Статья ТРАНСПОРТ 2. А. В. Антропова методика расчета поперечных нагрузок, воздействующих на ракетные блоки при перевозке железнодорожным транспортом
 Скачать 1.34 Mb.
|
|
В.В. Козлов, Доктор технических наук, профессор; А.В. Лагун, Кандидат технических наук, доцент; А.В.Баталов, А.В. Антропова МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОПЕРЕЧНЫХ НАГРУЗОК, ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ НА РАКЕТНЫЕ БЛОКИ ПРИ ПЕРЕВОЗКЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ ТРАНСПОРТОМ Представлены основные положения методики расчета поперечных нагрузок испытываемых ракетными блоками при их транспортировке в специальных контейнерах железнодорожным транспортом. Методика рассчитана на учет изменчивых факторов железнодорожного полотна, влияющих на динамику транспортирования ракетных блоков. Из таких факторов рассмотрены лишь два, наиболее значимых: волнообразность железнодорожного полотна и наличие между плетями рельсов стыков. Методика использует двумерную математическую модель движения железнодорожного транспорта, а потому является лишь оценочным инструментом, направленным на поиск технических решений, позволяющих снизить нагрузки при транспортировке ракетных блоков. В качестве основных оценочных параметров в расчетах приняты перегрузки, действующие на перевозимые ракетные блоки и амплитуды их колебаний в процессе транспортировании по нормам РЖД. Ключевые слова: ракетный блок, железнодорожный транспорт, перегрузка, рельсы, стыки рельсов, динамика движения, профиль железнодорожного полотна. ВВЕДЕНИЕ В современных условиях перевозимые ракетные блоки устанавливаются на стандартную платформу РЖД (рис. 1), которая опирается на ходовые тележки.  Рис. 1 Амортизация для перевозимого ракетно-космического оборудования ограничена лишь средствами амортизации ходовых тележек (рис. 2 ).  Рис. 2 Действующие в РЖД нормативные документы и научно-исследовательские работы нацелены лишь на обеспечение удовлетворительного состояния железнодорожных магистралей, целостности подвижного состава, включая как силовую конструкцию, так и все системы подвижной платформы. В этих обстоятельствах требуемые условия транспортировки ракетных блоков должны обеспечиваться владельцами груза. Вместе с тем, в РЖД известны дополнительные средства амортизации подвижного состава, используемые, например, для пассажирских вагонов. Однако, специальные железнодорожные средства, разрабатываемые по заказам Роскосмоса таких дополнительных амортизирующих систем сегодня не имеют (рис. 3).    Рис. 3. 1- контейнер с ракетным блоком; 2- железнодорожная платформа Вместе с тем в [1,2] указывается, что вследствие расположения центра тяжести вагона непосредственно над буфером, пиковое значение вибрации в вертикальном направлении может быть в полтора раза больше, чем в продольном, но при этом длительность удара может составлять всего 20 мс. При этом, там же указывается, что при движении по ж/д полотну возможны следующие пиковые значения ускорения: - 1,5 gдля вагонов с пружинным амортизатором (не допуская их полного сжатия) с полным грузом; - 3,0 gдля вагонов с пружинным амортизатором (не допуская их полного сжатия) с малым грузом; - 15,0 gи более для вагонов с пружинным амортизатором (после их полного сжатия) с полным грузом; - 2,0 gи более для вагонов с гидравлическим амортизатором с полным грузом при соударениях на скорости 8 км/ч (для малонагруженных вагонов ускорение вдвое больше); - 4,0 gи более для вагонов с гидравлическим амортизатором с полным грузом при соударениях на скорости 15 км/ч (для малонагруженных вагонов ускорение вдвое больше). Неприемлемость таких значений вибрационных нагрузок побудила авторов статьи приступить к разработка математической модели для оценивания динамических нагрузок, действующих на ракетную технику, перевозимую по железной дороге [2]. Следствием действия вибрации является усталость материала. В местах концентрации напряжений у хрупких материалов часть рассеянной в материале энергии уходит на развитие микротрещин в местах, имеющих нарушение структуры. Эти трещины развиваются и являются новыми концентраторами напряжений. В результате этого наблюдаем разрушение деталей при напряжениях, значительно меньших, чем предел прочности, часто даже ниже предела упругости, но число циклов, при которых детали разрушаются, имеет значительный порядок (типа миллионов и десятка миллионов). Наличие