Оценка продольной нагрузки наливных грузов неоднородных поездах при различных режимах торможения

УДК 629.4.028.86

Я. Н. РОМАНЮК

Постановка задачи. С помощью математического моделирования исследуется продольная нагружен-ность неоднородных наливных поездов при различных способах торможения. Рассмотрены различные схемы формирования наливных поездов, состоящие из четырехосных и восьмиосных цистерн с различным уровнем недолива перевозимой жидкости. Оценивается влияние уровня заполнения котла цистерны жидкостью на продольную нагруженность поезда при торможениях. Для решения данной задачи рассматривались поезда, составленные из 30 четырехосных и 30 восьмиосных вагонов-цистерн и одного локомотива ВЛ-8, расположенного в голове поезда. Для оценки продольной нагруженности рассматривались экстренные и полные служебные торможения со скоростей движения30 км/ч и 60 км/ч на горизонтальном участке пути. При математическом моделировании предполагалось, что в цистерны залит мазут плотностью р=0,99 т/м3. Рассматривались различные варианты удаления уровня свободной поверхности жидкости от верхней внутренней поверхности котла цистерны. Недолив принимался равным к = 0,4; 0,8; 1,2 метра. Научные результаты. В результате расчетов были получены диаграммы распределения максимальных продольных сил вдоль длины поезда и тормозные пути для различных схем формирования и разного уровня недолива перевозимой жидкости. Рассмотрены различные торможения предварительно растянутых и сжатых поездов. Выводы. Полученные результаты показывают, что при необходимости вождения наливных неоднородных по типу вагонов-цистерн (4-хосные и 8-миосные) поездов их формирование должно производиться с установкой восьмиосных цистерн в первой половине состава.

Ключевые слова: продольные усилия, математическое моделирование, торможение, наливные поезда

Введение. Большой интерес представляет вождение наливных поездов, сформированных из неоднородных по типу цистерн с различным уровнем заполнения котла цистерны жидкостью. Вождение таких поездов может представлять определенные трудности, особенно это касается режимов торможения [1, 2].

Постановка задачи. Исследовать продольную нагруженность неоднородных наливных поездов при различных способах торможения с помощью математического моделирования. Рассмотреть различные схемы формирования наливных поездов, состоящие из четырехосных и восьмиосных цистерн с различным уровнем недолива перевозимой жидкости. Оценить также влияние уровня заполнения котла цистерны жидкостью на продольную нагруженность поезда при торможениях.

Научные результаты. Оценивая продольную нагруженность поездов при торможении, предполагалось, что вагоны-цистерны оборудованы воздухораспределителями с условным № 483, включенными на средний режим работы и композиционными тормозными колодками, а межвагонные соединения - упруго-фрикционными поглощающими аппаратами Ш-1-ТМ [3]. Исследование торможений растянутых поездов позволило получить наибольшие ударные усилия, а сжатых - оценить усилия квазистатического характера.

Численные значения параметров, характеризующих работу тормозных систем, принимались по результатам опытов, проведенных с поездами в реальных условиях опытного кольца

на станции Щербинка Московской ж.д. учеными ДИИТа и ВНИИЖТа [4].

При моделировании переходных режимов движения поездов, в состав которых входят цистерны с неполным наливом, жидкость представлялась одной подвижной относительно бака цистерны массой и массой неподвижной относительно котла цистерны части жидкости. Предполагалось, что подвижная масса на высоте выше верхней «кромки» неподвижной массы «сочленена» с баком посредством «пружины». Определение масс и жесткостей соединяющей «пружины» определялось по методике, изложенной в работе [5]. В данных исследованиях учитывалось перемещение подвижной части жидкости только в продольном направлении. Оценки наибольших ожидаемых продольных сил в поезде получены по наибольшим расчетным значениям так, как указано в работе [6].

Для решения данной задачи рассматривались поезда, составленные из 30 четырехосных и 30 восьмиосных вагонов-цистерн и одного локомотива ВЛ-8, расположенного в голове поезда.

Для оценки продольной нагруженности рассматривались экстренные и полные служебные торможения со скоростей движения30 км/ч и 60 км/ч на горизонтальном участке пути.

