Обоснование технических решений конструкции двухэтажного пассажирского вагона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат наук Лебедев Владимир Александрович

• Лебедев Владимир Александрович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Лебедев Владимир Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 АКТУАЛЬНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВУХЭТАЖНЫХ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ. ОБЗОР ИСТОРИИ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И ОГРАНИЧЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Актуальность использования двухэтажных пассажирских вагонов

1.2 Обзор истории возникновения и развития конструкций двухэтажных пассажирских вагонов

1.2.1 Обзор зарубежных двухэтажных вагонов

1.2.2 Обзор отечественных двухэтажных вагонов

1.3 Краткий обзор развития методов прочностных и динамических исследований подвижного состава

1.4 Постановка целей, задач и ограничений исследования

2 ПОСТРОЕНИЕ И ИСПЫТАНИЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫХ МОДЕЛЕЙ КУЗОВА ДВУХЭТАЖНОГО ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

2.1 Описание объекта исследования

2.2 Построение модели кузова двухэтажного пассажирского вагона методом конечных элементов

2.3 Верификация конечно-элементных моделей кузова двухэтажного пассажирского вагона. Выбор рациональной модели

2.4 Выводы по разделу

3 ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВУХЭТАЖНОГО ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА

3.1 Учет массы брутто кузова для конечно-элементной модели

3.2 Выбор расчетной схемы кузова по результатам вибрационных испытаний

3.3 Разработка динамических моделей двухэтажного вагона с упругим

и твердотельным кузовом

3.4 Моделирование железнодорожного пути

3.5 Выбор динамической модели двухэтажного пассажирского вагона

3.6 Выводы по разделу

4 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

ДВУХЭТАЖНОГО ВАГОНА. ВЫБОР КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ЕГО ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ

4.1 Обоснование применения и поиск вариантов конструкций стабилизирующих устройств тележки двухэтажного вагона

4.2 Разработка вариантов конструкций стабилизирующих устройств тележки

4.3 Моделирование испытаний предложенных вариантов

4.4 Анализ результатов испытаний

4.5 Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В большинстве развитых стран мира пассажирский железнодорожный транспорт занимает большую часть пассажирских перевозок. Парк пассажирских вагонов помимо одноэтажных составляют вагоны двухэтажные.

В последнее время на железных дорогах России стали появляться новые пассажирские двухэтажные вагоны российского производства. Это событие было приурочено к XXII зимним Олимпийским играм, проводившимся в городе Сочи в 2014 году. К тому же этому появлению, в свою очередь, способствовали кризисные явления в экономике страны. Применение двухэтажных вагонов позволяет повысить вместимость поезда (в отношении одноэтажных вагонов), снизить стоимость билета для пассажира, снизить затраты на перевозку одного пассажира. Но у этих вагонов есть и ряд недостатков (в отношении одноэтажных вагонов): большая стоимость приобретения вагона, большая масса, большие габаритные размеры кузова, большая склонность к боковому наклону.

В ходе разработки ходовых частей для новых вагонов выполнялся ряд испытаний. По результатам проведения динамических поездных испытаний было отмечено неудовлетворительность (по «Нормам ...») некоторых динамических параметров, связанных с комфортностью и безопасностью движения новых двухэтажных вагонов. В дальнейшем были предприняты конструктивные решения, позволившие решить проблемы, связанные с безопасностью движения, но остались вопросы в области качества хода и повышения комфортности движения пассажиров этих вагонов.

Степень разработанности темы. Степень разработанности тематики не широка, так как вагоны данной конструкции появились на российских железных дорогах сравнительно недавно. Основным вопросом для нового вагона стала разработка кузова отвечающего требованиям «Норм ...». Проблема, связанная с передачей продольных нагрузок в металлоконструкции кузова ввиду изогнутой конструкции рамы, была решена путем продления нижней обвязки концевых частей кузова на всю длину понижения кузова. Данное решение утяжелило и без

этого не легкую конструкцию. Стремление к уменьшению массы вагона привело к отказу от буферных устройств, что негативно сказалось на динамических показателях вагона, в частности на горизонтальных ускорениях.

В качестве основы ходовых частей для двухэтажного вагона была принята безлюлечная тележка модели 68-4095, применявшаяся для одноэтажных вагонов нового поколения. По результатам расчетов и испытаний было усилено рессорное подвешивание, установлен стабилизатор бокового наклона, что значительно увеличило угловую жесткость подвешивания. Результаты динамических испытаний показали, что вагон удовлетворяет требованиям «Норм ...», но по некоторым параметрам возможны улучшения.

Также остается много вопросов для дальнейшего совершенствования отечественных двухэтажных пассажирских вагонов.

Объектом исследования принят отечественный двухэтажный пассажирский вагон модели

Целью диссертационной работы является разработка и научное обоснование технических решений для обеспечения улучшения качества хода новых отечественных двухэтажных пассажирских вагонов.

Основные задачи, решаемые в работе:

- создать расчетную схему кузова отечественного двухэтажного пассажирского вагона, учитывающую упругие свойства материала его несущих элементов;

- анализ схемы из условий прочности на соответствие натурному образцу путем сравнения полученных напряжений с экспериментальными;

- на основе выполненной ранее схемы разработать модель кузова массой брутто. Оценить жесткостные параметры модели кузова путем моделирования вибрационных испытаний. Полученные результаты сравнить с экспериментом;

- разработать динамическую модель тележки отечественного двухэтажного пассажирского вагона по параметрам приближенную к реальной;

- на основе разработанных ранее моделей кузова брутто и тележки создать гибридную динамическую модель вагона. Путем моделирования динамических испытаний подтвердить соответствие модели объекту исследования;

- выполнить анализ результатов динамических испытаний объекта исследования. Наметить пути совершенствования конструкций ходовых частей

отечественного двухэтажного пассажирского вагона и смоделировать нововведения на основе разработанной ранее конструкции тележки;

- смоделировать поездные испытания модели двухэтажного вагона с модернизированными ходовыми частями (на условиях ранее производимых испытаний);

- провести анализ полученных данных и сделать вывод о полезности конструктивных нововведений для ходовых частей отечественных двухэтажных пассажирских вагонов.

Методология и методы исследования, применяемые в работе.

Теоретическая методология исследования основывается на методах математического моделирования объекта исследования и его частей, с учетом прочностных и динамических параметров. Для этого применяется метод конечно-элементного моделирования (Siemens PLM Software Femap), метод подсистем при моделировании динамики систем тел («Универсальный механизм»).

К практической методологии относятся испытания объекта исследования (прочностные, динамические).

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Создана подробная компьютерная модель отечественного пассажирского купейного двухэтажного вагона (61-4465) методом конечных элементов, позволяющая с достоверной точностью выполнять математический анализ напряженно-деформированного состояния (в соответствии с результатами натурных испытаний).

2. Разработан и обоснован уточненный способ учета влияния распределения массы брутто кузова по его металлоконструкции (при наличии перегородок купе и служебных помещений) на жесткостные параметры кузова отечественного двухэтажного пассажирского вагона.

3. Созданы новые конструкции стабилизирующих устройств бокового наклона кузова двухэтажного пассажирского вагона с подбором жесткостных параметров подвешивания его ходовых частей.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. На этапе проектирования новых пассажирских вагонов может применяться методика моделирования нагружения несущей металлоконструкции

кузова массой брутто объемными массовыми элементами с определенными связями в виде стержневых элементов. Методика подтверждена проектировочными расчетами и динамическими испытаниями.

2. Разработана математическая модель кузова двухэтажного пассажирского вагона (61-4465), позволяющая с оптимальной достоверностью определять уровень напряженно-деформированного состояния.

3. Создана компьютерная динамическая модель двухэтажного вагона, позволяющая с приемлемой точностью оценить динамические параметры двухэтажного вагона.

4. Разработаны новые конструктивные решения стабилизирующих устройств и подобраны технические параметры ходовых частей. Выполнена оценка их влияния на динамические параметры вагона, подтверждающая возможность их применения на практике после дополнительных (прочностных и т.п.) исследований.

Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается результатами натурных статических и динамических испытаний двухэтажного пассажирского вагона, выполненными для ОАО «Тверской вагоностроительный завод».

Личный вклад соискателя.

Создана компьютерная модель несущей металлоконструкции кузова отечественного пассажирского купейного двухэтажного вагона, позволяющая адекватно выполнять математический анализ напряженно-деформированного состояния кузова аналога. Предложены варианты совершенствования конструкции кузова.

Разработана методика оценки влияния распределения массы брутто кузова двухэтажного пассажирского вагона на его динамические параметры.

Методом подсистем разработана гибридная динамическая модель двухэтажного вагона, показавшая свою адекватность вагону аналогу в ходе компьютерного моделирования поездных испытаний.

На основе анализа результатов динамических поездных испытаний объекта исследования, определены пути совершенствования конструкций его ходовых частей. Разработаны новые конструктивные решения стабилизирующих устройств тележек вагона. Опытным и расчетным путем подобраны технические

параметры ходовых частей. При помощи компьютерного моделирования выполнена оценка их влияния на динамические параметры вагона. По результатам испытаний выбран лучший вариант стабилизирующего устройства тележек отечественного двухэтажного пассажирского вагона.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование технических решений конструкции двухэтажного пассажирского вагона»

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях, конкурсах: «Будущее машиностроение России» (МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2010г.), «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (БГТУ, 2010 г.), «Будущее машиностроение России», МИКМУС-2010 (Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Москва, 2010 г.), 53-й научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (МФТИ, 2010 г.), труды «Двенадцатой научно-практической конференции» (МИИТ, 2011), «79-я международная научно-техническая конференция» (Нижний Новгород, 2012).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Создание и оценка на адекватность конечно-элементной модели кузова двухэтажного пассажирского вагона путем сравнения с экспериментальными напряжений в наиболее нагруженных зонах. Предложения по совершенствованию конструкции кузова двухэтажного пассажирского вагона.

2. Методика создания модели кузова брутто пассажирского вагона с подтверждением его полезности.

3. Результаты теоретических исследований по обоснованию конструктивных решений системы стабилизации движения отечественного пассажирского вагона.

Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 8 печатных работах. Три статьи опубликованы в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованный ВАК России для публикации научных результатов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 118 наименований. Общий объем диссертации составляет 178 страниц текста, включает 92 рисунка и 16 таблиц.

