Адаптация математической модели полувагона к условиям разгрузки кузова способом опрокидывания

• требование экономической природой программного характера проектов нового подхода к структуре инвестиционного механизма, определяющей приоритетность экономического обоснования прежде всего государственных и комбинированных проектов(проектов в рамках ГЧП и ФКС), т.е. выстраивания концепции оценки эффективности проектного финансирования и оценки риска и доходности проектов, рассматриваемой в модели «эффективность - рациональность», а не только в модели «эффективность-целесообразность»;

• появление и интенсивное развитие новой системы управления инвестиционной деятельностью в инфраструктуре транспорта - института ГЧП, направленной на оптимизацию и обязанность разделения рисков между участниками партнерства, и развитие проектного финансирования (табл.1).

Представленные критерии позволяют классифицировать проектное финансирование как форму и способ финансирования государственных программ.

Таким образом, концептуальные основы инвестиционного механизма, представленные в этой статье, позволят формировать институциональную и функциональную среду развития инвестиционной активности в инфраструктуру транспортного комплекса, что будет способствовать повышению его конкурентоспособности и создаст основания для реализации конкурентных преимуществ национальной экономики.

Литература:

1. Белька М. Эффективное управление в сфере Государственно-частного партнерства. ООН - Нью-Йорк и Женева, 2008.

2. Варнавский В.Г. Партнерство государства и частного сектора: формы, проекты, риски. М., 2005. 315 с.

3. Варнавский В.Г. Клименко и др. Государствнно-частное партнерство: теория и практика. - М.: Издательский дом Государственного университета Высшей школы экономики, 2010 г.

4. Климов П. Е. Новый взгляд на сущность государственно-частного партнерства // Управление экономическими системами: электронный научный журнал. 2011. №10 (34).

5. Ожерельев О.И. «Собственность и государство в современной России» // Вестник СПБГУ Вып.1, Сер.5, 2011.

6. Пилипчук В.В. Управление инвестициями. - Владивосток: ТИДОТ ТВ ГУ, 2003, 101 с.

7. Салимов Л.Н. Инвестиционный механизм: сущность и содержание // Вестник Челябинского государственного университета. 2009. №9 (147). Экономика. Вып. 20. С. 83-88.

8. Сапко, Е.А., Малиновская, О.В. Ставка дисконтирования денежных потоков инвестиционных проектов Федеральной адресной инвестиционной программы для транспортного комплекса // Финансовая аналитика. 2014. №24 (210). С. 9 -15.

9. Якунин В.И. Партнерство в механизме государственного управления // Социологические исследования. 2007. №2.

10. Gerrard M.B. What are public-private partnerships, and how do they differ from privatizations // Finance & Development. 2001, Vol. 38, №3.

11. Rhodes R., Marsh D. Policy Network in British Politics. A Critique of Existing Approaches // Policy Network in British Government. Oxford, 1992.

УДК 629.4.023:14.001.573

АДАПТАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОЛУВАГОНА К УСЛОВИЯМ РАЗГРУЗКИ КУЗОВА СПОСОБОМ ОПРОКИДЫВАНИЯ

Петров Г.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство», ФГОБУВО «Московский государственный

университет путей сообщения Императора Николая II» (МГУПС (МИИТ) Чепурненко И.В., старший преподаватель, ФГОБУ ВО «Московский государственный университет путей сообщения Императора

Николая II»

Паначев О.И., соискатель, ФГОБУ ВО «Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II»

В статье представлено уточнение математической модели движения системы «вагоноопрокидыватель - кузов полувагона - насыпной (навалочный) груз».

С помощью уточненной математической модели и системы дифференциальныхуравнений движения составлен алгоритм нахождения динамических сил и ускорений, действующих на кузов полувагона во время его разгрузки на вагоноопрокидывателях. В дифференциальных уравнениях учитывались конструктивные особенности полувагонов, физико-механические свойства насыпных грузов и конструкции вагоноопрокидывателей.

Анализ полученных расчетных данных и полученных графиков ускорений сделан вывод, что при повороте системы наугол 125 град кузов получает наибольшие ускорения, которые достигают порядка 1g. По полученным значениям динамических сил и ускорений проектировщики грузовых вагонов получают возможность сделать оценку прочности конструкции полувагонов в момент их выгрузки на вагоноопрокидывателях, повысить показатели надежности и прочности грузового вагона, что позволит повысить сохранность вагонного парка.

