Оценка влияния учета упругих свойств подвешивания автопоезда на динамические характеристики вагона-платформы для контрейлерных перевозок

УДК 629.463.63 DOI: 10.12737/23233

М.В. Мануева, Д.Я. Антипин, В.В. Кобищанов

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УЧЁТА УПРУГИХ СВОЙСТВ ПОДВЕШИВАНИЯ АВТОПОЕЗДА НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАГОНА-ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ КОНТРЕЙЛЕРНЫХ ПЕРЕВОЗОК

Выполнена оценка влияния учета упруго-диссипативных свойств подвешивания автопоезда, установленного на вагон-платформу для контрейлерных перевозок, при движении по реальным неровностям пути. Оценка динамических характеристик рамы платформы выполнена на основе конеч-

ноэлементных моделей с применением программного комплекса «Универсальный механизм».

Ключевые слова: контрейлерные перевозки, вагон-платформа, автопоезд, упруго-диссипативные свойства, конечноэлементная модель, динамические характеристики.

М.У. Мапиеуа, Э.Уа. Апйрт, У.У. КоЫзИсИапоу

ASSESSMENT OF CONSIDERATION INFLUENCE OF ELASTIC PROPERTIES IN ROAD-TRAIN SUSPENSION UPON DYNAMIC CHARACTERISTICS OF FLAT-CAR FOR PIGGYBACK TRANSPORTATIONS

The assessment of consideration influence of elastic-dissipative properties in a road-train located upon a flat-car for piggyback transportations at the motion on real surface road imperfections is carried out. The assessment of dynamic characteristics in a flat-car frame is carried out on the basis of finite-

element models with the use of "Universal Mechanism" software complex.

Key words: piggyback transportations, flat-car, road-train, elastic-dissipative properties, finite-element model, dynamic behavior.

Контрейлерные перевозки являются современным и перспективным видом транспортировки грузов на дальние расстояния. Для организации контрейлерных перевозок в России требуется специализированный подвижной состав. В связи с этим предложена конструкция вагона-платформы с применением ферменных конструкций боковых балок[1-4].На основе метода конечных элементов выбрана рациональная конструктивная схема рамы и проведен анализ её прочности, который показал, что конструкция соответствует всем прочностным требованиям и в дальнейшем целесообразна оценка динамических качеств платформы с использованием методик, описанных в [5-8].

В качестве инструмента для исследований принят отечественный промышленный программный комплекс моделирования динамики систем тел «Универсальный механизм» [9].

Формирование компьютерных моделей вагона-платформы выполнено в среде предпроцессора программного комплекса

«Универсальный механизм» UM Input на основе трехмерных моделей основных несущих элементов тележки, рамы вагона-платформы и различных типов грузов, разработанных в CAD-комплексе Компас-3D.

При разработке всех моделей использован метод подсистем. В каждую математическую модель вагона-платформыв виде подсистемы включена твердотельная математическая модель тележки типа 18-100[10], представляющая собой систему твердых тел, связанных силовыми элементами и шарнирами.

Рама вагона-платформы представляется в модели абсолютно твердым телом с реальными геометрическими размерами и инерциальными характеристиками.

Для анализа динамических характеристик и нагруженности вагона-платформы в эксплуатации разработана группа его компьютерных моделей для варианта загрузки вагона-платформы автопоездом (рис. 1). При этом рассматриваются твердотельные модели.

Отличительной особенностью трех вариантов модели вагона-платформы является степень детализации описания взаимодействия автопоезда с рамой.

В первом, упрощенном варианте абсолютно твердые тела, моделирующие тягач и полуприцеп, соединяются с колесными упорами рамы вагона-платформы группой контактных силовых элементов типа «точка - плоскость» 1, 2 (рис. 1). При этом упруго-диссипативные свойства контактного взаимодействия автомобильного колеса с упором учитываются приближенно через задание соответствующих коэф-

фициентов жесткости и диссипативного взаимодействия.

Второй вариант предусматривает уточненный учет упруго-диссипативных свойств автомобильного колеса при взаимодействии с упором рамы. Учет осуществляется в рамках модели, предложенной в [11] и предусматривающей введение между твердыми телами, моделирующими автопоезд, и рамой группы специальных частотно-зависимых упруго-диссипативных элементов 3 (рис. 1). Свойства упруго-диссипативных элементов 3 принимаются в соответствии с [12].