1 АКТУАЛЬНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВУХЭТАЖНЫХ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ. ОБЗОР ИСТОРИИ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ. ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И ОГРАНИЧЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Актуальность использования двухэтажных пассажирских вагонов

В последнее время, с интенсивным развитием науки и техники, в промышленном и социальном секторе жизни страны возрос интерес к внедрению инноваций. Поскольку они позволяют добиться больших, качественных результатов, сократить издержки в производственной сфере, сфере услуг. Таким образом, инновации способствуют экономическому росту государства и повышению благосостояния его граждан. В странах с большой территорией в сфере оказания услуг одной из важнейшей является транспортная услуга. Особенно это актуально для такой страны как Россия, имеющей колоссальные запасы природных ресурсов и огромные размеры территории.

В большинстве стран мира транспортировка пассажиров обеспечивается в основном автомобильным транспортом. Но это, как правило, поездки на небольшие расстояния. К тому же излишнее увеличение количества автомобильного транспорта влечет за собой такие проблемы, как загрязнения окружающей среды, уменьшения жизненного пространства (в основном, резко эта проблема стоит в городах), заторы на дорогах, увеличение количества дорожных коммуникаций и т.п.

Решение транспортных проблем наиболее эффективно железнодорожным транспортом, который по сравнению с автомобильным, обладает рядом достоинств:

- меньшая стоимость поездки на большие расстояния;

- лучшие условия комфорта размещения пассажира при длительной поездке;

- более высокая средняя скорость;

- более высокая степень безопасности для пассажиров;

- меньшее загрязнение окружающей среды.

К недостаткам можно отнести:

- высокую стоимость покупки, обслуживания и ремонта единицы транспорта;

- меньшую мобильность;

- продолжительное время обслуживания;

- большие земельные площади, занимаемые под инфраструктуру (сравнение размеров территории автомобильного и железнодорожного вокзалов, депо и т.п.).

Для повышения эффективности работы железнодорожного транспорта в области пассажирских перевозок для инженеров подвижного состава были поставлены следующие задачи: увеличение пассажировместимости вагона, повышение скорости движения поездов, уменьшение стоимости перевозки одного пассажира.

Увеличение вместимости пассажирских вагонов требует значительных изменений в конструкции вагона, что может негативно сказаться на комфортности пассажиров. Степень комфортности зависит от чувства свободы пассажира в салоне вагона. При решении поставленных задач необходимо было достигнуть компромисса между габаритными размерами вагона и пассажировместимостью.

На основе этого был разработан и создан пассажирский вагон с размещением пассажиров в два этажа. К основным преимуществам двухэтажного вагона относительно одноэтажным можно отнести:

- большая пассажировместимость;

- меньшая стоимость проезда с такими же условиями комфортности для пассажира (повышение конкурентоспособности в отношении других видов транспорта);

- меньше расходы на перевозку одного пассажира (повышение рентабельности);

К недостаткам относятся следующие факторы:

- увеличенная масса вагона;

- усложненная конструкция кузова;

- увеличенная цена приобретения вагона;

- большие размеры кузова и как следствие, увеличение габарита и уменьшение свободы эксплуатации на сетях действующих железных дорог.

Усложнение конструкции кузова касается увеличения высоты боковой стены, и понижение салонной части кузова для возможности размещения второго этажа. Понижение кузова исключает возможность размещения подвагонного оборудования на длине базы вагона. Это оборудование размещается внутри вагона. Тем самым все эти факторы сказываются на увеличении высоты центра массы кузова и, в конечном счете, на динамические качества двухэтажного вагона.

Для двухэтажных вагонов были разработаны новые или усовершенствованы прежние конструкции ходовых частей.

Двухэтажный подвижной состав является перспективной областью в сфере пассажирских перевозок железнодорожного транспорта

Несмотря на актуальность использования таких вагонов в настоящее время, первые двухэтажные вагоны появились еще в 19 веке. Уже тогда проблема вместимости пассажиров в вагонах более дешевых классов способствовала их созданию.

1.2 Обзор истории возникновения и развития конструкций двухэтажных пассажирских вагонов

1.2.1 Обзор зарубежных двухэтажных вагонов

Первые двухэтажные пассажирские вагоны появились достаточно давно, практически, спустя десять лет после того, как появилась первая железная дорога (1825 год) между английскими городами Дарлингтон и Стоктон. Американская железнодорожная компания «Балтимор энд Огайо» стала первой эксплуатировать поезда, составленные из подобных вагонов (рисунок 1.1). Конструкцию двухэтажного вагона предложил в 1833 году немецкий инженер Ф. Лист [1, 2]. Двухъярусный, как и обычный одноэтажный пассажирский вагон того времени, конструктивно походил на карету с железнодорожным ходом, только сверху («на крыше») имелась площадка, прикрытая тентом с восьмиместной, продольной лавкой.

Активный рост промышленности в середине 19 века привел к прокладке железных дорог в крупных индустриальных городах. Поезда курсировали по городу и доставляли рабочих на фабрики и заводы. Длинные поезда для города доставляли большие неудобства, вследствие чего, перевозки осуществлялись по принципу максимум пассажиров и минимум удобств. Это давало преимущество двухэтажным вагонам.

С развитием городского железнодорожного транспорта увеличилось количество пассажиров, желающих им воспользоваться. Изменялись конструкции вагонов и локомотивов, улучшались условия поездки, увеличивалась вместительность вагонов, повышалась скорость движения. Для крупных, густонаселенных городов новый вид транспорта был особо актуален, поскольку лошадиная тяга, применявшаяся для перевозки пассажиров и грузов, имела существенные недостатки (в сравнении с железнодорожным транспортом).

Рисунок 1.1 - Первые двухэтажные вагоны, эксплуатировавшиеся на американских

железных дорогах

Развивался и междугородний железнодорожный транспорт. Таким образом, на железных дорогах Германии появились двухъярусные вагоны угловатой формы, вмещающие на первом этаже тридцать человек с багажом (первый, второй классы), на втором - сорок (третий класс) [2]. Лестница на второй этаж находилась на торцевой стене вагона.

Французская железнодорожная компания «Compagnie des chemins de fer de l'Ouest» была основана в 1855 году путем слияния малых компаний, занимавшихся железнодорожными перевозками в Париже, Нормандии, Бретани. В то время поездки на железнодорожном транспорте набирали все большую

популярность. С середины 50-х годов 19 века, чтобы справиться с возрастающим пассажиропотоком на железных дорога Парижа и его пригороде, помимо одноэтажных, «Compagnie des chemins de fer de l'Ouest» стала использовать двухэтажные вагоны (рисунок 1.2) [2, 3], [7]. С развитием железнодорожной сети и ростом ее загруженности они стали применяться и на междугороднем сообщении.

Двухэтажный вагон представляли собой двухосный одноэтажный, на крыше которого размещалась надстройка второго этажа без боковых стен с поперечными лавками (рисунок 1.2 а, б). На второй этаж вели две лестницы на торцевых стенах. Вагоны были двух типов: 1) второго (первый этаж) и третьего класса (второй этаж); 2) третьего класса. Эти вагоны получили название «Voitures a imperiale».

б

а) вагон второго и третьего класса; б) вагона третьего класса Рисунок 1.2 - Французские пассажирские двухэтажные вагоны «Voitures a imperiale», выпускавшиеся с 50-х годов 19 века

Для повышения устойчивости двухэтажного вагона к опрокидыванию при движении в кривых участках пути высота первого и второго этажей была сделана небольшой - 1,65 м и 1,47 м, соответственно.

По габаритным размерам и таре экипажи первого и второго типов были практически одинаковы: длина по буферам 8,07 м, высота от уровня головок рельсов 4,31 м, ширина по подножкам 3,02 м, тара составляла 8 т (приблизительно).

Основное различие заключалось во вместительности вагонов. Экипаж первого типа вмещал до 76 мест для сидения (40 мест на первом и 36 - на втором этаже). Вагон второго типа - до 86 мест (50 мест на первом и 36 - на втором этаже).

Двухэтажные вагоны осуществляли перевозки регулярно, но места на втором этаже пользовались спросом только в теплое время года. Да и такое путешествие не у всех пассажиров вызывало одобрение, поскольку было не безопасным перемещение по проходу ввиду отсутствия боковых стен и высоких перил. Благодаря большей вместительности цены на билеты были меньше чем на одноярусные вагоны, что и привлекало основную массу пассажиров. Вагоны эксплуатировались до 1931 г.

Впоследствии на их основе стали выпускать двухэтажные вагоны с полностью закрытым, остекленным вторым этажом с центральным проходом. Среди французов они получили прозвище «Bidel» (рисунок 1.3) [3], так как решетки на окнах второго этажа напоминали им клетки зверинца «Bidel», в которых содержались дикие животные. По планировке они также разделялись на типы: 1) второй (первый этаж) и третий класс (второй этаж); 2) третий класс. За счет расширения салона второго этажа увеличилась его вместимость.

Было выпущено две серии двухэтажных вагонов: 1) серия 1882, производившихся с 1883 года; 2) серия 1911 - с 1911 по 1924 года. Всего таких вагонов было построено, приблизительно, 1000 единиц.

Вагоны были двухосными, их тара составляла около 15 тонн. Высота потолка первого этажа (второй класс) ровнялась 1617 мм, второго (третий класс) -

1695 мм. Вагоны первой серии имели длину по буферам 9,5 м, второй серии были немного дольше - 9,8 м.

На 1 января 1938 года для компании SNCF (пришедшей на смену Compagnie des chemins de fer de l'Ouest) общий парк двухэтажных вагонов этих серий насчитывал 710 единиц. Вагоны были выведены из массовой эксплуатации в 1949 году, последний поезд с ними совершил поездку в 1954 году.

Рисунок 1.3 - Французские пассажирские двухэтажные вагоны «Voiture Bidel»,

выпускавшиеся с 80-х годов 19 века В 1876 году под руководством швейцарского инженера Анатолия Маллета был создан пассажирский двухэтажный поезд, который эксплуатировался на железных дорогах Европы (рисунок 1.4) [2]. Маллет активно занимался

совершенствованием конструкций паровозов. Он первым предложил использовать принцип двойного расширения пара, позволившего значительно повысить экономию топлива.