При математическом моделировании предполагалось, что в цистерны залит мазут плотностью р = 0,99 т/м3. Рассматривались различные варианты удаления уровня свободной поверхности жидкости от верхней внутренней по-

© Я. Н. Романюк, 2012

верхности котла цистерны. Недолив принимался равным к = 0,4; 0,8; 1,2 метра.

Как известно, величина недолива пропорциональна массе жидкости, находящейся в цистерне, и зависит от ее плотности. Ниже, в таблице 1 для рассматриваемых вариантов заполнения котла цистерны мазутом приведены соответствующие массы вагонов-цистерн.

Таблица 1

Значения массы (брутто) цистерн при различных вариантах заполнения котла мазутом

Масса брутто, т

Тип цистерны

Недолив, м 4-хосные 8-миосные

к = 0,4 89,3 198,4

к = 0,8 79,7 178,4

к = 1,2 68,2 154,5

Рассматривались две схемы формирования наливного поезда. Первая схема - 30 четырехосных цистерн расположены в голове состава затем 30 восьмиосных цистерн., вторая схема - 30 восьмиосных цистерн в голове состава, затем - 30 четырехосных цистерн. Оценивая уровень продольных сил, предполагалось, что во всех цистернах уровень недолива одинаков.

В результате расчетов были получены диаграммы распределения максимальных продольных сил вдоль длины поезда и тормозные пути.

В качестве примера на рис. 1 и рис. 2 приведены графики распределения максимальных продольных сил вдоль длины поезда при торможении предварительно растянутых поездов. Результаты на рис.1 получены при моделиро-

Бшах, кН

вании экстренного торможения с начальной скорости 30 км/ч, на рис. 2 - полного служебного торможения с начальной скорости 60 км/ч.

На приведенных рисунках сплошные линии соответствуют первой схеме формирования поезда, маркированные линии - второй схеме формирования. При этом линии 1и 4 соответствуют случаю, когда уровень свободной поверхности мазута находится на расстоянии к = 1.2 м от внутренней поверхности котла цистерны, линии 2 и 5 - на расстоянии к = 0.8 м, линии 3 и 6 - на расстоянии к = 0.4 м .

Как видно из приведенных рисунков, когда восьмиосные вагоны-цистерны расположены во второй половине состава (I схема формирования), уровень наибольших продольных сил превышает аналогичные величины в поезде, сформированному по II схеме (восьмиосные цистерны находятся в первой половине состава) для всех рассмотренных случаев недолива мазута. При этом, для случая экстренного торможения в поездах сформированных по второй схеме наибольшие сжимающие усилия уменьшились на 23-35 %, а при полном служебном торможении - на 25-17 %. Первые значения соответствуют уровню недолива к = 1.2м , а вторые - уровню недолива к = 0.4м .

Из рис. 1 и 2 также следует, что с уменьшением уровня недолива от 1,2 м до 0,4 м уровень наибольших сжимающих сил возрастает. Для первой схемы формирования на 19-25%, а для второй схемы - на 5-35 %. В данном случае первые значения соответствуют экстренному, вторые - полным служебным торможениям.

1200,00 800,00 400,00 0,00 -400,00 -800,00 -1200,00 -1600,00

о. .Л

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6

5 4

3

№ вагона 0

1 - Ь=1,2м

2 - Ь=0,8м

3 - Ь=0,4м--• — -4 - Ь=1,2 --•- - 5 - Ь=0,8--•--6 - Ь=0,4

Рис.1. Распределения максимальных продольных сил вдоль длины поезда при экстренном торможении с начальной скорости 30 км/ч для различных схем формирования

ах, кН

1000,00 750,00 500,00 250,00 0,00 -250,00 -500,00 -750,00 -1000,00 -1250,00 -1500,00 -1750,00 -1 - Ь=1,2м

2 - Ь=0,8м

- 3 - Ь=0,4м--д— - 4 - Ь=1,2м--А— - 5 - Ь=0,8м - -л- - 6 - Ь=0,4м

Рис.2. Распределения максимальных продольных сил вдоль длины поезда при полном служебном торможении с начальной скорости 60 км/ч для различных схем формирования.

Следует также отметить, что постановка восьмиосных вагонов-цистерн в первую половину состава вызывает значительный рост растягивающих продольных сил для рассмотренных случаев торможения.