Ключевые слова: сохранность вагона, кузов полувагона, вагоноопрокидыватель, компьютерное моделирование, грейфер, динамические силы и ускорения, насыпной груз.

THE ARTICLE PRESENTS A REFINEMENT OF THE MATHEMATICAL MODEL OF THE SYSTEM «DUMPER - BODY GONDOLA - BULK (BREAK BULK) CARGO»

Petrov G., Doctor of technical Sciences, Professor head of the Cars and car economy chair, FSEI HE «Moscow State University of Railway

Engineering under the name of Emperor Nikolay II»

With the help of refined mathematical models and systems of differential equations of motion of an algorithm for finding the dynamic forces and accelerations acting on the body of the gondola car during unloading tipplers. The differential equations were taken into account design features of the gondolas, physico-mechanical properties of the bulk materials and design of the car dumper.

Analysis of the calculated data and the resulting graphs of the accelerations it is concluded that when the system is rotated to the angle of 125 deg body receives the greatest acceleration that reach 1g. According to the obtained values of dynamic forces and accelerations designers of freight wagons have the opportunity to make an assessment of the structural strength of the gondolas at the moment of their unloading at wagon tipplers, to increase the reliability and durability of the freight car, which will enhance the safety of rolling stock.

Keywords: safety of the car, the back of the gondola, dumper, computer modeling, grapple, dynamic forces and accelerations, bulk cargo.

Задача по обеспечению сохранности грузового вагона в условиях интенсивных погрузо-разгрузочных операций является одной из приоритетных задач стоящих перед собственником вагона и погрузочно-разгрузочного инфраструктурой. Для решения такой задачи раз-

138 TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №1 2017 |

работана математическая модель системы «вагоноопрокидыватель (ВО) - кузов полувагона (КПВ) - насыпной груз (НГ)», с целью совершенствования конструкции полувагона путем адаптации к разгрузке в железнодорожно-водном сообщении, а именно морских и речных портах сделано уточнение ее динамических характеристик.

Условия интенсивных разгрузочных операций при нарушении технологии погрузо-разгрузочных работ и применении агрессивных методов разгрузки, приводят к повреждению конструкций кузовов грузовых вагонов. В большей степени данная ситуация относится к полувагонам, так как именно на данный вид приходится до 95% от всех повреждений подвижного состава. В связи с этим, полувагон является крайне востребованным под погрузку сыпучих грузов, в том числе и социально значимых. Повреждение полувагонов оборачивается длительным простоем их в нерабочем парке, тем самым создается дефицит полувагонов в местах массовых погрузок. Большая часть всех повреждений, это результат применения устаревших методов выгрузки, в основном грейферной технологий (рисунок 1), при которой уголь из кузовов изымают ковшами экскаваторов, предварительно разбив спрессованный в монолит груз отбойными молотками. Такая технология приводит к обрывам и деформациям люков вагонов, повреждениям кузова, шкворневых и промежуточных балок и другим дефектам подвижного состава [1].

Из них грейфером  Всего поврежденных вагонов

Рисунок 1 - Соотношение повреждений грейфером к общему объему

В результате несоблюдения Норм и ГОСТов [2] регламентирующих разгрузку полувагонов, грузополучатель наносит значительный ущерб подвижному составу. Восстановление полувагонов к предъявляемым требованиям безопасности на инфраструктуре железных дорог происходит методом ремонта на специализированных пунктах подготовки, на пунктах технического ремонта или в условиях вагоноремонтных предприятий, что в целом приводит к уменьшению срока службы вагонов (следовательно, и увеличивает срок окупаемости), непроизводительным простоям, удорожанию стоимости дальнейшего текущего и деповского ремонта.

Массовая выгрузка сыпучих и навалочных грузов из полувагонов при помощи грейферных ковшей четко наблюдается в портах. На протяжении почти столетия применение способа опрокидывания насыпных грузов в местах массовой выгрузки по отношению к полувагонам изучено слабо, но мало кто из специалистов не согласиться, что такая технология имеет преимуществом при выгрузке в производительности [3]. В этой связи, вопросы развития и доработки оборудования для систем опрокидывания полувагонов в портах становится, при условии полного сохранения кузовов грузовых вагонов, одним из приоритетных.