Рисунок 1.4 - Двухэтажный поезд, созданный А. Малетом в Европе в 1876 году Французский инженер Ж. Буле, заинтересовавшийся железнодорожным транспортом, предложил 1889 году проект скоростного поезда из двухэтажных вагонов [2], [4]. Проект предусматривал создание локомотива и вагона с большим диаметром колес около 2,4 м, которые будут двигаться по междугородним железным дорогам со скоростью до 150 км/ч. Кроме больших колес, конструкция вагона (рисунок 1.5) отличалась тем, что имела большую изогнутую, по концам, раму и три купе первого этажа на уровне колес.

Рисунок 1.5 - Двухэтажный пассажирский вагон французского инженера

Ж. Буле

По техническим причинам скоростной поезд Буле так и не вышел на железную дорогу. Несмотря на то, что в начале 20 века двухэтажные вагоны курсировали по городам Америки и Европы, широкого распространения не получили.

В 70-х годах 19 века в Дании, стали выпускать двухэтажные пассажирские вагоны третьего класса (рисунок 1.6) на заводе Vulcan [5]. Это было связано с быстрым ростом пригородного пассажиропотока Копенгагена. В моду вошли поездки к морю и загородные дома. Вагоны не имели отопления и эксплуатировались в теплое время года. За низкие потолки и тесноту вагоны получили прозвище «бисмарки». Вагон был оборудован местами для сидения на 90 пассажиров. Он имел длину по осям сцепления 9,69 м и базу - 4,57 м, высота вагона ровнялась 4,26 м. Тара вагона составляла 12,9 т. Эти двухэтажные вагоны эксплуатировались до 1935 года и затем были заменены пригородными электропоездами.

Рисунок 1.6 - Двухэтажный пассажирский вагон, выпущенный в 1900 году в Дании. Датский музей железнодорожной техники С развитием железнодорожной техники в конце 20 годов на железных дорогах Америки и Европы стали появляться более мощные и быстрые паровозы, дизельные локомотивы, первые электропоезда, более комфортные пассажирские вагоны. Это окончательно оттеснило вагоны двухэтажные с междугородних на пригородные линии.

К массовому использованию двухэтажных пассажирских вагонов первыми приступили французы. С ростом пассажиропотока в пригородах Парижа, Марселя, Лиона возникла потребность увеличения вместимости экипажа и замены парка, устаревших морально и технически, двухэтажных вагонов «Bidel». В связи с этим компаниями Entreprises Industrielles Charentaises (EIC) и Carel et Fouché для железных дорог Франции Chemins de fer de l'État были спроектированы и изготовлены двухэтажные вагоны (Voiture État в 2 étages), поступившие в эксплуатацию в 1933 году (рисунок 1.7) [2, 3].

Рисунок 1.7 - Двухэтажные пассажирские вагоны (Voiture État в 2 étages)

французского производства образца 1933 года

Конструкция нового пассажирского вагона значительно отличалась от предыдущих аналогов. Лестница, ведущая на второй этаж, теперь располагалась не на торцевой стене, а внутри вагона (в тамбуре). Кузов был сделан из стали и алюминия. По сравнению с «Bidel», эти вагоны обладали большей вместительностью - вагон второго класса имел 128 мест для сидения, 10 из которых были откидными. В некоторых случаях, пассажиров было настолько много, что в поезде из восьми вагонов ехало около двух тысяч человек -половина ехала сидя, другая стоя. Тара вагона ровнялась 50,6 т. Длина - 23,3 м, высота - 4,35 м. Конструкционная скорость вагона составляла 120 км/ч.

Вагоны данного типа прослужили до 1983 года.

Им на смену в 70-х годах стали приходить двухэтажные поезда (VB2N, VO2N, VR2N) [2, 3], [9] пригородного, междугородного, дальнего сообщения, обеспечивая более комфортное движение с большими скоростями во всех регионах страны.

В некоторых странах Европы, введу сложной, гористой местности, использование длинных поездов было затруднительно. В таких условиях, кстати, пришлись вместительные двухэтажные вагоны, позволяющие формировать пассажирские поезда меньшей длины.

В немецком городе Герлиц на заводе WUMAG (с 1938 года VEB Waggonbau Görlitz) и польском городе Бреслау (Вроцслав) на вагоностоительном заводе LinkeHoffmann в 1936 году для железнодорожной компании Lübeck-Buchener Eisenbahn (LBE) были выпущены первые пассажирские двухэтажные вагоны LBE-DW [6], имеющие современную форму кузова (рисунок 1.8 а). Вагоны выпускали секциями по два вагона. Концевые вагоны поезда имели кабины управления локомотивом (паровозом). Несущие кузова были выполнены цельнометаллическими.

Позднее, в 1951 году в бывшей Германской Демократической Республике (ГДР) стали выпускать и четырехвагонные секции (рисунок 1.8 б) [6]. Вагоны двух и четырехвагонных поездов имели сочленённую конструкцию. Ходовые части этих поездов были выполнены таким образом - по концам поезда располагались двухосные тележки, а между вагонами - трехосная тележка.

Вагоны были оборудованы местами для сидения, обтянутыми искусственной кожей и поролоновой подбивкой. Также они были оборудованы закрытыми межвагонными переходами, что позволило пассажирам беспрепятственно перемещаться из вагона в вагон (в пределах секции). Четырехвагонный поезд вмещал до 900 пассажиров и в длину составлял 73,4 м. Максимальная скорость движения ровнялась 120 км/ч. Для увеличения пропускной способности железной дороги, не редко двухэтажные поезда сцепляли в один состав.

Первые двухэтажные поезда курсировали по маршруту Hamburg-LübeckTravemünde (Гамбург-Любек-Травемюнде). Поезда использовались для пригородного сообщения и только после Второй Мировой войны получили широкое распространение в Европе. Выпуск пассажирского двухэтажных поездов данного типа осуществлялся до 1970 года. В Германии данные поезда эксплуатировались до 1995 года. Однако в некоторых европейских странах они осуществляли пассажирское транспортное сообщение и в начале 21 века.

б

а) двухвагонных секций (LBE-DW); б) двух (DB, ФРГ) и четырехвагонных секций (Вр930, Чехия) Рисунок 1.8 - Двухэтажные пассажирские поезда сочлененного типа, выпущенные в Германии в период с 1936 по 1970 годы

В послевоенные годы в Великобритании рост пассажиропотока в часы пик привел к перегрузке пригородного сообщения. Короткие посадочные платформы не позволяли использовать длинные поезда. В 1948 году английский инженер Oliver Bulleid предложил проект двухэтажных электропоездов, который решил бы эту проблему и был экономически выгодным. В 1949 году прошли испытания и уже в январе 1950 года два поезда по четыре вагона стали возить пассажиров. Они получили название 4DD (рисунок 1.10 а) (DD - Double-Decker) и нумерацию 4001 и 4002 [10, 11]. Из-за небольших размеров габаритов английских железных дорог двухэтажные поезда эксплуатировались только между городами Дартфорд и Лондон (вокзал Чаринг-Кросс).

Вагон занимал практически всю ширину и высоту габарита. По сравнению с одноэтажными того времени кузов двухэтажного вагона 4DD имеет уровень пола ниже на 150 мм и крышу выше на 110 мм. Каждый поезд имел до 508 мест для сидения пассажиров, что было больше на 122, чем четыре одноэтажных. Тяговые тележки располагались по концам поезда.

Схема расположения сидений представлена на рисунке 1.9.

Входная дверь в вагон имелась в каждом купе первого этажа. На второй этаж вела лестница. Сквозной проход через вагон был исключен. Сидения располагались в шахматном порядке в вертикальной плоскости (над головой человека, сидящего на первом этаже, располагалось сиденье купе второго этажа).

Рисунок 1.9 - Схема расположения сидений в двухэтажном вагоне 4DD Всего было выпущено два поезда, поскольку они имели существенные недостатки. В зимнее время года пассажиры первого уровня могли чувствовать себя не комфортно - было холодно, а в летнее время было жарко на втором этаже. Окна на втором этаже не открывались (сплошные) ввиду очень близкого

расположения кузова к габариту, второй этаж не проветривался. К тому же посадка и высадка пассажиров проходила медленно.

Поезда 4DD оставались в эксплуатации до 1971 года.

В США в 1932 году американская железнодорожная компания Long Island Rail Road начала эксплуатировать несамоходные двухэтажные пассажирские вагоны, построенные по такому принципу как и 4DD (рисунок 1.10 б), получившие обозначение «200».

Основное отличие такого вагона от будущего английского заключалось в том, что вагоны имели: входные двери только по концам; сквозной коридор, соединяющий купе первого и второго этажей; возможность открывать окна второго этажа. Впервые в мире несущая конструкция кузова двухэтажного вагона была выполнена из алюминия. Изначально такой вагон имел 120 сидений, после модернизации - 132. Вагоны прослужили до 1965 года.

б

а) английский «400»; б) американский «200» Рисунок 1.10 - Двухэтажные пассажирские вагоны с шахматным

расположением сидений

В период с 1950 по 1951 (рисунок 1.11) годы для железных дорог бывшей Федеративной Республики Германии (ФРГ) у компании Wegmann в городе Kassel (г. Кассель,) было закуплено шесть двухэтажных вагона [6], которые эксплуатировались до 1976 года. Конструкционная скорость движения двухэтажных вагонов составляла 120 км/ч.

Одновременно с выпуском двух и четырехвагонных двухэтажных секций в 1957 году в Герлице (ГДР) (на заводе VEB Waggonbau Görlitz) начали изготавливать двухэтажные пассажирские вагоны, сцепленные в секции, по три (DGB26 DR) или по пять (DGBgpe DR) (рисунок 1.12 а, б) [6]. Эти вагоны предназначались для поездов дальнего следования с использованием локомотивной тяги. Большого распространения трех вагонные секции не получили.

Рисунок 1.11 - Двухэтажные пассажирские вагоны Германии (ФРГ) серии DB, выпускавшиеся компанией WEGMANN в начале 1950 годов Также как и в двух и четырехвагонных пассажирских поездах вагоны были выполненны сочлененными, но тележка между вагонами применялась двухосная. Основным отличием от предыдущих конструкций двухэтажных вагонов стало изменение мест расположения проемов наружных дверей. Дверные проемы были перенесены с кузова вагона на межвагонную зону, что позволило уменьшить их количество и увеличить пасажировместимость.