Используя, полученные диаграммы распределения максимальных продольных сил вдоль дины поезда для различных начальный скоростей движения (30 и 60 км/ч), начального состояния состава ( предварительного сжатого или растянутого), а также способов торможения были выбраны наибольшие значения значения сжимающих (-) и растягивающих (+) продольных сил. Эти величины, а также величины тормозных путей приведены в таблице 2.

Из результатов, приведенных, в таблице 2 следует, что при торможении предварительно растянутых поездов уровень наибольших продольных сжимающих сил уменьшается при формировании поезда по второй схеме (постановка восьмиосных цистерн в первую половину состава), но при этом уровень наибольших растягивающих усилий увеличивается почти в 2 раза.

Как и следовало ожидать, уровень наибольших сжимающих и растягивающих усилий оказался меньшим при полном служебном торможении. Для рассмотренных способов торможения с ростом начальной скорости движения эти значения уменьшались и увеличивались тормозные пути. К росту тормозных путей приводит также увеличение уровня заполнения цистерн (уменьшение недолива жидкости), а, следовательно, рост массы поезда.

При торможении и предварительно растянутых и предварительно сжатых поездов, сформированных по первой схеме, уменьшение рас-

стояния между уровнем свободной поверхности жидкости и верхней внутренней поверхности котла цистерны вызывает рост наибольших сжимающих усилий при рассмотренных способах торможениях. Это связано с ростом массы вагонов-цистерн (см. табл. 1) и всего поезда в целом.

В случае формирования поезда по второй схеме, наибольшие сжимающие продольные силы не зависят от уровня заполнения цистерн при экстренном торможении как предварительно сжатых, так и предварительно растянутых поездов. При полном служебном торможении уровень недолива не влияет на величины сжимающих сил при торможении сжатых поездов и вызывает рост продольных усилий при уменьшении величины недолива. Следует также отметить, что при формировании поездов по второй схеме возникают растягивающие усилия даже при торможении предварительно сжатых поездов.

Рассмотрим один из способов уменьшения продольной нагруженности неоднородного наливного поезда. Смоделируем экстренное и полное служебное торможения поездов, сформированных по предложенным схемам, но при этом в четырехосных цистернах недолив составил к = 0.4 м (масса 89,3 т), а в восьмиосных -к = 1,2 м(масса 154,5 т). Масса поезда в этом случае составила 7 314 т.

Ниже на рис. 3 и 4 показаны диаграммы распределения максимальных сил вдоль длины поезда при экстренном и полном служебном торможениях, предварительно растянутых поездов с начальной скорости 30 км/ч.

ю Таблица 2

ю

Наибольшие значения растягивающих и сжимающих продольных сил в кН и величины тормозных путей в неоднородных наливных поездах, составленных

из четырехосных и восьмпосных цистерн, при различных способах торможения

Схема формир Начальная скорость, км/ч Состояние состава ЭТ пет

к = 1.2 м <2 = 68500кН /2 = 0.8 м <2 = 7925 ОкН к = 0Лм б = 8810(ШУ к = 1.2 м (2 = 68500кН /г = 0.8л/ <2 = 7925 ОкН к = 0Лм б = 8810(ШУ

тахв, Ш ЬТор, м тахв, кН ЬТор, м тахв, кН ЬТор, м тахв, кН ЬТор, м тахв, кН ЬТор, м тахв, кН ЬТор, м

I схема 30 сжат -620 127 -700 135 -725 143 -555 142 -590 150 -580 157

растянут +567 -1667 126 +660 -1850 133 +840 -2010 140 139 +380 -1600 147 +340 -1740 155

60 сжат -550 398 -620 429 -640 460 -490 430 -520 460 -520 491

растянут +520 -1510 396 +680 -1750 427 +820 -1860 457 +330 -1320 427 +400 -1500 458 +420 -1650 489

II схема 30 сжат -650 117 +230 -610 127 +190 -590 134 +130 -660 131 +224 -650 140 +310 -650 148

растянут +980 -1325 117 +1200 -1131 126 +1313 -1315 133 +640 -1120 131 +770 -1180 140 +660 -1420 148

60 сжат +140 -580 376 +234 -545 410 +260 -530 440 +130 -580 406 +260 -580 440 +280 -580 471

растянут +1125 -1150 374 +1350 -1200 410 +1160 -1240 440 +813 -1040 405 +710 -1140 439 +775 -1375 470

Линии 1 на этих рисунках соответствуют распределениям максимальных продольных сил вдоль длины поезда для первой схемы формирования, когда восьмиосные цистерны расположены во второй половине состава, Линии 2 - аналогичные величины, полученные в поездах, сформированных по второй схеме.

