Особенности моделирования динамики пассажирских вагонов

К парку пассажирских вагонов относят не только вагоны, непосредственно перевозящие пассажиров, но и вагоны, курсирующие в пассажирских поездах, – почтовые, багажные, вагоны-рестораны, вагоны-салоны и т.п. Эти вагоны имеют общие конструктивные особенности, влияющие на их динамическое поведение, и проектируются по общим техническим требованиям.

Статическая нагрузка от оси колесной пары на рельс в пассажирских вагонах обычно составляет от 16 до 18 т и практически не меняется при загрузке вагона, что связано с большой массой вагонных тележек (6–7 т), оборудования и несущей конструкции кузова (40–50 т). В настоящее время существует тенденция снижения массы кузова за счет использования современных технологий и материалов.

Конструктивная скорость пассажирских вагонов составляет до 160 км/ч для пассажирских, до 200 км/ч для скорых и 250–350 км/ч для высокоскоростных поездов. Одним из способов повышения конструктивной скорости является использование вагонов с колесной базой 18–20 м и ходовых частей с базой 2–3 м.

В этой главе предлагаются рекомендации по рациональному моделированию пассажирских вагонов с учётом особенностей их конструктивного исполнения.

Как правило, в модели производят идеализацию реальной механической системы. В частности, в динамической модели разделяют абсолютно твёрдые тела и упруго-демпфирующие связи между ними. При идеализации учитываются только те элементы вагона как колебательной системы, которые вносят значительный вклад в его динамические характеристики. Усложнение системы порой ведёт к далёким от истины результатам.

В расчётной схеме пассажирского вагона обычно выделяют следующие твёрдые тела: кузов, обрессоренные массы тележек, колёсные пары. Кроме того, с учётом возможностей комплекса MEDYNA в модель добавляют участки пути, т.е. твердые тела, расположенные под колёсными парами и движущиеся вместе со всей механической системой вагона. Таким образом, простейшая модель четырёхосного пассажирского вагона будет состоять из одиннадцати твёрдых тел. В более сложных случаях количество тел может быть больше.

Элементами связи обычно моделируются буксовая и центральная ступени подвешивания, контакт между колесом и рельсом, упруго-демпфирующие свойства земляного полотна и автосцепного устройства между вагонами. В простейшем случае модель содержит 30 элементов связи, разбитых на пять групп с одинаковыми свойствами.

Остановимся подробнее на каждом из элементов конструкции вагона.

Кузов пассажирского вагона представляет собой сложную конструкцию, состоящую из наружной металлической обшивки, слоёв гидроизоляции и теплоизоляции, внутренней декоративной обшивки, окон и дверей, систем обеспечения жизнедеятельности человека. В динамической математической модели кузов вагона может быть представлен одним абсолютно твердым телом. При этом его инерционные характеристики учитывают загрузку вагона брутто. Моделирование оборудования или пассажиров в виде отдельных тел целесообразно только для решения специальных задач. Особенностью длинных кузовов (более 20 м) является низкое значение собственной частоты изгибных колебаний (8–10 Гц), которая оказывает значительное влияние на динамику вагона в целом. Для учета изгибной жесткости кузов может быть разбит на два твердых тела, связанных элементом с эквивалентной жесткостью и демпфированием, или представлен своей первой формой свободных колебаний.

Основными элементами вагона, определяющими его динамическое поведение при движении в рельсовой колее, являются ходовые части. Это, как правило, две тележки, в каждой из которых две колёсные пары объединены жёсткой Н-образной рамой. Рама выполняет роль несущей конструкции всех элементов тележки: через буксовое подвешивание на неё передаются нагрузки от колёсных пар, а через центральное подвешивание — от кузова.

В отечественных тележках типа КВЗ-ЦНИИ, которыми оснащено подавляющее большинство парка пассажирских вагонов России, связующим элементом между кузовом и рамой тележки является надрессорная балка. Для передачи тяговых усилий пятник надрессорной балки и подпятник кузова соединены шкворнем. Основная масса кузова (до 90 %) приходится на боковые скользуны, которые играют роль фрикционных гасителей колебаний при вилянии тележки относительно кузова.