Для увеличения вместимости поезда (при большом пассажиропотоке) секции сцепляли вместе. Переход пассажиров из одной секции в другую осуществлялся по переходной площадке, расположенной на уровне второго этажа. Для повышения комфортности поездок на дальние расстояния в состав поезда включали двухэтажный вагон-ресторан. Вагоны были оборудованы местами для сидения и имели низкую удельную массу на одного пассажира. В состав сочлененных поездов входил вагон с кабиной управления поездом.

К недостаткам можно отнести невозможность изменения количества вагонов в секции в случае изменения пассажиропотока, к тому же, при поломке одного вагона в депо на ремонт отправлялась целая секция. Это приводило к увеличению затрат по сравнению с отдельными двухэтажными вагонами.

б

а) пятивагонный; б) трехвагонный Рисунок 1.12 - Двухэтажные пассажирские поезда сочлененного типа, выпускавшиеся в Германии с 1957

Введу недостатков поездов секционного типа на железных дорогах Германии перешли на отдельные двухэтажные вагоны, которые выпускались в городе Герлиц с 1973 по 1990 годы (рисунок 1.13 а) [6]. Тамбур в этих вагонах располагался в средней части кузова и имел низкий уровень пола. Максимальная скорость движения двухэтажных вагонов составляла 120-140 км/ч.

Вагоны многократно совершенствовались и модернизировались. Вагоны модели Dbuz 747 были оборудованы туалетами. Некоторые вагоны находятся в эксплуатации по настоящее время. На железных дорогах Германии в период 19731990 годов поставлено 570 двухэтажных пассажирских вагона.

В 1992 году на вагоностроительном заводе в Герлице для железных дорог Германии DB (Deutsche Bahn) было дополнительно закуплено 100 двухэтажных вагонов с кабиной управления DABbuzfa 760 (рисунок 1.13 б) [6]. Поезда с этими вагонами эксплуатировались в пригороде Мюнхена.

б

а) с 1973 по 1990 годы; б) с 1992 года Рисунок 1.13 - Двухэтажные пассажирские вагоны, выпускавшиеся в Германии

Вагоны обладали увеличенным габаритом в зоне второго этажа, что позволило пассажирам, располагавшимся возле окна больше пространства (по сравнению с предыдущими моделями). Для последующих моделей двухэтажных пассажирских вагонов этот габарит стал стандартным. Из-за увеличения площади окон увеличилась освещенность салона. Вагоны, как и в предыдущих моделях, оборудованы системой естественной приточной вентиляции. Максимальная скорость движения - 140 км/ч.

Железнодорожная компания Германии DB (Deutsche Bahn) закупила у компании DWA (Deutsche Waggonbau AG) в Герлице 376 пассажирских двухэтажных вагонов серии Do 94 (промежуточные вагоны - DBz 751, DABz 756, вагон с кабиной управления DABz 761) в период с1994 по 1996 годы [6]. Эти вагоны представляют собой улучшенный вариант двухэтажных вагонов, эксплуатирующихся в пригороде Мюнхена.

Головные вагон с кабиной управления имели низкий пол тамбура (в промежуточных вагонах пол тамбура был выполнен на более высоком уровне) и оборудовались подъемными мостиками для удобства посадки и высадки инвалидов с колясками. Также они оборудовались специальными туалетами для пользования инвалидами. На вагонах серии Do 94 впервые были применены туалетные системы замкнутого цикла, которые стали использоваться и в последующих сериях. В некоторых промежуточных вагонах появились установки кондиционирования, которая располагалась в шкафу внутри вагона и занимала место четырех пассажирских кресел. Вагоны оборудовались системой противопожарной защиты. Начиная с двухэтажных вагонов данной серии стали эксплуатироваться тележки типа Görlitz VIII с пневморессорами второй ступени подвешивания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лебедев Владимир Александрович, 2017 год

Е тг

А = 1

г п

1

(3.1)

где п - количество элементов кузова, (оборудование, отделка, полезная нагрузка, экипировка и т.п.), моделируемых одним или более весовыми элементами, обладающих единой (/-ой) плотностью,

ш{ - масса элемента кузова, моделируемого одним или более весовыми элементами, обладающих единой (/-ой) плотностью, в кг;

-5

VI - объем весового элемента (/-ой) плотности, в м .

В таблице 3.1 показано распределение массы брутто кузова вагона для второго способа.

Таблица 3.1 - Распределение массы брутто кузова второго способа

№ Наименование Масса, кг

1 Подножки (2 шт.) 150

2 Автосцепное оборудование (2 шт.) 1039

3 Блок высоковольтный 300

4 Преобразователь 800

5 Оборудование ЭЧТК 565

Наполнение сливного бака 600

6 Кондиционеры (2 шт.) 1130

7 Баки системы водоснабжения, заполненные (2 шт.) 1550

8 Аккумуляторный бокс 760

9 Межвагонный переход (комплект) 416

10 Металлоконструкция кузова 51790

Итого: 59100

Связь элементов тяжеловесного, крупноблочного оборудования с элементами кузова, осуществлялась путем «сшивки» (объединения) совмещенных узлов в местах крепления. Тем самым выполнялось закрепление элементов оборудования на кузове по шести степеням свободы.

Третий способ включает в себя моделирование крупноблочного, тяжеловесного оборудования объемными элементами, изменение плотности материала металлоконструкции кузова в соответствии с реальной плотностью металла, из которого он выполнен, также в конструкции кузова добавлены объемные весовые элементы, моделирующие массу отделки, оборудования маловесного и распределенного по кузову, элементов внутреннего интерьера, полезной нагрузки и т.п. (далее по тексту элементы общей массы).

Крупноблочное, тяжеловесное оборудование моделировалось в соответствии с условиями второго способа распределения массы по кузову вагона.

Элементы общей массы (рисунок 3.3) моделируют расположение остальной массы, кроме крупноблочного, тяжеловесного оборудования и металлоконструкции кузова вагона.

Модели тяжеловесного оборудования и элементов общей массы показаны на рисунке 3.3.

4

1

1 - элементы общей массы тормозного конца вагона; 2 - элементы общей

массы нетормозного конца вагона; 3 - элементы общей массы первого этажа;

4 - элементы общей массы второго этажа Рисунок. 3.3 - Модели крупноблочного тяжеловесного оборудования и

элементы общей массы

Объемные элементы общей массы располагаются по четырем частям вагона - тормозной и нетормозной конец кузова вагона, также первый и второй этажи (рисунок 3.3). Эти элементы располагаются группами (по три элемента) и рядами. Группы располагаются вдоль оси У, ряды вдоль оси X (рисунок 3.4). Для материала объемных элементов общей массы каждой части кузова отдельно задана плотность, в зависимости от величины массы, которую они моделируют.

Расчет плотности объемных элементов общей массы выполнен по формуле 3.1. В таблице 3.2 показано распределение массы брутто кузова для третьего способа.

Таблица 3.2 - Распределение массы брутто кузова третьего способа

№ Наименование Масса, кг

1 Подножки (2 шт.) 150

2 Автосцепное оборудование (2 шт.) 1039

3 Блок высоковольтный 300

4 Преобразователь 800

5 Оборудование ЭЧТК 565

Наполнение сливного бака 600

6 Кондиционеры (2 шт.) 1130

7 Баки системы водоснабжения, заполненные (2 шт.) 1550

8 Аккумуляторный бокс 760

9 Межвагонный переход (комплект) 416

10 Объемные элементы общей массы тормозного конца вагона 5401

11 Объемные элементы общей массы нетормозного конца вагона 5396

12 Объемные элементы общей массы первого этажа (пониженная часть) 13128

13 Объемные элементы общей массы второго этажа 11034

14 Металлоконструкция кузова 16879

Итого: 59148

которым непосредственно крепится крупноблочное, тяжеловесное оборудование. К ним относятся: крышки люков крыши вагона; крышка люка аккумуляторного отсека; кронштейны и элементы фиксации оборудования, которое не относится к тяжеловесному, крупноблочному; пятники; розетка, передние и задние упоры автосцепки и т.п.

Связь элементов общей массы осуществлялась в соответствии со схемой, представленной на рисунке 3.4, при помощи специальных стержневых элементов («rigid») [62], [102], [106]. Такой элемент обладает абсолютной жесткостью и позволяет устанавливать степень свободы перемещения одного узла (узлов) относительно другого, которые он соединяет.

На схеме крепления показано расположение и связь объемных элементов по осям X, Y, Z. При создании связей учитывалось расположение перегородок купе и служебных помещений.

Для всех элементов общей массы средней и концевых частей кузова вертикальная связь (Z) выполнена с полом. Но в средней части (на первом и втором этажах) объемные элементы общей массы имеют дополнительные вертикальные связи в зоне среднего ряда. Для первого этажа это связь элементов с межэтажным перекрытием (полом второго этажа), для второго этажа - с дугами крыши.

Для крайних рядов объемных элементов закрепление по оси Y, в концевых частях кузова, осуществлялось к нижней обвязке и продольному профилю стены, на первом этаже - к нижней обвязке и продольному профилю боковой стены, на втором этаже - к продольному профилю боковой стены и верхней обвязке кузова. Объемные элементы среднего ряда всех групп (рисунок 3.4 А-А, Б-Б) не имеют горизонтальных связей (Y) непосредственно с кузовом. Крепление выполнено к объемным элементам крайних рядов.

Связь по оси Х элементов общей массы концевых частей кузова осуществлена с полом, нижней обвязкой для крайних рядов, с полом и элементами крайних рядов для среднего ряда. Связь (Х) элементы средней части кузова выполнена следующим образом. Для первого этажа элементы крайних рядов крепятся к полу, нижней обвязке и продольному профилю боковой стены; элементы среднего ряда - к полу,

продольному профилю боковой стены и межэтажному перекрытию (полу второго этажа). Для второго этажа элементы крайних рядов крепятся к полу второго этажа, продольному профилю боковой стены и верхней обвязке; элементы среднего ряда -к полу второго этажа и дугам крыши.

На рисунке 3.4 показано, что объемные элементы не связаны между собой по оси Х, это позволяет исключить их влияние на жесткость кузова в данном направлении.

