РГР ПО. Лосьев. Определение усилий, воздействующих на железнодорожный путь
 Скачать 3.38 Mb.
|
|
Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра Путь и железнодорожное строительство Расчетно-графическая работа Вариант 72 По дисциплине Программное обеспечение расчетов конструкции железнодорожного пути На тему Определение усилий, воздействующих на железнодорожный путь» Принял: Выполнил доцент, к.т.н ст. гр. СЖДт-438 Исламов А.Р.Лосьев Д.С. Екатеринбург 2021 2 Содержание Введение ................................................................................................................... 3 Исходные данные. Вариант 72. .............................................................................. 5 Лабораторная работа №1 Одномерные модели поезда в программном комплексе УМ .................................................................................................... 6 Лабораторная работа №2 Включение трёхмерных моделей вагонов в состав одномерного поезда в программном комплексе УМ. 8 Лабораторная работа №3 Задание макрогеометрии пути ............................. 11 Лабораторная работа №4 Построение графика скорости ............................. 13 Определение усилий действующих на железнодорожный путь ...................... 23 Вывод ...................................................................................................................... 31 3 Введение С развитием компьютерных технологий, появилась возможность моделировать движение поезда по запроектированному профилю и плану в программных комплексах, при этом, не прибегая к сложными громоздким ручным расчетам. На сегодняшний день, среди множества компьютерных продуктов широкое применение для синтеза уравнений движения в символьной форме нашли универсальные системы, которые в расчетах опираются на методы конечных элементов. В России, в области моделирования динамики экипажей на железнодорожном пути можно выделить программные комплексы Дионис, Универсальный механизм. Программный комплекс "Дионис" разработан на кафедре "Вагоны и вагонное хозяйство" МГУПС (МИИТ) Г.И. Петровым, В.Д. Хусидовым и другими. Дионис" состоит из нескольких независимых между собой вычислительных и функциональных блоков, которые взаимодействуют под управлением главной программы. Для определения контактных сил между колесом и рельсом используется гипотеза о характере качения колесной пары, выдвинутая НЕ. Жуковским. В настоящее время стандартом для подобных программных комплексов стало использование более современной модели контактных сил Калкера, ив частности алгоритма FastSim. В отличие от других современных программных комплексов, "Дионис" не обладает модулем автоматического синтеза уравнений движения, а включает только модуль численного интегрирования полученных вручную уравнений движения и постпроцессор, что существенно замедляет разработку и отладку математических моделей новых железнодорожных экипажей. Программный комплекс Универсальный механизм (UM)», разработанный в Брянском государственном техническом университете под руководством профессора Д.Ю. Погорелова, предназначен для автоматизации процесса исследования механических объектов, которые могут быть представлены 4 системой абсолютно твердых 4 тел, связанных посредством кинематических и силовых элементов. Механическая система может быть, как плоской, таки пространственной. Практически отсутствуют ограничения на число тел в системе. Для сложных механических систем с большим числом тел серьезной проблемой является не только анализ уравнений, но и их выводи даже описание структуры объекта. Комплекс «ЦМ» позволяет полностью автоматизировать эти операции, что кардинальным образом повышает производительность труда исследователя. Если объект содержит более двух десятков тел, то даже ввод традиционных данных для описания его инерционных и кинематических свойств сопряжен со значительными затратами времени. Реализованный в «ЦМ» метод подсистем в значительной степени упрощает эту процедуру, особенно в случаях, когда анализируется техническая система, содержащая несколько типовых подсистем. Из одинаковых подсистем следует описать лишь одну, что позволяет экономить время и избежать значительного