в)

Рис. 1.Варианты динамической модели вагона-платформы, загруженного автопоездом: а - с упрощенным учетом упруго-диссипативных свойств автомобильного колеса; б - с уточненным учетом упруго-диссипативных свойств автомобильного колеса; в - с учетом упруго-диссипативных

свойств автомобильного Третья модель отличается от второго варианта введением дополнительных твердых тел, моделирующих оси колес 1 (рис. 2).

Твердотельные модели осей колес 1 аналогично второму варианту соединены группой специальных частотно-зависимых упруго-диссипативных элементов 2 с упорами рамы вагона-платформы. Твердо-

еса и элементов подвески автопоезда тельные модели кузова полуприцепа и тягача соединяются с осью колеса специальными упруго-диссипативными элементами 3, моделирующими пневмоподвеску автопоезда. В случае выключенной пневмоси-стемы подвески автомобиля вводятся частотно-зависимые упруго-диссипативные элементы 4, моделирующие резиновые опоры подвески тягача и полуприцепа.

Рис. 2. Схема динамической модели взаимодействия автопоезда с рамой вагона-платформы: 1 - твердотельная модель оси колес автомобиля; 2 - упруго-диссипативный частотно-зависимый элемент, моделирующий взаимодействие пневматического колеса с упором; 3 - специальный упруго-диссипативный элемент, моделирующий пневморессору автомобиля; 4 - упруго-диссипативный элемент, моделирующий подвеску колес тягача автопоезда, не оборудованного пневморессорами

Анализ влияния учета упругих свойств колес и подвески автопоезда и полуприцепа на динамические показатели вагона-платформы осуществлялся путем сопоставления параметров ходовой динамики, полученных при моделировании его движения по прямым и кривым участкам пути с помощью трех вариантов твердотельных моделей.

На рис. 3-9представлены результаты моделирования движения вагона-платформы, загруженного автопоездом, по прямому участку пути и в кривых со скоростями в интервале 20-120 км/ч. Кривая,

соответствующая варианту 1, получена с использованием упрощенной динамической модели (рис. 1 а); варианту 2 - с использованием модели, уточненно учитывающей упруго-диссипативные свойства автомобильного колеса (рис. 1 б); варианту 3 - с использованием наиболее полной модели, учитывающей упруго-диссипативные свойства автомобильных шин и подвески автопоезда (рис. 1 в).

На рис. 3 представлены графики зависимости ускорений кузова в пятниковой зоне от скорости движения вагона по прямому участку пути.

А Вариант 1 —»—Вариант 2--Вариант 3 | Ч км/4 —^Вариант 1 -*-Вариант 2--Вариант 3 | V, км/ч

а) б)

Рис. 3. Графики зависимости ускорений кузова в пятниковой зоне от скорости движения порожнего вагона-платформы по прямому участку пути: а - вертикальных; б - горизонтальных

На рис. 4, 5 представлены графики зависимости рамной силы и силы отжатия

рельса от скорости движения вагона-платформы по прямому участку пути.

Ип/Ро

0.25

0

30 40

I—Вариант 1

60 70

I— Вариант 2

90 100

— Вариант 3

110 120 1 v,км/ч

Рис. 4. Графики зависимости рамной силы от скорости движения вагона-платформы по прямому участку пути

30 25 20 15 10 5 0

40 60 80 100 120

Вариант 1 * Вариант 2--Вариант 3 v,км/ч

Рис. 5. Графики зависимости силы отжатия рельса от скорости движения порожнего вагона-платформы по прямому участку пути

Fymax, кН

На рис. 6 - 9 представлены графики зависимости от скорости движения вагона в кривых следующих параметров ходовой динамики:

- вертикальных и горизонтальных ускорений кузова (рис. 6);

- рамной силы (рис. 7);

- силы отжатия рельса(рис. 8);

- коэффициента безопасности в отношении вкатывания колеса на рельс (рис. 9.

0.9

-Вариант 1

-Вариант 2--Вариант 3

110 120 V, км/ч

а)

0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

-Вариант 1

-Вариант 2

• - Вариант 3

120 V, км/ч

б)

Рис. 6. Графики зависимости ускорений кузова в пятниковой зоне от скорости движения порожнего вагона-платформы в кривых: а - вертикальных; б - горизонтальных

0.8

0.7

0.6

0.5

0

Нр/Р„

0.35 0.3 0.25 0.2 0.15

110 120 у,км/ч

120

у,км/ч

Рис. 7. Графики зависимости рамной силы от скорости движения вагона-платформы в кривых

А Вариант 1 —♦— Вариант 2--Вариант 3|

Рис. 8. Графики зависимости силы отжатия рельса от скорости движения порожнего вагона-платформы в кривых