Все связи элементов общей массы осуществляются, преимущественно, с подкрепляющими элементами кузова. Также связи моделируют влияние жесткостных свойств перегородок купе и служебных помещений на вертикальную жесткость кузова [102].

В целях упрощения моделирования, в первом и втором способе материал всех объемных элементов по своим механическим свойствам (модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона) приближен к стали [62].

Для каждого способа моделирования массы кузова брутто в координатной системе (рисунок 3.1) было определено положение центра тяжести.

Полученные результаты сравнены с показателями реального вагона (брутто кузова) и представлены в таблице 3.3 [102].

Таблица 3.3 - Координаты центра тяжести

Наименование Координаты центра тяжести, м

Х У Ъ

Первый способ 12,72 1,57 1,72

Второй способ 12,92 1,53 1,85

Третий способ 13,01 1,54 2,19

Реальный вагон 13,02 1,54 2,22

Масса обслуживающего персонала и пассажиров с багажом (полезной нагрузки) учитывалась с условиями ночного режима поездки, т. к. в этом случае их общий центр тяжести выше, чем при дневном режиме [102]. Ночной режим предусматривает, что пассажиры лежат на диванах и полках, а проводник сидит в служебном отделении.

Z

Z

Y

Б-Б

2

А-А

Из таблицы 3 видно, что по сравнению с реальным вагоном, центр тяжести модели кузова брутто, выполненного первым способом, ниже на 0,5 м (Z). Такая разница может значительно сказаться на достоверности результатов динамических испытаний модели вагона [109], [114].

Из всех предложенных способов третий является наиболее приближенным по показателям координатной системы к реальному вагону. Наибольшее отклонение, в данном случае, составляет 0,04 м по оси Z, что в свою очередь, не должно привести к значимым расхождениям динамических параметров модели с результатами поездных испытаний.

К недостаткам и достоинствам третьего способа моделирования можно отнести применение специальных («rigid») связей. Недостатком является абсолютно жесткая связь элементов общей массы между собой и кузовом. К достоинству относится возможность устанавливать степень свободы перемещения одного узла относительно другого, которых «rigid» элемент соединяет. Тем самым, это позволяет регулировать положение центра тяжести кузова, перемещая объемные элементы (в ограниченных пределах).

Выше представленные доводы обосновывают применение третьего способа моделирования массы брутто кузова (рисунок 3.5) для проведения в дальнейшем динамических испытаний модели вагона.

Оценка собственных частот и форм изгибных колебаний кузова вагона представляет особый интерес, так как от них зависят показатели плавности хода экипажа [104]. На величину собственной частоты колебания кузова, в основном, влияют следующие факторы: его геометрические размеры, равномерность распределения массы по длине, материал металлоконструкции, изгибная жесткость металлоконструкции.

Поскольку двухэтажный пассажирский вагон значительно отличается от одноэтажного - в частности тем, что имеет переменное поперечное сечение по длине, возникает потребность оценки предварительного расчета по условиям «Норм ...» [26].

Целью исследования является выбор наиболее рациональной расчетной схемы (модели) для создания динамической модели двухэтажного вагона.

По параметрам жесткости, физическим свойствам материала и геометрическим размерам КЭ модель соответствует реальному кузову (в соответствии с пунктом 2.2, 2.3) [103].

Исследование выполнялась при следующих условиях.

Адекватность компьютерной КЭ модели оценивалась путем сравнения собственной частоты первого тонового изгибного колебания в вертикальной плоскости (рисунок 3.6) с показателями, полученными при стендовых испытаниях реального вагона, и условиями «Норм ...», в соответствии с которыми частота колебаний кузова вагона брутто должна быть не менее 10 Гц [26], [104], [106].

Определение собственных частот для модели в случае всех трех способов моделирования массы брутто кузова выполнялось методом математического моделирования при помощи расчетного программного комплекса Siemens PLM Femap 10.3 [62] по аналитическим зависимостям 2.11, 2.12 представленным в п. 2.2. Также выполнен предварительный расчет собственной частоты первого

1 1 ..... п СП СИ [_□ [_□ (_□ СИ [_и □ п □ а □ □ □ □ □ □ □ □ ^ --Г

\ ■ ■ ■ ■-7

Рисунок 3.6 - Форма собственных изгибных колебаний модели кузова двухэтажного вагона в вертикальной плоскости

При выполнении МКЭ расчетов закрепление модели брутто кузова осуществлялось в соответствии с условиями натурных испытаний [104]. В вертикальном направлении кузов закреплен связями на скользунах. В поперечном горизонтальном направлении кузов имеет связи в зоне пятников. Горизонтальная продольная связь кузова выполнена в средней части вагона.

Предварительный расчет собственной частоты изгибного колебания выполнялся по следующей формуле [26], [56], [104]

^ = (3.2)

2жЬ2 \\ т у ;

где I - длина кузова, м;

т - масса единицы длины кузова брутто, кг/м;

У0 - момент инерции среднего сечения несущей металлоконструкции

4

кузова двухэтажного пассажирского вагона м ;

Результаты компьютерного моделирования МКЭ и предварительный расчет по условиям «Норм ...», сопоставлены с результатами натурных стендовых испытаний вагона [104] в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Значения частот изгибных колебаний кузова, полученные расчетным и экспериментальным путем

Параметр Расчеты МКЭ Натурные стендовые испытания Расчет по условиям «Норм.»

Способ 1 Способ 2 Способ 3

Частота изгибных колебаний кузова, Гц 8,9 9,2 10,3 11,3 13,1

По результатам расчетов и эксперимента, можно сделать следующие выводы.

Расхождение, до 16 %, результатов стендовых испытаний с предварительным расчетом по условиям «Норм.» в целом подтверждает справедливость его применения на этапе проектирования.

Наименьшее расхождение с результатами натурных испытаний имеет способ 3 - 8,8 %, результаты которого также удовлетворяют требования п. 5. 12. «Норм ...» (не менее 10 Гц). Схождению результатов в свою очередь способствовало влияние жесткости моделей купейных и служебных перегородок на изгибную жесткость конструкции кузова [106].

При создании динамической модели вагона с упругим кузовом, распределение (фактическое) массы по длине и высоте кузова, учет жесткости перегородок пассажирских купе и служебных помещений позволяют приблизиться к динамическим показателям реального кузова, в том числе при моделировании движения вагона по неровностям пути.

Для дальнейшего исследования принимается модель кузова брутто, выполненная способом 3 (рисунок 3.5).

Динамическая нагруженность двухэтажного пассажирского вагона оценивалась на основе динамической модели вагона, состоящей из системы связанных тел, описывающих колебания движущегося вагона в трехмерном пространстве. Моделирование осуществлялось с помощью программного комплекса моделирования динамики систем тел «Универсальный механизм» [58], [78], [100]. Динамическая расчетная схема вагона выполнялась двумя вариантами: 1) с твердотельным (абсолютно жестким) кузовом; 2) с упругим кузовом. Цель вариации расчетной схемы заключается в выборе более достоверной динамической модели вагона для проведения исследования, направленного на совершенствование системы подвешивания двухэтажного пассажирского вагона.

Для наиболее адекватной оценки, оба варианта сравнивались на одной модели тележки.

Схема динамической модели вагона показана на рисунке 3.7. Модель с абсолютно жестким и упругим кузовом в виде трехмерной гибридной модели двухэтажного вагона, состоящей из подсистемы кузов 1, подсистем тележка 2 и подсистем сцепное устройство 3. Абсолютно жесткий кузов имеет шесть степеней свободы и инерциальные, геометрические характеристики, соответствующие реальному кузову брутто. Упругий кузов также обладает инерциальными и геометрическими характеристиками, приближенными к реальному кузову брутто и количество степеней свободы соответствующее конечноэлементной модели.

Кузов опирается на тележки с помощью контактных силовых элементов 4 (рисунок 3.7) типа точка - плоскость, в зоне расположения скользунов. Силовой контактный элемент участвует во взаимодействии пары тел, при котором к одному телу привязана плоскость (скользун тележки), образованная группой точек, а к другому присвоена точка (скользун кузова). Если расстояние А (разница координатных величин по оси Ъ, рисунок 3.7) между точкой и плоскостью положительное, то контактная сила ровна нулю. В случае возникновения

Математическая модель нормальной реакции описывается следующим выражением

где c, d - постоянные коэффициенты жесткости и диссипации, возникающие при контактном взаимодействии скользунов.

Модель силы трения в режиме скольжения имеет вид

где /- коэффициент трения скольжения; Vs - вектор скорости скольжения.

Режим сцепления скользунов наступает в случае изменения направления вектора скорости скольжения, модель которого описывается выражением

где Fg - значение вектора силы трения, возникающее при переходе от режима скольжения к режиму сцепления; Rg, Rg0 - текущее и начальное значения вектора соединяющего точку одного контактирующего тела с ее проекцией на контактной поверхность другого контактирующего тела.

Перемещения кузова относительно надрессорной балки тележки в горизонтальном поперечном и продольном направлении ограничиваются линейным силовым элементом 5 (рисунок 3.7), моделирующим шкворневой узел. Элемент соединяет точку, принадлежащую кузову вагона и точку надрессорной балки тележки в зоне шкворневого узла. В процессе изменения координат положения точек относительно друг друга в горизонтальной плоскости в силовом элементе возникают силы реакции, которые описываются выражением

В расчетный модуль программного комплекса в качестве исходных данных вводятся координаты точек присвоенных телам, величины постоянных сил, свойства жесткости элементов в матричной форме.

Схема динамической модели тележки представлена на рисунке 3.8.

Динамическая модель тележки (рисунок 3.9) состоит из абсолютно твердых тел, соединенных шарнирами и силовыми элементами. Твердотельные элементы имеют геометрические и инерциальные характеристики близкие к реальным показателям и обладают шестью степенями свободы. К этим телам относятся: рама, надрессорная балка, буксы, колесные пары, поводки центрального и буксового подвешивания, элементы торсионного стабилизатора.

Рама тележки связана с надрессорной балкой пружинами центрального подвешивания, горизонтальными и вертикальными гасителями колебаний, поводком центрального подвешивания и торсионным стабилизатором боковых колебаний. Связь буксы с рамой выполнена буксовой рессорой и буксовыми поводками. Колесную пару и буксу соединяет вращательный шарнир, моделирующий подшипник качения. Пружины центрального и буксового подвешивания смоделированы при помощи линейных силовых элементов, каждый из которых связывает два тела по двум заданным точкам. Гидравлические гасители колебаний представлены биполярными линейными силовыми элементами, каждый из которых соединяет две точки, принадлежащие разным телам. Силовая характеристика такого элемента описывается выражением

где Р - коэффициент сопротивления гидравлического гасителя колебаний; V - скорость относительного перемещения точек крепления гасителя.