Исходя из вышеперечисленного, разгрузка на ВО является наиболее щадящей технологией, но требует дополнительного исследования процесса разгрузки для обеспечения надлежащей сохранности конструкции кузовов полувагонов [4].

С целью определения динамических сил и ускорений, действующих на элементы кузова полувагона при выгрузке насыпного груза с помощью вагоноопрокидывателя разработано уточнение математической модели и отлажено программное обеспечение для проведения компьютерного моделирования движения механической системы ВО-КПВ-НГ. Система дифференциальных уравнений, описывающая движение ВО-КПВ-НГ составлены с использованием принципа Лагранжа II рода для неконсервативных систем [5].

Расчетная схема системы ВО-КПВ-НГ приведена на рисунке 2. При этом дифференциальные уравнения движения системы имеют

вид:

^ЕШЕ ^НГ

где, У Г У ' У - соответственно моменты инерции ВО, КПВ и НГ, т м2; 2

Б0 - скорость перемещения ВО, м/с; ^Р3 О ' ^Рн Г _ соответственно, угловые скорости перемещения ВО и НГ, радиан;

.. ФеоФНГ

с-1;

^ КПЕ ^ЕГ

- соответственно, угловые ускорения ВО и НГ, с-2;

ТЯЛШРОЯТ Ви8ШЕ88 Ш Яи881Л | №1 2017 | 139

гЕЛ ГКО гКГ

'у ''у ''у

Рисунок 2 - Расчетная схема КПВ-НГ при разгрузке на вагоноопрокидывателе

й - радиус круговой траектории, которая осуществляется при вращении системы относительно Ц.Т. (Центра тяжести системы);

- периодическая сила при вынужденных колебаниях от действия привода электродвигателя; ц - угол поворота кузова с грузом; щ - угловая скорость системы; Рр - усилия распора насыпного груза; ¥тр - сила трения между кузовом и грузом; Рбр(еер)- вертикальная составляющая веса брутто КПВ и НГ; Рбр(гор) - горизонтальная составляющая веса брутто КПВ и НГ; б - плоскость уровня разгрузочного фронта

При этом кинетическая энергия вагоноопрокидывателя определяется по следующей формуле:

5-0

У

где " - момент инерции вагоноопрокидывателя относительно оси у, т-м-; 0)

угловая скорость системы, рад/с;

^ -

где - линейная скорость, м/с;

Г

радиус круговой траектории осуществляемой при вращении системы, м. Тогда имеем:

г

2г:

В связи с тем, что вагоноопрокидыватель находится в жестком взаимодействии с кузовом полувагона кинетическая энергия включает в себя три обобщающие координаты, которые характеризуются положением вагоноопрокидывателя относительно поверхности земли (г),

<Рпп - к к - ^ГР

и углом поворота ' 11 и который обусловлен работой подъемно транспортного механизма и перемещением насыпного груза

2  г2

Потенциальная энергия определяется:

где

Ре

- вес вагоноопрокидывателя, Кн;

- расстояние между опорной плоскостью и системой, м. Энергия диссипации Ф, ВО принимается равной нулю вследствие того, что груз непосредственно с конструкцией вагоноопрокиды-вателя не взаимодействует.

Аналогичным образом определяется кинетическая и потенциальная энергия кузова полувагона.

140 ТКАШРОКТ БШШБББ Ш КШБТА | №1 2017 |

Энергия диссипации кузова полувагона возникает вследствие перемещения насыпного груза относительно боковой стенки с ее высотой.

п = рк  гЕ0

где ^ - сила трения, которая определяется:

Ргр

где ^ -коэффициент трения (между каменным углем и обшивкой металлической ^ ' , между гранулами угля ^ ' );

N - давление на боковую стенку полувагона от насыпного груза.

Давление насыпного груза на боковую стену кузова полувагона [6]

^ 1

N = — -

У.

