Введение

Разработка новых конструкций тележек и модернизация существующих в основном производится на основе натурных экспериментов. Проектные расчеты как правило носят ориентировочный характер и их результаты затем уточняются на основе эксперимента.

При математическом моделировании- колебаний подвижного состава, которое чаще всего основано на численном интегрировании дифференциальных уравнений модели, имеется возможность получить полную картину динамического процесса при заданных параметрах вагона и определенном возмущении, вызванном неровностями железнодорожного пути. Другими словами, такой подход позволяет имитировать какой-то частный случай движения вагона.

В последнее время компьютерные расчеты частных случаев движения вагона получили название имитационное моделирование [20].

По существу при имитационном моделировании делается проверочный расчет при заданных параметрах объекта и возмущениях.

Учитывая большую производительность современных компьютеров, на базе необходимого количества проверочных расчетов можно выбрать оптимальные или рациональные параметры рессор по заданным критериям показателей качества хода.

На основе имитационного моделирования было поставлено и решено несколько задач, связанных с исследованиями:

- безопасности движения вагонов по критерию схода колеса с рельса;

- износов гребней колес в прямых и криволинейных участках с выяснением причин повышенного износа;

- определения рациональных конструктивных параметров рессор пассажирских тележек по различным критериям показателей качества хода.

В представленных исследованиях сход колеса с рельса фиксировался не по критерию Марье, а по фактическому подъему колеса на головку рельса. Это связано с тем, что коэффициент запаса устойчивости, определенный по формуле Марье, всегда меньше единицы, когда колесо поднимается на гребень вверх, однако схода при этом может не происходить. Сход происходит только в том случае, когда величина подъема колеса на головку рельса достигает высоты гребня.

При анализе причин повышенного изроса гребней колес введен в рассмотрение такой показатель, как мощности сил трения в контакте колеса и рельса. Причем эти мощности вычисляются и на гребне, и на ободе колеса.

В 1995-1997 г.г. кафедрой "Вагоны и вагонное хозяйство" Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) совместно с Тверским вагоностроительным заводом (ТВЗ) проводились исследовательские и опытноконструкторские работы по модернизации тележки КВЗ-ЦНИИ.

Известно, что пассажирские вагоны с тележками КВЗ-ЦНИИ имеют показатели плавности хода более 3,25, что не отвечает "удовлетворительной" оценке по Нормам МПС.

В данных исследованиях изучались возможности улучшения динамических показателей вагона за счет конструктивных изменений (модернизации) тележки типа КВЗ-ЦНИИ.

Эта модернизация касалась прежде всего обоснования рационального угла установки гидравлического гасителя в центральном подвешивании, возможностей устранения из конструкции буксового подвешивания фрикционных гасителей, которые ухудшают динамические качества вагона, применения в центральном подвешивании гидравлических гасителей раздельного действия.

Исследовалась также динамика скоростного вагона (скорость до 250 км/час) и определялась рациональная жесткость упругой связи между колесной парой и рамой и параметры демпфирования колебаний.

Решение перечисленных задач потребовало разработки уточненной пространственной модели колебаний пассажирского вагона при движении по прямым и криволинейным участкам.

По сравнению с ранее разработанными, в данной математической модели строго с позиций механики описаны следующие особенности динамики вагона и взаимодействия колеса и рельса:

- математические зависимости реакций гидрогасителей, расположенных наклонно и осуществляющих демпфирование в двух плоскостях, при этом учтено действие предохранительного клапана давления;

- дифференциальные уравнения колебаний люлечного подвешивания под действием вертикальных и боковых реакций пружин с учетом трения в шарнирах;

- дифференциальные уравнения деформаций упругих прокладок, являющихся безынерционными элементами и обладающих демпфирующими свойствами;

- зазоры и ограничения перемещений между шпинтонами и упругими прокладками и надрессорной балкой и рамой тележки;

- нелинейные проекции сил крипа в контакте колеса и рельса, определяемые общим вектором проскальзывания;

- зазоры между гребнем колеса и головкой рельса и определение точки контакта по ободу и гребню.

При разработке общей математической модели движения вагона в прямых и криволинейных участках пути были получены уравнения переходных и круговых кривых в той же системе координат, в которой записаны уравнения колебаний.

Из условия отсутствия разрывов функций и их производных математически произведено "склеивание" криволинейных участков, содержащих прямые вставки, переходные и круговые кривые. Получены уравнения деформаций упругих связей вагона с учетом больших угловых перемещений. Как известно, уравнения малых колебаний предполагают геометрическую линейность, т.е. при малых углах « 1.

При больших углах такое предположение не является справедливым. Поэтому наряду с геометрически линейной была предложена общая математическая модель, не использующая предположения о малых углах поворота вагона в плане.

Достоверность математической модели и программного комплекса для ПВМ подтверждается сопоставлением результатов расчета и эксперимента.

Результаты и выводы по исследованиям, изложенным в монографии, переданы Тверскому вагоностроительному заводу и ВНИИЖТ в форме научно-исследовательских отчетов.

Динамика пассажирского вагона и пути модернизации тележки КВЗ-ЦНИИ | Краткий обзор исследований в области динамики вагонов