где С - жесткость элемента; г0, г - начальное и текущее расстояние между точками крепления; Р - коэффициент диссипации.

Оценка жесткости силового элемента в поперечном и продольном направлении выполнялась по следующей зависимости

где F - площадь нагружения резинового блока; Еп - динамический модуль упругости резины; Н - толщина блока.

Динамический модуль упругости определяется выражением

= ^ , (3.10)

где К - коэффициент, зависящий от твердости резины; Е - модуль сжатия резины, который рассчитывается по эмпирической зависимости [77].

Поводки буксовой ступени подвешивания крепится к кронштейнам рамы и буксы. В местах крепления располагаются резиновые втулки, которые в модели тележки представлены упруго-диссипативными биполярными линейными силовыми элементами. Параметры этих элементов рассчитываются согласно выражениям 3.8, 3.9, 3.10. Параллельно с ними введены силовые элементы с угловой жесткостью, силовая характеристика, которых определяется выражением [77]

где I - длина втулки; , г2 - внутренний и наружный радиусы втулки.

В модели тележки торсионный стабилизатор боковой качки (рисунок 3.8) представлен как группа твердотельных элементов, соединенных шарнирами и силовым упругим элементом.

Торсионный стабилизатор состоит из: вала, рычагов, биполярного торсионно-упругого силового элемента (вала), подшипников, подвесок, соединяющих рычаги стабилизатора с надрессорной балкой сферическими

шарнирами. Рычаги, вал и подвески выполнены абсолютно жесткими телами. Вал жестко соединен с рычагами, в середине длины разделен на две части, которые по заданным точкам соединяет биполярный торсионно-упругий элемент. Концы торсионного вала соединяются с рамой тележки одноступенными, вращательными шарнирами, моделирующими подшипники.

При наклоне надрессорной балки возникает смещение точек крепления подвесок в вертикальной плоскости, вследствие чего появляется разнонаправленный поворот рычагов. Угол закручивания биполярного торсионно-упругого силового элемента определяется относительным поворотом точек крепления подвесок к рычагам. Поскольку рычаги изначально находятся в горизонтальном положении, то угловая жесткость биполярного торсионно -упругого силового элемента описывается формулой [77]

где О - модуль сдвига металла торсионного вала; 1Р - полярный момент инерции площади поперечного сечения рабочего участка вала; а - относительный угол поворота рычагов стабилизатора; Ь - длина рабочего участка вала.

Упоры, расположенные на раме и надрессорной балке тележки, моделируются контактными силовыми элементами типа точка - плоскость.

Если расстояние А между точкой и плоскостью положительное, то контактная сила ровна нулю. В случае возникновения контакта А<0 появляется сила взаимодействия, описанная выражением 3.3.

Параметры элементов модели тележки двухэтажного вагона соответствуют реальным характеристикам тележки модели 68-4095 двухэтажного пассажирского вагона [25], [107], [115].

Модель колесной пары имеет профиль поверхности катания (рисунок 3.10), соответствующий конической поверхности неизношенного колеса с размерами соответствующими требованиям ГОСТ 9036-88.

На рисунках 3.11 и 3.12 показаны динамические расчетные схемы двухэтажного пассажирского вагона с твердотельным и упругим кузовом.

1 - подсистема кузов; 2 - подсистема тележка; 3 - подсистема сцепное устройство; 4 - силовой контактный элемент, моделирующий опирание кузова на тележку в зоне скользунов; 5 - силовой элемент в зоне пятникового узла, моделирующий ограничения горизонтальных смещений кузова относительно надрессорной балки тележки; 6, 7 - упругий диссипативный элемент, моделирующий вертикальную и

горизонтальную жесткость пути соответственно Рисунок 3.7 - Схема динамической модели двухэтажного пассажирского вагона

10 1

Б-Б

А-А

- рама; 2 - надрессорная балка; 3 - букса; 4 - колесная пара; 5 - поводок центрального подвешивания; 6 - буксовый

поводок; 7 - пружина центрального подвешивания; 8 - пружина буксового подвешивания; 9 - вертикальный демпфер центрального подвешивания; 10 - горизонтальный демпфер центрального подвешивания; 11 - упруго-диссипативный элемент поводка центрального подвешивания; 12 - упруго-диссипативный элемент поводка буксового подвешивания; 13 - торсионный стабилизатор, который имеет вал (а), подшипник (б), рычаг (в), торсионно-упругий элемент, моделирующий торсионный вал (г); подвеска (д), соединяющая рычаг

стабилизатора и надрессорную балку Рисунок 3.8 - Схема динамической модели тележки двухэтажного пассажирского вагона

Рисунок 3.9 - Динамическая модель тележки (подсистема тележка) двухэтажного

Рисунок 3.11 - Динамическая модель двухэтажного пассажирского вагона с

твердотельным кузовом

Моделирование контакта колеса с рельсом в программном комплексе «Универсальный механизм» [100] выполнено с учетом модели, предложенной в работе [108] и аналитической аппроксимацией силы крипа с расчетом коэффициента крипа по формуле Мюллера. Профиль рельса соответствует неизношенному рельсу типа Р65 ГОСТ 8161-75 (исполнение I). Силовые элементы 6 и 7 рисунка 3.7 моделируют упруго-диссипативные свойства верхнего строения пути с учетом применения железобетонных шпал на щебеночном балласте в летнее время года, при условии хорошего состояния пути [66], [78], [100]. Длина рельса составляет 25 м.

Определяющим фактором при моделировании макрогеометрии кривых участков пути в плане являлась скорость движения экипажа в кривой. Параметры кривых приняты в соответствии с реальным планом пути скоростного испытательного полигона ОАО «ВНИИЖТ», расположенного на участке СевероКавказской железной дороги «Белореченская - Майкоп» (г. Белореченск) и рекомендациями [109], представлены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Параметры расчетных кривых участков пути

№ п/п Параметр Радиус кривого участка пути, м

350 350 350 500 650 800 1000 2050

1 Длина прямого участка пути, м 100 100 100 100 100 100 100 100

2 Длина переходной кривой, м 120 120 120 130 150 130 130 80

3 Длина основной кривой, м 500 500 500 600 700 700 900 1000

4 Возвышение наружного рельса над внутренним, не более мм 150 150 150 150 150 130 120 50

5 Общая длина кривой, м 740 740 740 860 1000 960 1160 1160

6 Скорость движения по кривой, км/ч 40 60 80 100 120 120 140 160

Структура модели пути также включает в себя микронеровности в вертикальном и горизонтальном направлениях, как случайные неровности пути, которые, при движении сцепов вагонов (рисунок 3.13, 3.14), генерировались модулем им Бти! [100] на основе методики, описанной в РД 32.68-96 [110, 111].

Выбор динамической модели двухэтажного пассажирского вагона осуществлялся на основе сравнительного анализа динамических показателей обоих вариантов и результатов натурных поездных испытаний, проведенных на скоростном испытательном полигоне ОАО «ВНИИЖТ» [109], расположенном на участке «Белореченская - Майкоп» Северо-Кавказской железной дороги. Поездные испытания моделировались с помощью программного комплекса моделирования динамики систем тел «Универсальный механизм» [100] в модуле им Б1ши1, осуществляющего интегрирование уравнений движения в трехмерном пространстве.

В качестве модели вагона 1 представлена модель двухэтажного пассажирского вагона с упругим кузовом. Модель двухэтажного пассажирского вагона с твердотельным кузовом представлена как модель вагона 2.

Для обоих вариантов моделирования движение рассматривалось в составе поезда из трех вагонов (рисунок 3.13, 3.14) со следующими условиями [109]:

- исследуемый вагон расположен в середине состава;

- движение начинается из положения равновесия;

- крайние вагоны являются структурными и параметрическими копиями динамической модели с твердотельным кузовом;

- сцепление вагонов между собой обеспечивает модель беззазорного сцепного устройства БСУ-3, параметрический представляет собой абсолютно жесткий стержневой элемент, шарнирно соединяющий вагоны;

- движение сцепа по участкам пути осуществлено за счет присвоения определенной скорости первого по ходу движения вагона и передачи тягового усилия (рассчитываемого автоматически) через сцепные устройства (модель БСУ-3) на два последующих вагона;

- в соответствии с натурными поездными испытаниями и таблицей 3.5, сцеп движется по участкам пути в интервале скоростей от 40 до 160 км/ч, с шагом 20 км/ч.

Рисунок 3.13 - Динамическая модель поезда. Кузов исследуемого вагона твердотельный

Рисунок 3.14 -Динамическая модель поезда. Кузов исследуемого вагона упругий

Сравнение натурного образца (двухэтажного вагона) и его моделей выполнялось по следующим динамическим параметрам:

- вертикальные и горизонтальные (поперечные) ускорения кузова;

- коэффициент вертикальной динамики;

- рамные силы;

- показатель плавности хода вагона (в вертикальном направлении);

- коэффициента запаса устойчивости от схода колеса с рельса (при движении по прямому участку пути);

- коэффициент устойчивости от опрокидывания при прохождении в кривых. Анализ полученных при моделировании движения вагона осциллограмм

временных зависимостей показателей ходовой динамики вагона осуществляется по их максимальным значениям с вероятностью не превышения Р=0,999 [105]. Обработка результатов моделирования испытаний выполнялась в соответствии с рекомендациями РД 24.050.37-95 [105].

Вертикальные и горизонтальные (поперечные) ускорения определялись в пятниковых зонах кузова, в середине пола первого и второго этажей (рисунок 3.15).

Тормозной конец 3 Нетормозной конец

^ I ~Г II II

п □ооайооа 6 Г"

П □ __ .-Л-, _-. □

1 - пятниковая зона; 2 - середина кузова, пол купе первого этажа; 3 - середина кузова, пол купе второго этажа Рисунок 3.15 - Зоны замера ускорений кузова вагона

Сопоставления динамических параметров выполнены в виде графиков зависимостей ускорений кузова, коэффициента вертикальной динамики, рамных сил от скорости движения по прямому пути и в кривых, и представлены на рисунках 3. 16-3.23.