таких вибрация при длительной транспортировки может стать причиной появления отказов на борту ракетных блоков. Как показали первые численные эксперименты, представленные в [3], описанная математическая модель нуждается в уточнении. В этой статье представлены некоторые из таких уточнений и результаты расчетов, выполненные по скорректированной математической модели, которая содержит, как и прежде, следующие соотношения: уравнение колебания первого колеса левой тележки; уравнение колебания второго колеса левой тележки; уравнение колебания первого колеса правой тележки; уравнение колебания второго колеса правой тележки; уравнение вертикального колебания цента масс кузова; уравнение углового колебания цента масс кузова; силы, действующие в демпферах сухого трения ходовых тележек. В частности выполнено уточнение гипотезы проф. А.М. Годыцкого-Цвирко, для чего использована физическая модель на основе идеи: Чем выше скорость, тем меньше эффективная длина стыка или «больше скорость, меньше ям». По исходной гипотезы импульс силы, действующий на транспорт при прохождении стыка рельсов может быть оценен по соотношению  , где  - масса колесной пары с учетом неподрессоренной части тележки,  - угол, имеющий дугу, примерно равную расстоянию между точками касания колеса двух рельсов,V – скорость движения транспорта. Значение может быть оценено по соотношению  , где  - величина зазора стыков рельсов и радиус колеса тележки соответственно. Тогда для описания силы воздействующей на ходовые колеса (AS) при проезде рельсового стыка может быть описано соотношением  ,где  - длительность импульса силы. В основе предложенного уточнения положено соображение о том, что ходовое колесо ж/д транспорта «пролетает » часть стыкового зазора (st) и при этом под действием сил притяжения несколько проседает () относительно ж/д полотна (рис. 4), что можно описать сокращением величины стыка до значения st  Рис. 4 На основании такого представления можно записать, что  ,где g и t ускорения свободного падения и время такого падения соответственно. Тогда  .В результате можно записать следующие соотношения  и  .Вместе с тем, на основании простого геометрического построения (рис. 5) можно связать величину уточненного межрельсового зазора  и радиуса ходового колеса   Рис. 5 следующими соотношениями  ,  , тогда  или  .Для того, чтобы связать скорость движения (V) и величину уточненного рельсового зазора  следует использовать соотношение  ,которое представляет собой трансцендентное уравнение  для связи скорости движения и величины уточненного межстыкового зазора. Численное решение этого уравнения представлено на рис. 6  Рис. 6. A(t) – полином шестой степени Решение, описанного выше трансцендентного уравнения при условии, что реальный межрельсовый зазор принят равным, согласно [4] st = 20 мм, можно представить в виде таблицы 1:Таблица 1
При проведении расчетов также принято допущение о том, что длительность импульса силы от проезда через стык пропорционально скорости движения транспорта V. В качестве отправного времени прохождения рельсового стыка использовано экспериментально полученная величина td = 0.0025 сек для скорости движения 90 км/ч [5] . Особенностью решения задачи по определению динамических нагрузок действующих на ракетный блок при его перевозке на железной дороге в условиях волнообразного профиля ж/д полотна и межрельсовых стыков является, во-первых, жесткость обыкновенных дифференциальных уравнений описывающих этот процесс. Так называемая жесткость обыкновенных дифференциальных уравнений использованных в расчете обусловлена тем, что одновременно ведется расчет для гармонических функций с относительно малым периодом, которые описывают профиль ж/д полотна и импульсных функций, описывающих прохождение стыков рельс, имеющих незначительную по времени длительность. Для таких систем уравнений при их численном решении проблематичным становится выбор шага интегрирования. Так при большом шаге интегрирования решение может привести к плохой сходимости результатов, а при малом шаге к неустойчивости решения. Второй особенностью численного решения использованной системы уравнений является отсутствие правдоподобных начальных условий. Поэтому расчеты проводились, начиная с нулевых начальных условий с созданием контрольной точки в конце каждого цикла расчета. В такой контрольной точке записывались последние значения параметров