На современных высокоскоростных вагонах устанавливаются тележки без надрессорной балки, в которых посадка кузова на раму осуществляется непосредственно через пневматические рессоры или винтовые пружины типа увеличенной длины в безлюлечном подвешивании. Такая конструктивная схема позволяет уменьшить количество элементов в конструкции тележки и улучшить динамические качества вагонов. Тяговые усилия в таких тележках передаются через специальные поводковые механизмы.

Динамические характеристики, как тележки, так и вагона в целом определяются системой рессорного подвешивания, представляющей собой набор упругих и демпфирующих элементов. Как правило, в подвижном составе для перевозки людей предусматривается две ступени подвешивания.

Первичной называют буксовую ступень подвешивания, которая располагается между буксой колесной пары и рамой тележки. Вторичной называют центральную ступень подвешивания, которая расположена между рамой тележки и кузовом вагона. Буксовая ступень подвешивания должна обеспечивать устойчивость движения вагона в заданном диапазоне скоростей, центральная ступень — ходовые качества (ускорения кузова и показатели плавности хода) вагона, отвечающие требованиям комфортности провоза пассажиров.

По конструктивной схеме центральной ступени подвешивания различают тележки с люлечным и безлюлечным подвешиванием. Тележка КВЗ-ЦНИИ — люлечного типа. На рис. 5 представлена тележка безлюлечного типа. Люлька обеспечивает низкую поперечную жёсткость при малой высоте пружин центральной ступени подвешивания. При повышении скоростей движения свыше 200 км/ч элементы люльки ухудшают ходовые качества тележек, хотя при эксплуатации в диапазоне невысоких скоростей такая конструкция надёжна, проста в изготовлении и техническом обслуживании.

Рис. 5. Тележка производства Тверского вагоностроительного завода для скоростей движения до 200 км/ч

В первом приближении множество конструктивных исполнений буксового и центрального подвешивания может быть смоделировано пространственным элементом связи (тип 61 по классификации MEDYNA), обеспечивающим эквивалентные жесткости при перемещениях и поворотах вокруг трех осей.

Кроме двойного рессорного подвешивания, тележки пассажирского типа отличает использование гидравлических гасителей колебаний. Чем выше скорость движения, тем в большей степени проявляется эффективность работы таких гасителей. Кроме того, если на типовой тележке КВЗ-ЦНИИ гидравлических гасителей только два, причем они установлены под углом для одновременного гашения как вертикальных, так и поперечных колебаний, то в тележках с конструкционной скоростью 200 км/ч и выше устанавливают отдельно гасители вертикальных колебаний, гасители относа, гасители виляния и гасители буксовой ступени.

Аналогично рессорам подвешивания в первом приближении система гидравлических гасителей колебаний может быть смоделирована в рамках пространственного элемента № 61, обеспечивающего эквивалентное вязкое демпфирование по трем линейным и трем угловым направлениям. В более сложном случае каждый гаситель может задаваться линейным элементом №41, обеспечивающим вязкое демпфирование относительных перемещений между двумя точками.

Ответственной частью пассажирского вагона, как и любой другой подвижной единицы железнодорожного транспорта, является колёсная пара. В настоящее время все магистральные пассажирские вагоны оснащены колёсными парами с цельнолитыми осями и напрессованными на них цельнокатаными колёсами с диаметром по кругу катания 957 мм. Основным элементом, определяющим траекторию движения колеса по рельсу, устойчивость рельсового экипажа в прямых участках пути и вписывание в кривые участки, является профиль поверхности круга катания колеса. Для достижения необходимых динамических показателей вагона выбор параметров профиля должен осуществляться наряду с выбором параметров упруго-демпфирующих элементов рессорного подвешивания.