поезд, лучше разрабатывать упрощенные модели, применимые в конкретной ситуации. В зависимости от поставленной задачи динамической системой может являться колесная пара, отдельная тележка, одиночный вагон, локомотив или железнодорожный состав [6, 7].

Ключевые возможности программного комплекса «Универсальный механизм»

Динамические модели, предназначенные для решения задач железнодорожного транспорта, можно разделить на две группы: модели динамики поезда и модели динамики железнодорожного экипажа.

Модели динамики поезда можно разделить на модели продольной, поперечной и вертикальной динамики. Комплексное их сочетание возможно, однако оно связано с трудоемкими расчетами. Задачи продольной динамики могут быть решены с помощью модуля UM Train (Моделирование динамики железнодорожных экипажей), включенного в пакет программного комплекса «Универсальный механизм» (ПК UM) [8]. Традиционно модель продольной динамики железнодорожного состава состоит из цепочки твердых тел (железнодорожных экипажей - вагонов и локомотивов), соединенных между собой упруго-фрикционными и поглощающими устройствами. Для упрощения динамической модели в ПК UM достаточно представить вагон или локомотив в качестве одномассовой системы с одной степенью свободы - направленное перемещение вдоль пути [5]. Подсистема «вагон» представлена одним телом, которому назначен соответствующий графический образ. Каждый графический образ состоит из нескольких графических элементов, создать которые

можно с помощью встроенного в ПК UM графического редактора или импорта из CAD программ (SolidWorks, AutodeskInventor и др.) [9].

Известно, что величина продольных сил достигает своего максимального значения при трогании состава с места или его торможении, а также зависит от параметров профиля пути. При этом появляются дополнительные силы, действующие вдоль вагонов, в соединительных устройствах. Продольные силы прямо влияют на безопасность движения поезда, так как значительные усилия могут привести к разрывам сцепного оборудования [10].

В случае движения поезда в круговой кривой в автосцепках возникают усилия, действующие в поперечном направлении, определить которые с помощью модели продольной динамики невозможно. Для изучения сил, действующих на элементы состава в криволинейных участках пути, применимы модели поперечной динамики поезда. В свою очередь, модели вертикальной динамики могут быть использованы для анализа вынужденных колебаний груза и рассмотрения возможности разрыва автосцепки в вертикальной плоскости.

Моделировать динамику железнодорожного экипажа возможно с помощью модуля UM Loœ (Моделирование динамики рельсовых экипажей) (рис. 1). Динамические системы рельсовых экипажей позволяют изучать реакции элементов вагона на неровности пути, определяют силы взаимодействия колеса и рельса, а также факторы износа в кривых и прямых участках пути. Они применяются для расчета критической скорости экипажа, выявляют зависимости динамических характеристик экипажа от геометрии профилей колеса и рельса [4]. Модель рельсового экипажа в UM Loco представлена в виде совокупности твердых тел (колесная пара, рама тележки, кузов вагона, буксовые узлы), связанных между собой шарнирами и силовыми элементами. Сложные модели рельсовых экипажей удобно задавать методом подсистем (рис. 2) [11-13], используя при этом повторяющиеся элементы железнодорожного экипажа как условную единицу (в случае ПК UM-подсистему).

Рис. 1. Общий вид пассажирского вагона высокоскоростного поезда в ПК им

N

0

ю

Q

*а

1

м

ES

M

О

X CD

S »

я о to о К о H CD

S л

CD

M M E

X

о о о

H g

о to CD Ü N

И

E

о

о §

о §

о о о H M о

M

о

я о

CD

u>

to »

Колесная пара в ПК ИМ является стандартной подсистемой. Ее геометрические свойства колесной пары характеризуются длиной полубазы и радиусом круга катания. Программой предусмотрены различные отклонения колеса от идеальной формы. Встроенный в модуль моделирования динамики инструмент позволяет создавать произвольные профили колес. ПК ИМ дает возможность задавать параметры движения по идеально ровному пути (отсутствие кривых участков пути и неровностей рельсовой колеи). Геометрия рельсов в кривой включает в себя следующие компоненты: профили рельсов, расстояние между центрами головок рельсов, подуклонку. В программе можно смоделировать движение в правой, левой и 8-образной кривой. Для создания элементов рессорного подвешивания экипажа в ПК ИМ используются специальный силовой элемент типа «пружина», «обобщенный линейный» и «биполярный» силовые элементы [10].

Взаимодействие колеса и рельса характеризуется рядом особенностей. Для расчета контакта колеса и рельса в ПК ИМ применяются различные модели контактных сил. Разработчики ПК ИМ предлагают использовать модель Мюллера, FastSim и FastSimA для моделирования динамики железнодорожных экипажей, для изучения процессов износа и контактно-усталостной долговечности - многоточечную и неэллиптическую модель, а для моделирования динамики пути - только многоточечную [4].

Основной задачей исследования является моделирование динамики экипажа в кривой. Криволинейное движение сопровождается значительными поперечными воздействиями колесной пары на рельсы, главным образом влияющими на износ рельсовых нитей. При движении колесной пары в кривой колесо может контактировать с головкой рельса в двух различных точках. Двухточечный контакт приводит к образованию двух площадок контакта: на поверхности катания рельса и на боковой поверхности головки рельса [14].