40

Вариант 1

60 80 100 -Вариант 2--Вариант 3

120

^км/ч

Рис. 9. Графики зависимости коэффициента безопасности в отношении вкатывания колеса на рельс от скорости движения вагона-платформы в кривых

л

8

7

6

2

1

0

Принимая первый вариант модели вагона-платформы за базовый для сопоставления, можно сделать следующие выводы:

1. Учет в модели упруго-диссипативных характеристик автомобильных колес автопоезда приводит:

- к повышению вертикальных ускорений кузова на 10% при движении на прямом участке пути и на 12% в кривых;

- повышению горизонтальных ускорений на 6% при движении на прямом участке пути и на 12% в кривых;

- увеличению рамных сил при движении на прямом участке пути на 12% и на 16% в кривых;

- снижению сил отжатия рельса на прямом участке пути на 10% и на 11% в кривых;

- снижению коэффициента безопасности в отношении вкатывания колеса на рельс в кривых на 18 %.

2. Учет в модели упруго-диссипативных характеристик автомо-

бильных колес и подвески автопоезда приводит:

- повышению вертикальных ускорений кузова на 34% при движении на прямом участке пути и на 42% в кривых;

- повышению горизонтальных ускорений на 22% при движении на прямом участке пути и на 25% в кривых;

- увеличению рамных сил при движении на прямом участке пути на 23% и на 30% в кривых;

- снижению сил отжатия рельса на прямом участке пути на 9% и на 10% в кривых;

- снижению коэффициента безопасности в отношении вкатывания колеса на рельс в кривой на 31%.

Анализируя приведенное сопоставление результатов моделирования движения вагона-платформы, загруженного автопоездом, можно сделать вывод, что учет влияния упруго-диссипативных свойств шины и элементов подвески тягача и полуприцепа оказывает значительное влияние (до 42%) на параметры ходовой дина-

мики вагона. В связи с этим для дальнейших исследований целесообразно использовать динамическую модель вагона-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пат. на полез. модель № 69001. Платформа для крупногабаритной колесной техники и крупнотоннажных контейнеров. - Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 декабря 2007 г.

2. Кобищанов, В.В. Длиннобазные платформы для контрейлерных перевозок/ В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин, М.В. Сударева// Мир транспорта. - 2008. - № 4. - С. 66-70.

3. Кобищанов, В.В. Длиннобазная платформа/ В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин, М.В. Мануева// Железнодорожный транспорт. - 2011. - №9. - С. 65.

4. Мануева, М.В. Обоснование рациональной конструкции платформы для перевозки автопоездов и крупнотоннажных контейнеров/ М.В. Мануе-ва// Вестн. ВНИИЖТ. - 2011. - №4. - С. 53-55.

5. Антипин, Д.Я. Динамическая нагруженность рамы вагона-платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров и автопоездов/ Д.Я. Антипин, В.В. Кобищанов, М.В. Мануева// Мир транспорта и технологических машин. - 2011. -№2(33). - С. 73-78.

6. Антипин, Д.Я.Использование промышленных программных комплексов для исследования динамической нагруженности конструкций рельсового транспорта/Д.Я. Антипин, П.И. Шалупи-на// Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: сб. науч.тр. 5-й междунар.науч.-

1. Useful Model Pat. № 69001. Flat-car for Bigvolume Wheel Machinery and Large-capacity Containers. - Registered in the State Register of Useful Models of the Russian Federation December10,

2007.

2. Kobishchanov, V.V. Long-based flat-cars for piggyback transportations/ V.V. Kobishchanov, D.Ya. Antipin, M.V. Sudareva// World of Transport. -

2008. - № 4. - pp. 66-70.

3. Kobishchanov, V.V. Long-based flat-car/ V.V. Kobishchanov, D.Ya. Antipin, M.V. Manueva// Railway Transport. - 2011. - №9. - pp. 65.

4. Manueva, M.V. Substantiation of efficient flat-car design for transportation of road-trains and large-capacity containers/ M.V. Manueva// Bulletin of ARRIERC. - 2011. - №4. - pp. 53-55.

5. Antipin, D.Ya. Dynamic load of flat-car frame for transportation of large-capacity containers and road trains/ D.Ya. Antipin, V.V. Kobishchanov, M.V. Manueva// World of Transport and Technological Machinery. - 2011. - №2(33). - pp. 73-78.

6. Antipin, D.Ya. Use of industrial software complexes for researches of dynamic load of rail transport

платформы, уточненно учитывающую уп-руго-диссипативные свойства колес и подвески автопоезда (рис. 1 в).