расчета, являющихся начальными условиями для последующего цикла расчета. Такая последовательность расчетов повторялась до тех пор, пока результаты расчетов не приходили к их устойчивой повторяемости. Длительность расчетного времени каждого цикла подбиралась критерию устойчивость-сходимость. Кроме того на правильный выбор длительности расчетного времени двух последовательных расчетов оказывало влияние временная согласованность импульсов от прохождения через стыки рельсов. Такая согласованность менялось в зависимости от заданной скорости движения ж/д транспорта так, например, для скорости в 90 км/ч длительность времени расчета одного цикла выбиралась длительностью в 120 сек. Тогда, как для скорости в 120 км/ч она назначалась в 200 сек. (рис.7). На рисунке 7 по ординате показано значение силы импульса для первой колесной пары первой ходовой тележки (S11), а по абсциссе длительность расчета.   первый цикл Контрольная точка     второй цикл  Рис. 7 В расчетах использовались следующие исходные данные: Длина одной рельсовой плети – 2000 м. Амплитуда неровности рельсового пути 25·10-3 м. Значения массовых и габаритных параметров: масса ходовой тележки платформы – 104 кг , масса платформы - 4·104 кг, масса контейнера - 16·103 кг, масса ракетного блока - 7·103 кг, массовая нагрузка на левый ложемент – 5,6·103 кг, массовая нагрузка на правый ложемент – 1,4·103 кг. Жесткость пружин подвески ходовой тележки – 8·105 н/м  Коэффициент трения в демпфере сухого трения тележки – 0.25 Коэффициенты демпферов ложементов контейнера – 102  Жесткость ложементов –106  Варьируемые в расчетах параметры показаны в табл. 2 Таблица 2
При проведении расчетов выводились зависимости следующих значений: перегрузок центра масс ракетного блока (P) от времени; перегрузок ракетного блока в правом ложементе (PGPL) от времени; перегрузок ракетного блока в левом ложементе (PGLL) от времени; амплитуда перемещения ракетного блока на левом ложементе (LL) от времени; амплитуда перемещения ракетного блока на левом ложементе (PL) от времени. Из всего массива результатов здесь представлены лишь некоторые зависимости на следующих рис. 8,9,10 Скорость движения 30 км/ч      Рис. 8 Скорость движения 60 км/ч      Рис. 9 Скорость движения 120 км/ч      Рис. 10 Как видно из рис. 8,9,10 сочетание неровностей рельсового пути в виде рельсовых стыков и волнообразности ж/д полотна приводит, во-первых, к значительным поперечным перегрузкам для ракетного блока. На скорости 120 км/ч эти перегрузки могу превышать значения в 5 единиц. Зависимости поперечных нагрузок ракетного блока существенно отличаются для правого и левого ложементов контейнера и описываются несколькими гармониками с разной частотой. Во-вторых, амплитуда поперечных движений ракетного блока в ложементах может доходить до 0.01÷ 0.3 м. В-третьих, полученные зависимости указывают на необходимость установки на ложементы элементов амортизации. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Представленная здесь методика оценочных расчетов динамических процессов транспортировки ракетной техники железнодорожным транспортом, несмотря на ряд уточнений, является лишь приближение в описании реальных процессов транспортирования. Вместе с тем, полученные в расчетах параметры динамики перевозки ракетных блоков показывают на необходимость поиска приемлемых решений для систем амортизации, которые могут быть установлены в ложементах контейнеров с ракетными блоками. Список используемых источников ГОСТ Р 57211.3—2016/ IEC/TR 62131-3:2011. Данные о воздействии на электротехническое оборудование вибрации и ударов. Оборудование, перевозимое железнодорожным транспортом. ГОСТ 28213-89 (МЭК 68-2-27-87). Группа Э29. МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ. Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. В.В. Козлов, А.В. Лагун, А.В.Баталов, А.В. Антропова. Математическая модель оценивания динамических характеристик транспортировки ракетных блоков железнодорожным транспортом. Сборник трудов ВКА им. А.Ф. Можайского 2020 вып. 763. ГОСТ 33185-2014 Накладки для изолирующих стыков железнодорожных рельсов. Требования безопасности и методы контроля. Я.О. Кузьмицкий, Д.В. Шевченко, А.К. Беляев. Конечно-элементное моделирование процесса перекатывания железнодорожного колеса через стыки рельсов. Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского политехнического университета. 4(231) 2015. |