Заключение

Следует отметить, что российский программный комплекс «Универсальный механизм» представляет собой специализированное приложение для автоматизированного составления и расчета уравнений движения, а также моделирования сложных технических систем, в частности для решения задач продольной и поперечной динамики поезда и железнодорожных экипажей. В настоящее время интерес к программе проявляется и в России, и за ее пределами. На официальном сайте программного комплекса [15] приведены публикации, посвященные исследованиям сложных динамических систем на русском и английском языках. Комплекс применим не только для специалистов, занимающихся совершенствованием конструкции подвижных соста-

вов, но и для разработок, связанных с процессами взаимодействия рельсовых экипажей и пути, а также мостовых конструкций.

Решение непростой задачи совмещенного движения на одном рельсовом пути высокоскоростных пассажирских, со скоростями движения до 400 км/ч, скоростных пассажирских и специальных грузовых поездов требует всестороннего анализа процессов, происходящих на основной площадке земляного полотна, в системе верхнего строения пути и элементах подвижного состава. Правильно составленная динамическая модель высокоскоростного пассажирского состава при реализации смешанного движения в программном комплексе «Универсальный механизм» позволит получить результаты, приближенные к реальным условиям. На основании полученных данных, а также после проведения натурных испытаний можно будет сделать выводы касательно возможных величин отрицательных и непогашенных ускорений.

Библиографический список

1. Шкурников С. В. Общие требования к проектированию высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва-Казань / С. В. Шкурников, Н. С. Бушуев, В. А. Голубцов // Транспорт Российской Федерации. - 2015. - № 2 (57). - С. 26-29.

2. Бушуев Н. С. Рекомендации по выбору параметров круговых кривых при совмещенном движении высокоскоростных пассажирских и скоростных специальных грузовых поездов / Н. С. Бушуев, С. В. Шкурников, В. А. Голубцов // Техника железных дорог. -2016. - Вып. 2 (34). - С. 71-76.

3. Ковалев Р. В. Разработка и реализация эффективных методик компьютерного исследования динамики и оптимизации параметров ходовых частей железнодорожных экипажей : дис. ... канд. техн. наук : 05.22.07 / Р. В. Ковалев. - Брянск, 2014. - 114 с.

4. Погорелов Д. Ю. Моделирование динамики железнодорожных экипажей. Руководство пользователя / Д. Ю. Погорелов. - Брянск, 2012. - URL : http://www.universalmecha-nism.com/download/70/rus/08_um_loco.pdf (дата обращения : 19.06.2017).

5. Погорелов Д. Ю. Моделирование динамики поезда. Руководство пользователя / Д. Ю. Погорелов. - Брянск, 2014. - URL : http://www.universal-mechanism.com/download/ 70/rus/15_um_train.pdf (дата обращения : 21.06.2017).

6. Гарг В. К. Динамика подвижного состава / В. К. Гарг, Р. В. Дуккипати ; пер. с англ. ; под ред. Н. А. Панькина. - М. : Транспорт, 1988. - 391 с.

7. Вериго М. Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава / М. Ф. Вериго, А. Я. Коган ; под ред. М. Ф. Вериго. - М. : Транспорт, 1986. - 559 с.

8. Погорелов Д. Ю. Моделирование динамики поезда. Руководство пользователя / Д. Ю. Погорелов. - Брянск, 2014. - URL : http://www.universal-mechanism.com/download/ 70/rus/15_um_train.pdf (дата обращения : 21.06.2017).

9. Погорелов Д. Ю. Импорт данных из СAD программ. Руководство пользователя / Д. Ю. Погорелов. - Брянск, 2015. - URL : http://www. universalmechanism.com/download/ 70/rus/09_um_cad_interface.pdf (дата обращения : 23.06.2017).

10. Кантор И. И. Изыскания и проектирование железных дорог / И. И. Кантор. - М. : Академкнига, 2003. - 288 с.

11. Погорелов Д. Ю. Механическая система как объект моделирования. Руководство пользователя / Д. Ю. Погорелов. - Брянск, 2015. - URL : http://www.universalmechanism. com/download/70/rus/02_um_technical_manual.pdf (дата обращения : 03.07.2017).

12. Гапанович В. А. Технические особенности высокоскоростного поезда VelaroRus / В. А. Гапанович, А. С. Назаров, А. Н. Яговкин, Е. Г. Янченко, С. В. Шулындин, О. Н. Назаров // Техника железных дорог. - 2009. - № 1 (5). - С. 37-49.

13. Высокоскоростной железнодорожный подвижной состав для ВСМ. Технические требования. - Утв. первым вице-президентом ОАО «РЖД» А. С. Мишариным 06.08.2015 г. - М. : ОАО «РЖД», 2015. - 14 с.

14. Воробьев А. А. К вопросу механики контактного взаимодействия колеса и рельса / А. А. Воробьев, Ю. В. Рязанов, П. М. Терехов. - СПб. : ПГУПС, 2010. - URL : http://www.science-bsea.bgita.ru/2010/mashin_2010/vorobev_vopros.htm (дата обращения : 03.05.2017).