числа ошибок. Уравнения движения объекта выводятся специальным модулем программы в символьной форме. Для некоторых задач объем уравнений настолько велик, что не только невозможно получить уравнения вручную, но и смотреть на них особого смысла нет. 5 Исходные данные. Вариант 72. Параметры Значения Длина поезда п, м 1350 Вес поезда п, т 7800 Тип локомотива 3ВЛ80С Длина локомотива, l лок , м 98,52 Вес локомотива P, т 576 Количество секций, шт 6 Длина вагона ваг м 14,74 Тип вагона 4х-остный полувагон Параметры плана для прямых – длина L; для кривых – P l , S, R, H, м 1. Прямая 1000 2. Кривая вправо 150; 700; 600; 0,09 3. Прямая 1500 4. Кривая влево 50; 900; 1000; 0,05 5. Прямая 2500 Параметры профиля длинам уклон I, ‰ 1. 900; 0 2. 1400; -4 3. 500; 0 4. 800; -4 5. 800; 0 6. 500; 3 7. 500; 6 8. 200; 4 9. 300; 2 10. 1100; 0 6 Для выполнения расчётно-графической работы были получены исходные данные в результате проведения лабораторных работ № 1 – 4. Лабораторная работа №1 Одномерные модели поезда в программном комплексе УМ. При создании модели исследователь, исходя из исходных данных, указывает количество единиц подвижного состава, их типа также тип поглощающих аппаратов, используемых на соответствующем экипаже. Тип экипажа выбирается из базы, включающей модели локомотивов и вагонов, наиболее распространенных на российских железных дорогах. Эта база может быть дополнена моделью любого экипажа. Для этого достаточно создать графический образ экипажа, задать длину по осям автосцепок, массу экипажа, силы основного сопротивления движению, тяговые характеристики для локомотивов, а также (при необходимости) силы, специфичные для данного экипажа. Каждая единица подвижного состава в терминах программного комплекса представляет собой подсистему, которая, может быть моделью любой сложности Ход работы Заходим в программу UM Input. Открываем вкладку Инструменты – Создание модели поезда. Чтобы создать модель поезда, необходимо задать его параметры. Для этого нужно указать количество экипажей, атак же вес каждого вагона Количество экипажей считается по формуле N экип = n ваг + n слок – д где, n ваг – количество вагонов n слок – количество секций локомотива д – количество добавляемых трехмерных вагонов (для данной лабораторной работы д = 0.) Количество вагонов нам неизвестно, поэтому найдем их по формуле ваг = п 𝑙 лок 𝑙 ваг , шт 7 где, п – длина поездам l лок – длина локомотивам ваг- длина вагонам. ваг = 1350 −98,52 14,74 = 84,9 ≈ 85 вагонов Найдем количество экипажей N экип = 85 + 6 – 0 = 91 экипаж Также найдем вес одного вагона ваг ваг, кг где, Q – вес поезда, кг P – вес принятого локомотива, кг ваг = 7800000−576000 85 = 84 988 кг Указываем количество экипажей в Мастере создания модели поезда и из базы данных добавляем необходимое количество локомотивов, в данном случае это 2ВЛ80С, атак же вагонов – х остный полувагон. В качестве поглощающих аппаратов выберем для локомотивов ШТ, а для вагонов Ш-2-В. 8 Создав модель поезда, открываем ее в новом объекте. Сохраняем и переходим в UM Simulation. Открываем Инспектор моделирования. Переходим во вкладку Идентификаторы. В выпадающем окне выбираем любой полувагон. В строке «Mass» задаем посчитанную ранее массу вагона и принимаем это значение для всех остальных полувагонов. Вывод входе проведения лабораторной работы №1 получили трехмерную модель поезда с настроенной массой полувагонов. Лабораторная работа №2 Включение трехмерных моделей вагонов в состав одномерного поезда в программе УМ Использование трехмерных моделей вагонов позволяет более подробно проанализировать динамику отдельного экипажа в поезде и взаимодействие его с путем, при этом исходными данными вагона выступают поперечные профили колеси характеристик подсистем вагона (кузов, тележки, колесные пары, рессорное подвешивание, демпферы, автосцепка и т.д.), взаимная ориентация колеси рельсов. Левое и правое колесо вагона рассматривают отдельно со своими системами координат. Цель работы создать модель поезда, с включенным в середину его вагонного состава одного трехмерного вагона. Ход работы Заходим в программу UM Input и открываем ранее созданную модель поезда. Слева переходим во вкладку Подсистемы. В предложенном списке удаляем один полувагон. Снова активируем вкладку Подсистемы ив правой части добавляем новый элемент типа внешняя. В открывшемся окне выбираем ранее скаченную папку «simple_18_100_FR_Ext» и жмем Enter. Сохраняем. 