практ. конф. - Курск: Университетская книга, 2015. - С. 342-345.

7. Мотянко, Т.А.Исследование динамической на-груженности четырехосного вагона-самосвала/ Т.А. Мотянко, Д.Я. Антипин// Trans-mech-art-chem: тр. X междунар. науч.-практ. конф. -М.: МГУПС, 2014. - С. 73-74.

8. Гончаров, Д.И. Исследование динамических характеристик самоходной автомотрисы методами математического моделирования/ Д.И. Гончаров, В.В. Кобищанов, Д.Я. Анти-пин//Вестник Брянского государственного технического университета. - 2014. - № 4 (44). - С. 16-19.

9. Программный комплекс «Универсальный механизм». - Режим доступа: http://www.umlab.ru.

10. Антипин, Д.Я. Анализ усталостной долговечности и живучести литых боковых рам тележки модели 18-100 при продлении их срока службы/ Д.Я. Антипин//Мир транспорта и технологических машин. - 2012. -№ 4 (39). - С. 42-47.

11. Pacejka, H.B. Tire and Vehicle Dynamics/ H.B. Pacejka// SAE International and Elsevier. - 2005. -642 p.

12. Christian Gerdes, J. Safety Performance and Robustness of Heavy Vehicle AVCS/ J. Christian Gerdes, P. Yih, K. Satyan // Year One Report for MOU 390 / California PATH Program. - 2002. - 72 p.

structures/D.Ya. Antipin, P.I. Shalupina// Innovations, Quality and Service in Techniques and Technologies: Proceedings of the V-th Inter. Sc.-Pract. Conf. - Kursk: University Book, 2015. - pp. 342345.

7. Motyanko, T.A. Investigation of dynamic load of tetra-axial dump car/ T.A. Motyanko, D.Ya. Antipin// Trans-mech-art-chem: Proceedings of the X-th Inter. Sc.-Pract. Conf. -M.: MSUC, 2014. - pp. 7374.

8. Goncharov, D.I. Investigation of dynamic characteristics of self-propelled automobile rail car through methods of mathematical modeling/ D.I. Goncha-rov, V.V. Kobishchanov, D.Ya. Antipin//Bulletin of Bryansk State Technical University. - 2014. - № 4 (44). - pp. 16-19.

9. "Universal Mechanism" Software Complex. -Access Mode: http://www.umlab.ru.

10. Antipin, D.Ya. Analysis of fatigue life and vitality in cast side frames of bogie of 18-100 model at their life extension//World of Transport and Technological Machinery. - 2012. -№ 4 (39). - pp. 42-47.

11. Pacejka, H.B. Tire and Vehicle Dynamics/ H.B. Pacejka// SAE International and Elsevier. - 2005. -642 p.

12. Christian Gerdes, J. Safety Performance and Robustness of Heavy Vehicle AVCS/ J. Christian

Gerdes, P. Yih, K. Satyan // Year One Report for MOU 390 / California PATH Program. - 2002. - 72 p.

Статья поступила в редколлегию 27.02.2016. Рецензент: д.т.н., профессор Брянского государственного технического университета

Тихомиров В.П.

Сведения об авторах:

Кобищанов Владимир Владимирович, д.т.н.,

профессор кафедры «Подвижной состав железных дорог» Брянского государственного технического университета, тел.: +7(910)3373197, e-mail: wagon@tu-bryansk.ru.

Антипин Дмитрий Яковлевич, к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Подвижной состав железных дорог» Брянского государственного технического универ-

8(4832)S6-04-66,

e-mail:

ситета, тел.: adya24 @rambler.ru

Мануева Марина Владимировна, к.т.н., доцент кафедры «Подвижной состав железных дорог» Брянского государственного технического университета, тел.: +7(920)6061231, e-mail: mari s@mail.ru.

Kobishchanov Vladimir Vladimirovich,

Dr.Sci.Tech., professor of "Rolling Stock of the Railroads" department of the Bryansk state technical university, ph.: +7(910)3373197, e-mail: wagon@tu-bryansk.ru.

Antipin Dmitry Yakovlevich, PhD in Technological Sciences, associate professor, department chair "The

rolling stock of the railroads" of the Bryansk state technical university, ph.: 8(4832)56-04-66, e-mail: adya24 @rambler.ru

Manuyeva Marina Vladimirovna, PhD in Technological Sciences, associate professor "The rolling stock of the railroads" of the Bryansk state technical university, ph.: +7(920)6061231, e-mail: mari s@mail.ru.