Как следует из приведенных графиков, различный уровень заполнения цистерн разного типа (4-осных и 8-миосных) привело к тому, что неоднородность по массе стала меньше выраженной, но даже в этом случае II схема формирования является более рациональной. Так, в этом случае, уровень наибольших растягивающих продольных сил снизился на 33 % по сравнению с поездом аналогичной массой, в котором недолив во всех вагонах равнялся Н = 0.8 м, уровень же наибольших сжимающих сил остался того же порядка.

Б т ах, к Н

1500,00 -

ЭТ, 30 км/ч

1000,00 500,00 0,00 -500,00 -1000,00 -1500,00 -2000,00

1

1 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 60

-Л»2"

X * 1

-схема 1 к™»».«»«. схема 2

Рис. 3. Распределения максимальных продольных сил вдоль длины поезда при экстренном торможении с начальной скорости 30 км/ч для различных схем формирования с разным уровнем заполнения цистерн

Бтах, кН

1000,00

ПСТ, 30 км/ч

1

\ Г № ва

1 1 0 2 0 3 0 4 0 : 0 60

X

1

Рис. 4. Распределения максимальных продольных сил вдоль длины поезда при полном служебном торможении с начальной скорости 30 км/ч для различных схем формирования с разным уровнем заполнения цистерн

При формировании неоднородного поезда по схеме I - различный недолив мазута в цистернах разного типа позволил снизить уровень

наибольших сжимающих сил на 15 %, но при этом уровень наибольших растягивающих сил увеличился на 35%.

При этом уровень наибольших продольных сжимающих усилий, полученный при различных способах торможения, практически не зависит от схемы формирования и оказался практически одинаков. Это связано с тем, что неоднородность по массе цистерн стала меньше, что и привело к уменьшению наибольших сжимающих сил в поезде, сформированному по схеме I и к уменьшению наибольших растягивающих усилий в поезде, сформированному по схеме II.

Выводы. Полученные результаты показывают, что при необходимости вождения наливных неоднородных по типу вагонов-цистерн (4-хосные и 8-миосные) поездов их формирование должно производиться с установкой восьмиос-ных цистерн в первой половине состава.

В случае, когда по условиям эксплуатации в первой половине состава оказались четырехосные цистерны, то снижение продольной на-груженности такого поезда может быть достигнуто путем использования прямодействую-щего тормоза локомотива для выбора зазоров межвагонных соединениях перед началом пневматического торможения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гребенюк, П. Т. Динамика торможения грузовых поездов [текст] / П. Т. Гребенюк // Вестник ВНИИЖТа, № 1. 2002. - С. 23-27.

2. Черкашин, Ю. М. Безопасность движения железнодорожного подвижного состава [Текст] / Ю. М. Черкашин. - М. : Интекст, 2010. -176 с.

3. Блохин, Е. П. программно-вычислительный комплекс для исследования продольной на-груженности наливных поездов [Текст] / Е. П. Блохин, Н. Я. Гаркави, Л. В. Урсуляк, К. И. Железнов, Я. Н. Романюк // Вюник ДПТу. - Вип. 30. - Д., 2009. - С. 36-48.

4. Блохин Е.П. Торможение поездов разной длины при воздухораспределители № 483. [Текст] / Е. П. Блохин, В.Г.Иноземцев,

В. В. Крылов, Е.Л.Стамблер, Л.В.Урсуляк // Эксплуатация автотормозов на подвижном составе желехных дорог СССР - Сб. науч. тр. ВНИИЖТа - М. : Транспорт, 1987. - С. 123-134.

5. Рыжов, А. В. Исследование нагруженности восьмиосных цистерн при соударениях. [Текст] / Ю. М. Черкашин, Н. Я. Гаркави // Вестник ВНИИЖТ. - № 6, 1982. - С.37-40.