Определялись критические значения коэффициента устойчивости от опрокидывания при прохождении кривых, коэффициента запаса устойчивости от схода колеса с рельса (при движении по прямому участку пути), показателя плавности хода вагона в вертикальном направлении с последующим сравнением с результатами испытаний натурного образца (таблица 3.6) [109].

Коэффициент устойчивости от опрокидывания вагона при прохождении кривых рассчитывался по формуле [26]

где Рст - вертикальная статическая сила давления колеса на рельс; Рдин - вертикальная динамическая сила давления колеса на рельс, вызванная действием поперечных сил с учетом перемещения центров тяжести кузова и тележки; [куо ] - коэффициент запаса устойчивости от опрокидывания вагона.

Коэффициент запаса устойчивости от схода колеса с рельса определялся из условия контакта гребня колеса с рельсом по следующей зависимости [26]

где ^ - проекции суммарной силы, действующей на колесо, на оси Y и Ъ в системе координат пути (боковая и вертикальная силы соответственно); в - угол наклона образующей конусообразной поверхности гребня колеса с горизонталью; ц - коэффициент трения (принят равным 0,25) [100].

а

б

а

б

а

б

а

б

а

б

а

б

а

б

40 60 80 100 120 140 160

V, км/ч

—♦—Эксперимент -И-Модель вагона 1 —A-Модель вагона 2

а

70

20 10 0

40 60 80 100 120 140 160

V, км/ч

—♦—Эксперимент -И-Модель вагона 1 -А-Модель вагона 2

б

Выполнив сравнительный анализ динамических показателей можно сделать следующие выводы:

1) для модели вагона 1 (с упругим кузовом):

- вертикальные ускорения в зоне пятника на 20 % больше экспериментальных;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений в зоне пятника имеют максимальное отклонение в большую сторону на 30 % и на 21 % в меньшую по сравнению с экспериментальными;

- величины вертикальных ускорений по полу первого этажа в середине кузова имеют максимальное отклонение в большую сторону на 23 % и на 15 % в меньшую по сравнению с экспериментальными;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений по полу первого этажа в середине кузова имеют максимальное отклонение в большую сторону на 27 % и на 15 % в меньшую по сравнению с экспериментальными;

- величины вертикальных ускорений по полу второго этажа в середине кузова имеют максимальное отклонение в большую сторону на 15 % и на 13 % в меньшую по сравнению с экспериментальными;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений по полу второго этажа в середине кузова имеют максимальное отклонение в большую сторону на 32 % и на 22 % в меньшую по сравнению с экспериментальными;

- коэффициент вертикальной динамики на 19 % больше экспериментальных;

- величины рамных сил имеют максимальное отклонение в большую сторону на 26 % и на 20 % в меньшую по сравнению с экспериментальными

2) для модели вагона 2 (с твердотельным кузовом):

- вертикальные ускорения в зоне пятника на 22 % больше экспериментальных;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений в зоне пятника имеют максимальное отклонение в большую сторону на 38 % и на 16 % в меньшую по сравнению с экспериментальными;

меньшую по сравнению с экспериментальными;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений по полу первого этажа в середине кузова имеют максимальное отклонение в большую сторону на 41 % и на 10 % в меньшую по сравнению с экспериментальными;

- вертикальные ускорения по полу второго этажа в середине кузова на 36 % больше экспериментальных;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений по полу второго этажа в середине кузова имеют максимальное отклонение в большую сторону на 38 % и на 19 % в меньшую по сравнению с экспериментальными;

- коэффициент вертикальной динамики на 23 % больше экспериментальных;

- величины рамных сил имеют максимальное отклонение в большую сторону на 32 % и на 15 % в меньшую по сравнению с экспериментальными.

Таблица 3.6 - Обобщенные результаты испытаний

Наименование показателя в Нормативное

соответствии с «Нормами значение

для расчета и проектирования новых и показателя согласно Фактическое значение показателя

модернизируемых вагонов оценке хода

железных дорого МПС «Допустимый»

колеи 1520 мм (несамоходных)» ВНИИВ-ВНИИЖТ, в редакции 1983 г. Натурный образец Модель вагона 1 Модель вагона 2

Показатель плавности хода в вертикальном направлении 3,25, не более 3,07 3,22 3,29

Коэффициент запаса

устойчивости колеса против схода с рельса (при 2,0, не менее 2,10 1,97 1,92

прямолинейном движении)

Коэффициент запаса

поперечной устойчивости от опрокидывания при 1,4, не менее 2,29 1,93 2,01

движении в кривых

Сравнив результаты поездных динамических испытаний с результатами компьютерного моделирования, можно сделать следующие выводы.

В общем, показатели динамических испытаний модели вагона 1 (с упругим кузовом) более близки к экспериментальным данным, нежели показатели модели вагона 2 (с твердотельным кузовом). Величины показателей безопасности движения и плавности хода вагона для модели вагона 2 являются неудовлетворительными [26]. Для модели вагона 1 коэффициент запаса устойчивости колеса против схода с рельса также неудовлетворителен, но его величина ближе к предельно допустимой, чем для модели вагона 2 [106].

Вследствие этого, для проведения дальнейших исследований предпочтительно использовать расчетную модель двухэтажного вагона с упругим кузовом.

4.1 Обоснование применения и поиск вариантов конструкций стабилизирующих устройств тележки двухэтажного вагона

Рассмотрев результаты испытаний натурного образца (п. 3.5) можно определенно отметить значительную величину вертикальных ускорений и особенно при движении по кривым участкам пути. Также показатель плавности хода в вертикальном направлении имеет (высокие) близкие к допустимым значения. Все это негативно сказывается на ощущении комфортности езды пассажирами и долговечности работы элементов ходовых частей вагона.

При разработке тележки двухэтажного пассажирского вагона (модель 684095) было принято конструкторское решение о применении в ее конструкции стабилизатора бокового наклона. Исходя из проектировочных расчетов, коэффициент запаса поперечной устойчивости от опрокидывания при движении в кривых для двухэтажного пассажирского вагона на тележках без стабилизатора бокового наклона оказался значительно меньше допускаемой величины 1,4 из условий «Норм.» [26], [113, 114]. Применение стабилизатора в конструкции тележки позволило увеличить угловую жесткость подвешивания двухэтажного вагона и увеличить данный параметр до 1,405. Также учет использования стабилизирующего устройства позволил определить коэффициент запаса устойчивости колеса против схода с рельсов в область допустимых значений (не менее 2) [26].

Исходя из расчетов [77], [114, 115], угловая жесткость центрального рессорного подвешивания тележки с применением стабилизатора бокового наклона значительно увеличилась. Расчет коэффициента запаса поперечной устойчивости от опрокидывания при движении вагона в кривых показал, что

максимальное смещение центра тяжести кузова брутто от действия боковых сил (в горизонтальном поперечном направлении) составит 17 мм. При этом основное смещение центра тяжести кузова происходит за счет деформации буксовых рессор и поперечного перемещения надрессорной балки. Это показывает, что уменьшение жесткости рессор ходовых частей вагона для уменьшения величины вертикальных ускорений кузова с конструкцией данного стабилизатора приведет к неудовлетворительным величинам параметров безопасности двухэтажного пассажирского вагона [105].

Опираясь на мировой опыт можно сказать, что использование пневматических рессор в центральном подвешивании тележки поспособствовал бы решению данной задачи. Но для этого необходимо серьезно изменить конструкцию тележки. К тому же пневматическая ступень подвешивания требует систему автоматического регулирования давления воздуха внутри рессор, которая также выполняет роль стабилизирующего устройства. Все эти изменения являются дорогостоящими и сложными с точки зрения конструкции и обслуживания в эксплуатации. Вследствие этого, вариант применения пневматических рессор в подвешивании тележки двухэтажного пассажирского вагона в дальнейшем не рассматривается.

Для достижения уменьшения значений вертикальных ускорений кузова при данной модели тележки (68-4095) предпочтительно применение стабилизирующего устройства иной (не базовой) конструкции.

Уменьшение вертикальных ускорений кузова двухэтажного вагона с сохранением удовлетворительных величин параметрам безопасности согласно «Нормам...» возможно путем изменения жесткости рессор тележки, но при обязательной компенсации или уменьшении бокового наклона кузова. Но при этом необходимо подтвердить ожидаемые результаты путем проведения (моделирования) динамических поездных испытаний.

Улучшение динамических качеств пассажирского вагона достигается способом использования раздельного восприятия и рассеивания энергии колебаний. Такое разделение достигает путем применения специальных стабилизирующих устройств боковой качки на тележке пассажирского вагона. Отрицательной стороной такого технического решения является усложнение конструкции и увеличение массы тележки.

Предложенные в работе варианты стабилизирующих устройств разрабатывались с учетом вписывания тележки в габарит 1 -ВМ, габарит тележки аналога (модель 68-4095) [25] и с условием минимального изменения конструкции ее несущих элементов.

Для справедливости оценки применения вновьразработанных стабилизирующих устройств разработка выполнялись на основе динамической расчетной схемы тележки (рисунок 3.8), описанной в п. 3.3.

Вариант 1

В конструкции тележки вместо заводского стабилизатора бокового наклона кузова применяется стабилизирующее устройство, значительно ограничивающее его наклон (рисунок 4.1). В отличие от аналога предложенный вариант стабилизатора не имеет упругих элементов.

Как и на тележке аналога, крепление к надрессорной балке осуществляется по боковым упорам надрессорной балки. К раме тележки стабилизатор закрепляется на ее поперечных балках и располагается в пространстве между ними.

На рисунке 4.2 показана динамическая модель тележки со стабилизатором «вариант 1». Оси 1 по концам опираются на подшипники 2, корпуса которых закреплены на сварных основаниях в нижней части поперечных балок рамы тележки. Соединение оси и подшипника смоделировано вращательным шарниром, имеющим одну степень свободы. На середине длины каждой оси располагается Г-образный рычаг 3. Рычаги повернуты друг относительно друга на

180 градусов и соединены между собой тягой 4. Соединение рычага и тяги моделировалось одностепенным вращательным шарниром. Г-образные рычаги так же, как и на тележке аналога, соединены с надрессорной балкой вертикальными подвесками 5 в зоне расположения боковых упоров (коробки крепления боковых упоров) с помощью сферических шарниров. Крепление подвески стабилизатора к рычагу и надрессорной балке моделируется вращательным шарниром, обладающим тремя степенями свободы.