где ' - плотность насыпного груза, т/м'; В - внутренняя ширина кузова полувагона, м; Д-высота боковой стены полувагона, м;

а

- угол поворота системы, град.;

' - угол между плоскостью обрушения и плоскостью боковой стены полувагона, град. Сила трения между грузом и кузовом определяется:

^ = В Н - В* + р - *т(а)-1л

2-у

Сила трения между частицами груза: ГЕН _ _

тр 2 у

Кинетическая и потенциальная энергия груза записана как:

Ту Т

2  г2

Возмущающая сила от действия привода электродвигателей предоставлялась по гармоническому закону:

Г 1(0 = А  соб(У  О

где А - амплитуда колебаний, м;

- кругова частота, Гц; t - время, сек.

С целью определения давления насыпного груза на боковую стену кузова полувагона при разгрузке использовалась формула Кулона с корректировкой Синельникова. При этом масса насыпного груза определялась по формуле:

С Их- соз (р - а) а т = — = -—.. . . . _-:—г у

д 2 - [Н + — от) - д:}

У

где ' - плотность насыпного груза, т/м3; Д-высота боковой стены полувагона, м;

а

- угол поворота системы, град.;

- угол внутреннего трения, град; х - ширина призмы сдвига спада груза, м.

гиг

'у

При определении момента инерции насыпного груза " сделано предположение, что груз при убытии его с кузова является монолитной средой призматической формы.

С целью решения системы дифференциальных уравнений они сводились к нормальной форме Коши и последующим интегрирова-

ТКАШРОЮТ ВШШЕББ Ш ЮШБ^ | №1 2017 | 141

нием по методу Рунге-Кутта [7]. На основании чего получены ускорения КПВ при разгрузке его с помощью ВО (Рисунок 3). Согласно полученным результатам можно сделать вывод, что ускорение кузова полувагона возникают при угле вращения около 60° (то есть, при установленном истечении груза с кузова). Максимальные значения ускорений наблюдаются при угле оборота 125° и составляют около 9,8 м/с2. Это осуществляется почти на конечной стадии истекания груза, поскольку последний угол, а это около 30° и соответственно уже не влияет на динамику, из-за того, что в кузове составляет уже небольшую часть груза.

Рисунок 3 - Характер ускорения кузова КПВ при опрокидывании

Выводы. Проведенные в течении всего цикла разгрузки расчеты позволили определить и уточнить динамические ускорения системы ВО-КПВ-НГ. При угле оборота в 125о возникают максимальные величины ускорений для кузова полувагона и составляют около 9,8 м/с2.

Проведенные исследования позволяют при разгрузке на вагоноопрокидывателе достоверно определить и оценить инерционные составляющие энергетического баланса кузова полувагона. Это позволит конструкционно адаптировать полувагоны с условиями выгрузки сыпучих грузов способом опрокидывания, и повысить показатели надежности и прочности подвижного состава, что существенно увеличит производительность выгрузки полувагонов при условии сохранности деталей и узлов, и сократит оборот вагона при значительных простоях под разгрузкой в портах во время экспортной перевалки за границу.

Литература:

1. Визняк Р. И. Полувагон и грейфер вечная проблема несовместимости / Р. И. Визняк, И. В. Чепурченко, В.О. Шевченко // Журнал «Вагонный парк» - 2011. - №1. - С. 24-28.

2. ГОСТ 22235-2010. Вагоны грузовые магистральных железных дорог колеи 1520 мм. Общие требования по обеспечению сохранности при производстве погрузочно-разгрузочных и маневровых работ - 2011-05-01.- М.: Изд-во стандартов, 2001.- 27 с.

3. Крапоткин С.И. Вагоноопрокидыватели: учеб. / С.И. Крапоткин, Б.И. Сорокин; Трансжелдориздат. - М., 1937. - 407 с.

4. Музалев Г.Г. Исследования по выбору конструктивных схем и технико-экономических параметров угольных вагонов габарита Т: автореф. дис. к-та тех. наук: 05.22.07 / Г.Г. Музалев; [МИИТ].— Москва,1976. — 23с.

5. Вершинский С.В. Динамика вагона: ученик для ВУЗов / С.В. Вершинский, В.Н. Данилов, В.Д. Хусидов; под ред. С.В. Вершинского; - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Транспорт, 1991.-360 с.

6. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных).-М.: 1996. - 258 с.6

7. Кирьянов Д.В. МаЛсаё 13 / Д.В. Кирьянов - СПб. : БХВ - Петербург, 2006. - 608 с.

142 ТЯАШРОЯТ Ви8ШЕ88 Ш ЯШЗТА | №1 2017 |