15. Официальный сайт программного комплекса «Универсальный механизм». -URL : http://www.umlab.ru/pages/index.php?id=1 (дата обращения : 03.05.2017).

References

1. Shkurnykov S. V., Bushuyev N. S. & Golubtsov V.A. Obshiye trebovaniya k proyek-tyrovaniyu vysokoskorostnoy zheleznodorozhnoy magystraly Moskva-Kazan [General requirements on Moscow-Kazan high-speed railway line construction]. Transport of the Russian Federation, 2015, no. 2

2. Bushuyev N. S., Shkurnikov S. V. & Golubtsov V. A. Rekomendatsii po vyboru para-metrov krugovykh kryvykh pry sovmeshennom dvyzhenii vysokoskorostnykh passazhyrskykh i skorostnykh spetsialnykh gruzovykh poyezdov [Recommendations on identification of parameters of circular curves with dual operation of high-speed passenger trains and special freight trains]. Railroad engineering, 2016, vol. 2

3. Kovalev R. V. Razrabotka i realizatsiya effektyvnykh metodyk kompyuternogo issledo-vaniya dynamyky i optymyzatsiiparametrov khodovykh chastey zheleznodorozhnykh ekypazhey [Development and realization of computer methods of dynamic research and parameter optimization of railway trucks]: Cand. diss. Bryansk, 2014, 114 p.

4. Pogorelov D. Y. Modelyrovaniye dynamyky zheleznodorozhnykh ekypazhey. Rukovod-stvo polzovatelya [Dynamic simulation of railway trains. User guide]. Bryansk, 2012. - URL: http://www. universalmechanism.com/download/70/rus/08_um_loco.pdf

5. Pogorelov D. Y. Modelyrovaniye dynamyky poyezda. Rukovodstvopolzovatelya [Dynamic simulation of a train vehicle. User guide]. Bryansk, 2014. - URL: http://www.universal-mechanism.com/download/70/rus/15_um_train.pdf

6. Garg V. K. & Dukkypaty R. V. Dynamyka podvyzhnogo sostava [Dynamics of the rolling stock]. Tr. from English ed. by N. A. Pankyna. Moscow, Transport Publ., 1988, 391 p.

7. Verigo M. F. & Kogan A. Y. Vzaimodeistviyeputy ipodvyzhnogo sostava [Track and rolling stock interaction]. Moscow, Transport Publ., 1986, 559 p.

8. Pogorelov D. Y. Modelyrovaniye dynamyky poyezda. Rukovodstvopolzovatelya [Dynamic simulation of a train vehicle. User guide]. Bryansk, 2014. - URL: http://www.universal-mechanism.com/download/70/rus/15_um_train.pdf

9. Pogorelov D. Y. Import dannykh iz CAD program. Rukovodstvo polzovatelya [Import of data from CAD programmes. User guide]. Bryansk, 2015. - URL: http://www. universalmecha-nism.com/download/70/rus/09_um_cad_interface.pdf

10. Kantor I. I. Izyskaniya i proyektyrovaniye zheleznykh dorog [Surveying work and railroad design]. Moscow, Akademkniga Publ., 2003, 288 p.

11. Pogorelov D. Y. Mekhanicheskaya systema kak obyekt modelyrovaniya. Rukovodstvo polzovatelya [Mechanical system as a simulation object. User guide]. Bryansk, 2015. - URL: http://www. universalmechanism.com/download/70/rus/02_um_technical_manual.pdf

12. Gapanovich V. A., Nazarov A. S., Yagovkyn A. N., Yanchenko Y. G., Shulyndyn S. V. & Nazarov O. N. Tekhnicheskiye osobennosty vysokoskorostnogo poyezda VelaroRus [Technical peculiarities of VelaroRus high-speed train]. Railroad engineering, 2009, no. 1

13. Vysokoskorostnoy zheleznodorozhniy podvyzhnoy sostav dlya VSM. Tekhnicheskiye trebovaniya [High-speed rolling stock for VSM. Technical requirements]. Utverzhdeny per-vym vitse-prezidentom OAO "RZhD" A. S. Mysharynym 06.08.2015 [approved by the vice-president of OAO "RZhD" A. S. Mysharyn 06.08.2015]. Moscow, OAO "RZhD" Publ., 2015, 14 p.

14. Vorobyev A. A., Ryazanov Y. V. & Terekhov P. M. K voprosu mekhanyky kontaktno-go vzaimodeystviya kolesa i relsa [On mechanics of a wheel and a rail interaction]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2010. - URL: http://www.science-bsea.bgita.ru/2010/mashin_2010/vorobev_ vopros.htm

15. Ofitsialniy saitprogrammnogo kompleksa "Universalniy mekhanizm" [Official website of "Universalmechanism" software application].- URL: http://www.umlab.ru/pages/index. php?id=1

ШКУРНИКОВ Сергей Васильевич - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, 31 23810@mail.ru; *МОРОЗОВА Ольга Сергеевна - аспирант, olya.morozova51@gmail.com (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).

© Шкурников С. В., Морозова О. С., 2017 104