9 Переходим в программу UM Simulation. Добавленный вагон должен оказаться в конце состава. Перемещаемся к нему, выбрав функцию смотреть на и выбрав данный полувагон в списке. Теперь нужно переместить данный полувагон в середину состава и задать ему ранее посчитанную массу. Для этого вызываем инспектор моделирования и переходим во вкладку Идентификаторы. В выпадающем окне выбираем SubS1. В предложенной таблице ищем строку mcarbody и указываем значение массы. 10 Далее переместим вагон в середину состава. Для этого в инспекторе моделирование перейдем во вкладку Поезд. Подвкладка настройки - положение экипажей. В параметрах экипажа SubS1 указываем 49 положение – это будет серединой состава. Вывод входе лабораторной работы №2 была создана модель поезда с включенным в середину его вагонного состава одного трехмерного вагона. 11 Лабораторная работа №3 Задание макрогеометрии пути Вертикальные кривые устанавливаются при проектировании железнодорожного пути в зависимости от категории дороги. В нашей работе принимаем что все участки I категории. Согласно СП 119.13330.2017 определим вертикальный радиус для нашей работы. Смежные элементы продольного профиля следует сопрягать в вертикальной плоскости кривыми радиусом не менее , км -20 – на скоростных линиях -15 – на линиях категорий I и II -10 – на особогрузонапряжённых линиях и линиях категории III -5 – на железных дорогах категории IV Из этого следует, что в нашей работе данный радиус равен 15 км. При алгебраической разности уклонов смежных элементов 2,3 ‰ при R b = 15 км. Ход работы Чтобы задать макрогеметрию пути, переходим в програмный механизм «UM Simulation». Сверху на панели инструментов нажимаем на функцию Создать файл макрогеометрии пути. По исходным данным создаем нашу макрогеометрию. 12 Для создания плана линии используется верхнее правое окно Профиль пути в плане. В него записываются кривые и прямые участки. Для создания нового элемента необходимо нажать кнопку Добавить участок. Упрямых участков задается только длина. Без изменения коэф-та трения. Для кривых участков записываются данные направление кривой, длины переходных кривых, радиус кривой, длина кривой, возвышение наружного рельса. Для создания продольного профиля используется нижнее правое окно Вертикальный профиль пути. В него записываются участки постоянного уклона. Для создания нового элемента необходимо нажать кнопку Добавить участок постоянного уклона. Окно параметров участка позволяет изменять параметры длина участка, уклон, радиус спрямления со следующим участком вертикальная кривая. В итоге мы получаем нашу построенную макрогеометрию пути, которая включает в себя Профиль пути в плане и Вертикальный профиль пути. 13 Конечным результатом будет являться проверка правильности задания макрогеометрии пути. Для этого сравниваем длину в профиле пути в плане и длину в вертикальном профиле пути. Они должны быть равны между собой и равным соответственно. Вывод входе данной лабораторной работы №3 была задана макрогеометрия пути по исходным данными параметрам. Лабораторная работа №4 Построение графика скорости Целью данной работы является создание графика скорости посредством совместной работы в двух программах, таких как ИСКРА ПТР и UM Simulation. Работу начинаем с ввода всех необходимых данных и параметров в программе ИСКРА ПТР: После запуска ИСКРА ПТР необходимо удостовериться в правильности настройки каталогов. Каталоги загружены верно. 14 Создание нового участка дороги осуществляется посредством перехода по вкладкам Данные / Дорога / Участки. Комбинацией клавиш ALT+A добавляем новый участок с названием Участок А-Б» Двойным кликом по созданному участку открываем следующее окно. Вновь комбинацией клавиш ALT+A добавляем новый путь с названием Участок А-Б». В столбце Номер ставим 1, а в столбце Направление - четное. 