Оси, подшипники, рычаги, тяга, подвески представлены объемными твердотельными элементами.

Стабилизатор вступает в работу только при поворотных движениях надрессорной балки в вертикальной плоскости, то есть когда кузов совершает боковой наклон (и колебания боковой качки), и не участвует в работе при остальных видах колебаний вагона. Он позволяет надрессорной балке беспрепятственно совершать вертикальные возвратно-поступательные движения, но запрещает ее наклон относительно рамы тележки. При колебаниях бокового относа никакого влияния на движение кузова не оказывает. Тем самым стабилизирующее устройство «вариант 1» увеличивает угловую и не влияет на вертикальную и боковую жесткости подвешивания вагона. При этом смещение центра тяжести кузова брутто при боковом относе кузова относительно рамы тележки будет ровняться не более величины зазора между боковыми упорами рамы и надрессорной балки тележки. Это, в свою очередь, положительно скажется на величине коэффициента запаса поперечной устойчивости от опрокидывания при движении вагона в кривых.

Увеличение угловой жесткости подвешивания может негативно сказаться на качестве хода вагона (повышению боковых ускорений кузова, в частности верхнего этажа, рамных сил, и т.д.). Компенсация (в некоторой степени) действия изменения параметра подвешивания, для некоторых динамических показателей двухэтажного вагона, была выполнена путем уменьшения боковой и, как следствие вертикальной жесткости пружин центрального рессорного подвешивания модели тележки. Также на некоторую величину уменьшена

вертикальная жесткость пружин буксового подвешивания. Пропорционально увеличению гибкости пружин была увеличена их высота в ненагруженном для тележки состоянии. Эта мера позволяет получить уровень высоты положения кузова на тележках близкий к вагону аналогу.

б

Уменьшение вертикальной жесткости пружин центрального и буксового рессорного подвешивания должно привести к ожидаемым результатам -уменьшению показателя плавности хода вагона и уменьшению вертикальных ускорений кузова.

Вариант 2

Этот вариант конструктивно максимально приближен к модели тележки вагона аналога (рисунок 4.3). Фактически он является доработкой базовой модели. Основное отличие в конструкции заключается в изменении расположения места крепления к надрессорной балки подвесок торсионного стабилизатора. Они смещены к середине балки, тем самым создавая наклон подвесок а относительно вертикали (рисунок 4.4).

Рисунок 4.3 - Динамическая модель тележки (подсистема тележка) со

стабилизатором «вариант 2». Вид снизу На рисунке 4.4 показана динамическая расчетная схема тележки двухэтажного вагона с предложенным торсионным стабилизатором «вариант 2».

Наклон подвесок позволяет стабилизатору включаться в работу не только при колебаниях боковой качки, но и при колебаниях бокового относа кузова (рисунок 4.5). На остальные виды колебаний он не влияет. При боковом относе кузова (с надрессорной балкой) изменяется наклон подвесок А и Б стабилизатора. Увеличивается разность положения рычагов по вертикали И и закручивается торсионный вал. Разнонаправленные силы реакции ЯА и ЯБ передаются от рычагов

через подвески на надрессорную балку и наклоняют ее вместе с кузовом (на угол в) в противоположную сторону боковому смещению. При этом суммарный вектор ЯС направлен в сторону положения равновесия (к середине) кузова (рисунок 4.5), что придает дополнительную устойчивость кузова при движении по неровностям пути.

Рисунок 4.4 - Схема динамической модели тележки со стабилизатором «вариант 2»

надрессорной балки. Но, в случае совмещения бокового относа и бокового наклона, угол в (рисунок 4.5) будет компенсироваться наклоном кузова, увеличивая величину И. В итоге, наклон кузова («вариант» 2) будет меньше, чем для вагона аналога при одинаковом боковом воздействии.

Таким образом, стабилизирующее устройство «вариант 2» увеличивает боковую и несколько уменьшает угловую жесткость подвешивания вагона, позволяет уменьшить угол наклона кузова.

Для компенсации повышения боковой жесткости подвешивания и уменьшения вертикальных ускорений кузова была уменьшена величина вертикальной и боковой жесткости центрального рессорного подвешивания модели вагона.

Как и для «вариант 1», пропорционально увеличению гибкости пружин, увеличена их высота в ненагруженном для тележки состоянии.

Выбор изменяемых характеристик подвешивания для каждого варианта (таблица 4.1) выполнялся путем их подбора при моделировании поездных динамических испытаний (п. 4.3), опираясь на труды [66], [77], [106, 107], [115].

Таблица 4.1 - Результаты подбора изменяемых параметров подвешивания расчетных моделей двухэтажного пассажирского вагона

Изменяемый параметр подвешивания Аналог «Вариант 1» «Вариант 2»

Центральное подвешивание Вертикальная жесткость, МН/м 1,46 (100%) 1,22 (84%) 1,26 (86%)

Горизонтальная (поперечная) жесткость, МН/м 0,79 (100%) 0,66(84%) 0,68 (86%)

Буксовое подвешивание Вертикальная жесткость, МН/м 7,26 (100%) 6,68 (92%) 7,26 (100%)

Угол наклона подвесок рычагов стабилизатора относительно вертикали, в градусах 0 0 12

Моделирование движения двухэтажного пассажирского вагона с использованием предложенных вариантов стабилизирующих устройств в конструкции тележек выполнено в условиях п. 3.4 и п. 3.5.

Гибридная динамическая модель вагона для каждого варианта конструкции подвешивания имеет упругий кузов, соответствующий модели вагона 1 (п. 3.5) (рисунок 3.12). Для них также справедлива расчетная динамическая схема вагона, представленная на рисунке 3.7 (п. 3.3).

Сравнение динамических показателей обоих моделей выполнялось с показателями модели вагона аналога, в качестве которого была принята модели вагона 1 .

Сопоставления динамических параметров выполнены в виде графиков зависимостей ускорений кузова, коэффициента вертикальной динамики, рамных сил от скорости движения по прямому пути и в кривых, и представлены на рисунках 4.6-4.13.

В соответствии с таблицей 3.7 определялись критические значения параметров безопасности, показателя плавности хода вагона в вертикальном направлении и сравнивались с результатами модели вагона аналога (таблица 4.2).

0,5 0

40 60 80 100 120 140 160

V, км/ч

—■—Модель аналога "Вариант 1" "Вариант 2"

а

40 60 80 100 120 140 160

V, км/ч

и Модель аналога "Вариант 1" "Вариант 2"

б

40 60 80 100 120 140 160

V, км/ч

—■—Модель аналога "Вариант!" "Вариант 2"

40 60 80 100 120 140 160

V, км/ч

—■—Модель аналога "Вариант 1" "Вариант 2"

б

а

б

40 60 80 100 120 140 160

V, км/ч

Модель аналога "Вариант!" "Вариант2"

а

40 60 80 100 120 140 160

V, км/ч

—■—Модель аналога "Вариант 1" "Вариант 2"

б

Модель аналога "Вариант 1" "Вариант 2"

а

Модель аналога "Вариант 1" "Вариант 2"

б

а

б

а

б

а

б

Анализ результатов моделирования показал, что отклонение от результатов модели аналога:

1) для модели вагона «вариант 1»:

а) при движении по прямому участку пути:

1) для пятниковой зоны кузова:

- величины вертикальных ускорений от 8 % до 12 % в меньшую сторону;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений от 8 % до 12 % в меньшую сторону.

2) для пола первого этажа середины кузова:

- величины вертикальных ускорений от 8 % до 12 % в меньшую сторону;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений от 7 % до 11 % в меньшую сторону.

3) для пола второго этажа середины кузова:

- величины вертикальных ускорений от 9 % до 12 % в меньшую сторону;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений от 5 % до 10 % в большую сторону;

4) для величины коэффициента вертикальной динамики составляет от 4 % до 8 % в меньшую сторону.

5) для величины рамной силы составляет от 0 % до 5 % в большую

сторону.

б) при движении в кривых:

1) для пятниковой зоны кузова:

- величины вертикальных ускорений от 8 % до 1 2 % в меньшую сторону;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений от 6 % до 11 % в меньшую сторону.

2) для пола первого этажа середины кузова:

- величины вертикальных ускорений от 9 % до 1 2 % в меньшую сторону;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений от 7 % до 11 % в

меньшую сторону.

3) для пола второго этажа середины кузова:

- величины вертикальных ускорений от 9 % до 12 % в меньшую сторону;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений от 7 % до 12 % в большую сторону.

4) для величины коэффициента вертикальной динамики составляет от 4 % до 8 % в меньшую сторону.

5) для величины рамной силы составляет от 3 % до 7 % в большую

сторону.

2) для модели вагона «вариант 2»:

а) при движении по прямому участку пути:

1) для пятниковой зоны кузова:

- величины вертикальных ускорений от 7 % до 10 % в меньшую сторону;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений от 6 % до 8 % в меньшую сторону.

2) для пола первого этажа середины кузова:

- величины вертикальных ускорений от 6 % до 10 % в меньшую сторону;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений от 6 % до 8 % в меньшую сторону.

3) для пола второго этажа середины кузова:

- величины вертикальных ускорений от 7 % до 10 % в меньшую сторону;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений от 0 % до 4 % в меньшую сторону.

4) для величины коэффициента вертикальной динамики составляет от 3 % до 7 % в меньшую сторону.

5) для величины рамной силы составляет от 2 % до 4 % в меньшую

сторону.

б) при движении в кривых:

1) для пятниковой зоны кузова:

- величины вертикальных ускорений от 7 % до 10 % в меньшую сторону;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений от 6 % до 9 % в меньшую сторону.

2) для пола первого этажа середины кузова:

- величины вертикальных ускорений от 7 % до 10 % в меньшую сторону;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений от 4 % до 8 % в меньшую сторону.

3) для пола второго этажа середины кузова:

- величины вертикальных ускорений от 7% до 10% в меньшую сторону;

- величины горизонтальных (поперечных) ускорений от 0 % до 5 % в меньшую сторону.