6. Блохин, Е. П. О вождени и длинносоставных поездов [Текст] / Е. П. Блохин, Л. В. Урсуляк,

500,00

0,00

-500,00

-1000,00

-1500,00

схема 1

схема 2

К. И. Железнов, Я. Н. Романюк // Вюник Поступила в редколлегию 05.10.2012. ДПТу. - Вип. 30. - Д., 2009. - С. 48-56. Принята к печати 23.10.2012.

Я. М. РОМАНЮК

ОЦ1НКА ПОЗДОВЖНЬОГО НАВАНТАЖЕНОСТЯ НАЛИВНИХ НЕОДНОР1ДНИХ ПО1ЗД1В ПРИ Р1ЗНИХ РЕЖИМАХ ГАЛЬМУВАННЯ

Постановка задачг За допомогою математичного моделювання дослвджуеться поздовжня навантаже-шсть неоднорiдних наливних по!здв при рiзних способах гальмування. Розглянуто pi3rn схеми формування наливних по!здв, що складаються з чотиривicних i восьмивюш цистерн з рiзним рiвнем недоливу перевезено! рвдини. Оцiнюeтьcя вплив рiвня заповнення котла цистерни рщиною на поздовжню навантаженicть по!з-да при гальмуваннях. Для вирiшення дано! задачi розглядалися по!зди, cкладенi з 30 чотиривюних i 30 вось-мивicнi вагонiв-циcтерн i одного локомотива ВЛ-8, розташованого в головi по!зда. Для оцiнки поздовжньо! навантаженоcтi розглядалися екстреш i повнi cлужбовi гальмування зi швидкостей двiженiя 30 км/год i 60 км/год на горизонтально дiлянцi шляху. При математичному моделюванш передбачалося, що в цистерни залитий мазут щiльнicтю р = 0,99 т/м3. Розглядалися рiзнi варiанти видалення рiвня вшьно! поверхнi рiдини вщ верхньо! внутршньо! поверхнi котла цистерни. Недолив приймався рiвним 0,4; 0,8; 1,2 метра. Науковi результата. В результат розрахунк1в були отриманi дiаграми розподiлу максимальних подовжнiх сил уз-довж довжини по!зда i гальмiвнi шляхи для рiзних схем формування i рiзного рiвня недоливу перевезено! рвдини. Розглянуто рiзнi гальмування попередньо розтягнутих i стиснутих по!здiв. Висновки. Отримаш результати показують, що при необхвдносп водiння наливних неоднорщних за типом вагонiв-циcтерн (4-хвicнi i 8-мивicнi) по!здiв !х формування повинно проводитися з встановленням воcьмивicнi цистерн в першш по-ловинi складу.

Ключев! слова: поздовжш зусилля, математичне моделювання, гальмування, наливш по!зди

Y. ROMANYUK

EVALUATION LATERALLY LOADED LIQUID OF INHOMOGENEOUS TRAINS AT VARIOUS MODE OF BRAKING

Problem statement. By means of mathematical modelling it is investigated longitudinal forces of non-uniform bulk trains at various ways of braking. Various schemes of formation of the bulk trains, consisting of four-axised and eight-axised tanks with various level of incomplete filling of transported liquid are considered. It is estimated the influence of level of filling of a copper of the tank by liquid on longitudinal forces of trains at braking. For the decision of the given problem the trains made from 30 four-axised and 30 eight-axised cars-tanks and one locomotive VL-8, located in the head of a train were considered. For the estimation of longitudinal forces emergency and full service braking at speeds of movement 30 km/h and 60 km/h on a horizontal site of a way were considered. At mathematical modelling it was supposed that tanks were filled by black oil in density р =0,99 t/m3. Various variants of removal of the level free surface of liquid from the top internal surface of a copper of the tank were considered. The incomplete filling was accepted equal 0,4; 0,8; 1,2 metres. Scientific results. As a result of calculations diagrammes of distribution of the maximum longitudinal forces along the length of a train and brake ways for various schemes of formation and different level of incomplete filling of transported liquid have been received. Various braking of preliminary stretched and compressed trains are considered. Conclusions. The received results show that in need of driving the bulk non-uniform as cars-tanks (4- axised and 8- axised) trains their formation should be made with installation of eight-axised tanks in the first half of the structure.

Keywords: longitudinal forces, mathematical modeling, braking, freight trains