15 Далее необходимо заполнить по порядку все параметры запроектированной линии по исходным данным. Начнем с заполнения данных действительного километража. Заполнение данных продольного профиля 16 Заполнение данных плана пути 17 Заполнение данных раздельных пунктов Заполнение данных допускаемой скорости После того как все данные введены, переходим к расчетам. На вкладке Расчеты выбираем необходимый участок и создаем поезд. Ставим галочку и двойным кликом открываем окно создания поезда. 18 Переходим на вкладку Задание на расчет и вносим все необходимые данные о поезде. В качестве исходных данных, учитываем - Тип верхнего строения бесстыковой; - Скорость ветра 10 мс - Начальная скорость поезда 60 км/ч; - Вагонный состав / Номер расчетного варианта Мы знаем вес вагона из расчетов 1 лабораторной работы (ваг = 84 988). Определим нагрузку на ось 84988 4 ⁄ = 21,25 т/ось Из предложенных вариантов примем вагон с близкой нагрузкой на ось к нашему значению – 21,5 т/ось – 2 расчетный вагон. 19 Возвращаемся во вкладку Список поездов и нажимаем Выполнить расчет по участку. Далее переходим во вкладку Результаты - Ведомости результатов. Выбираем наш участок и переходим в детальную ведомость. Вносим необходимые корректировки выбираем способ выдачи с равным шагом через 0,025 км (25 м а столбцы детальной ведомости раздельные пункты, действительный километраж, время, расстояние от начала участка, скорость. Далее формируем ведомость в MS Excel. 20 В программе MS Excel выбираем два столбца, а именно Расстояние от начала участка и Скорость, создаем одноименные им столбцы стой разницей, что будут изменены единицы измерения км нам, а «км/ч» нам с соответственно. 21 Два созданных столбца выделяем и копируем значения в программу блокнот с расширением .txt и сохраняем документ под названием График скорости. Меняем расширение файла сна. Получаем файл с названием и расширением График скорости. После создания файла графика скорости переходим в программный механизм UM Simulation. Открываем ранее созданную модель поезда. Запускаем Инспектор моделирования объекта, на вкладке Поезд выбираем закладку Инструменты и производим выбор инструмента – График скорости. Присваиваем ему Имя, и устанавливаем тип зависимости – Путь. Далее нажимаем на кнопку Ввод/редактирование данных, откроется окно следующего типа Загружаем ранее созданный файл с расширением .crv, нажав на кнопку 22 Нажимаем кнопку Применить и возвращаемся на вкладку Выбор инструмента и сохраняем файл, нажав кнопку с расширением .tsh. Вывод входе данной лабораторной работы №4 мы создали график скорости движения поезда взаимодействием двух программ, таких как ИСКРА- ПТР и UM Simulation. С помощью UMS сохранили график скорости с расширением .tsh. 23 Определение усилий, воздействующих на железнодорожный путь Задаем параметры моделирования. Запускаем инспектор моделирования. Во вкладке Параметры моделирования указываем численный метод - Park, тип решения – прямой метод (RMS), время моделирования – 298 с, шаг предоставления результатов – 2. В этой же вкладке устанавливаем галочки напротив пунктов Удерживать разложение системной матрицы, Расчет матриц Якоби, Матрицы Якоби для контакта колесо/рельс, Прерывать расчет при сходе КП. Во вкладке Идентификаторы проверяем начальную скорость, равную 16,66667 мс. В выпадающем окне выбираем любой полувагон и проверяем его массу, которая должна равняться 84,988 т. 24 Точно также проверяем массу 3D вагона, которая должна равняться тем же 84,988 т. Во вкладке «Ж.д. экипаж устанавливаем тип пути – ровный. Далее во вкладке «Колесо/рельс» зададим профиль колеса – newwagnw, а во вкладке отклонение формы выберем – нет дефекта. 25 Профиль для рельсов выберем – r65new. Переходим во вкладку Инструменты и запускаем тест. Необходимо включить сцепку 48 полувагона с 3D вагоном и вновь запустить тест. Должен остаться только последний несцепленный полувагон. Также, чтобы проверить целостность 3D вагона, необходимо выполнить тест и проверить наличие силу нашего вагона. 26 Перейдем во вкладку Поезди убедимся, что загружена макрогеометрия, созданная в лабораторной работе №3. Примем упрощенный вид пути. Перейдем во вкладку Положение экипажей и убедимся, что наш 3D вагон занимает 49 положение в составе, рассчитанное в лабораторной работе №2. 27 Далее проверим график скорости, созданный в лабораторной работе №4. Ограничение силы тяги примем 1000 кН. Вывод результатов моделирования Открываем Мастер переменных, выбираем нормальную реакцию для всех колес 3D вагона, силы в межвагонном соединении для всех соединений, кроме, соединений локомотивов и путь. Открываем два графических окна, нормальную реакцию и путь переносим из мастера переменных в первое графическое окно, а силы в межвагонном соединении и путь переносим во второе графическое окно. Откладываем путь по оси абсцисс. 28 Интегрируем. По окончанию моделирования копируем полученные графики встроим их и начинаем анализировать. 29 График нормальных реакций 90000 95000 100000 105000 110000 115000 120000 125000 130000 135000 0. 0 10 1.0 20 6.4 31 6.1 42 9.7 54 6.9 66 7.5 79 1.3 91 8.4 1 04 8 .5 1 18 1 .7 1 31 7 .9 1 45 7 .2 1 59 9 .4 1 74 4 .6 1 89 2 .7 2 04 2 .6 2 19 3 .0 2 34 3 .8 2 49 3 .8 2 64 3 .9 2 79 3 .8 2 94 3 .5 3 09 3 .1 3 24 2 .7 3 39 2 .2 3 54 1 .6 3 69 1 .2 3 84 0 .6 3 98 9 .6 4 13 7 .5 4 28 4 .9 4 43 1 .3 4 57 6 .4 4 71 9 .9 4 86 2 .1 5 00 3 .4 5 14 5 .5 5 28 7 .6 5 42 9 .9 5 57 2 .6 5 71 5 .8 5 85 9 .6 6 00 4 .2 6 14 9 .8 6 29 6 .6 6 44 4 .8 6 59 4 .2 6 74 3 .3 6 89 Норм. реакция к.п. 1, л.к Норм. реакция к.п. 2, л.к Норм. реакция к.п. 3, л.к Норм. реакция к.п. 4, л.к Норм. реакция к.п. 1, п.к Норм. реакция к.п. 2, п.к Норм. реакция к.п. 3, п.к Норм. реакция к.п. 4, п.к 30 График сил в межвагонном соединении 0 200000 400000 600000 1 36 4 .0 1 45 7 .2 1 55 1 .7 1 64 7 .5 1 74 4 .6 1 84 3 .0 1 94 2 .6 2 04 2 .6 2 14 2 .8 2 24 3 .3 2 34 3 .8 2 44 3 .8 2 54 3 .9 2 64 3 .9 2 74 3 .8 2 84 3 .7 2 94 3 .5 3 04 3 .3 3 14 3 .0 3 24 2 .7 3 34 2 .4 3 44 2 .0 3 54 1 .6 3 64 1 .3 3 74 1 .0 3 84 0 .6 3 94 0 .0 4 03 9 .0 4 13 7 .5 4 23 5 .9 4 33 3 .9 4 43 1 .3 4 52 8 .2 4 62 4 .4 4 71 9 .9 4 81 4 .8 4 90 9 .3 5 00 3 .4 5 09 8 .1 5 19 2 .9 5 28 7 .6 5 38 2 .4 5 47 7 .4 5 57 2 .6 5 66 8 .0 5 76 3 .7 5 85 9 .6 5 95 5 .9 6 05 2 .6 6 14 9 .8 6 24 7 .6 6 34 5 .9 6 44 4 .8 6 54 4 .3 6 64 4 .0 6 74 3 .3 6 84 2 .3 6 94 м Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон 3D вагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон Полувагон 31 Вывод Анализ графика нормальных реакций После проведения анализа полученных данных в результате моделирования, мы определили значение максимальной силы нормальной реакции, возникшей на левом колесе четвертой колесной пары, равной 131978.2 Н или же 131,9 кН. Данный скачек силы был обнаружен на 2 километре ПК4+93. На данном километраже наблюдается выход рассматриваемого вагона из правой кривой м. При выходе изданной кривой колесо прижалось клевой рельсовой нити, то есть произошел небольшой удар. Можем заметить, что в кривых скачки силы больше, чем на прямых участках пути, максимальные значения при этом достигаются у внешних колеса минимальные значения нормальной реакции у внутренних колес, это происходит за счет возникновения центробежной силы. Также можно заметить, что впервой кривой изменения нормальной реакции больше, чем во второй кривой. Это обусловлено меньшим радиусом (мм. Также заметны скачки нормальной реакции с изменением значения уклона. Анализ графика силы в межвагонных соединениях Анализируя данный график, мы видим, что максимальное значение силы возникает в автосцепке 62 на втором километре ПК3+93, равное 585288.375 Н или же 585,3 кН. Значение положительное – это объясняется тем, что состав двигался по спуску с уклоном 4‰ и перешел на ровную поверхность с уклоном 0‰, также это видно по нашей макрогеометрии. Сила сработала на сжатие. Минимальное же значение силы в межвагонных соединениях наблюдается в автосцепке 6 на первом километре ПК3+63, равное -678133 Н или же 678,1 кН. Отрицательное значение объясняется тем, что данная сцепка соединяет локомотив и идущий за ним полувагон. На данном километраже наш состав только начинал 32 движение, то есть начинал набирать скорость, тянув за собой остальные полувагоны. В этом случае сила работала на растяжение. Также скачек сил наблюдается на четвертом километре ПК8 до шестого километра ПК6. На данном отрезке пути состав двигался в подъем и сила работала также на растяжение, то есть значения были отрицательными. Уклон при этом менялся 3‰ - 6‰ - 4‰. |