О возможностях и преимуществах применения компьютерного моделирования при испытаниях грузового подвижного состава

Одной из основных задач вагоностроителей в настоящее время является работа по повышению грузооборота за счет увеличения провозной способности линий, что достигается наращиванием массы поезда. При этом, возможны два решения этой задачи: повышение грузоподъемности вагона, а, следовательно, осевой и погонной нагрузок, либо увеличение количества вагонов в составе поезда, а значит, и его длины. Второе решение кажется наиболее простым, однако, является неосуществимым, поскольку вагоностроители создают свои продукты в условиях имеющихся ограничений инфраструктуры, а именно невозможностью увеличения длины поезда из-за ограничения длины приемоотправочных путей, а их модернизация требует крупных финансовых затрат. Вторым ограничением выступает изношенное состояние верхнего строения пути, что не позволяет применять старые технологии при повышении осевых и погонных нагрузок, поскольку возрастает динамическое воздействие на путь.

Вагоностроительные предприятия в ходе проведения широкого круга научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ создали принципиально новый подход к созданию инновационного подвижного состава с применением современных технологий, позволяющих обеспечить рост провозной способности железнодорожной сети без значительных капитальных вложений в её развитие.

Учитывая требования ОАО «РЖД» при введении в эксплуатацию инновационных разработок, вагоностроительным предприятиям необходимо провести ряд испытаний, подтверждающих безопасность нахождения продукции на инфраструктуре общего пользования.

Проведение таких испытаний сопровождается вложением значительных финансовых ресурсов, достигающих порядка 90-100 млн. рублей. Однако, с учетом развития компьютерных технологий и совершенствования механизмов и программ для моделирования актуальным вопросом является замена реальных испытаний объектов (или части испытаний) компьютерным моделированием. При этом важно подчеркнуть необходимость обеспечения требуемого уровня достоверности результатов.

Цель

Поиск решений, позволяющих снизить себестоимость производства и постановки продукции на производство за счет применения компьютерного моделирования взамен реальных (натурных) испытаний.

Задачи

1.   Ознакомиться с преимуществами инновационных ходовых частей (тележек) грузовых вагонов.

2.   Сформировать перечень направлений развития грузового вагоностроения на ближайшее время, отвечающих заданным требованиям по увеличению провозной способности инфраструктуры с учетом ограничений.

3.   Провести компьютерное моделирование с использованием разработанных моделей части испытаний подвижного состава с осевой нагрузкой 27 тс, проведенных на участке Качканар-Смычка Свердловской железной дороги в рамках внедрения тяжеловесного движения с целью снижения стоимости производства грузовых вагонов.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Компьютер

Описание

В целом, построение компьютерной модели базируется на абстрагировании от конкретной природы явлений или изучаемого объекта-оригинала и состоит из двух этапов – сначала создание качественной, а затем и количественной модели. Чем больше значимых свойств будет выявлено и перенесено на компьютерную – тем более приближенной она окажется к реальной модели, а значит тем большими возможностями сможет обладать система, использующая данную модель.

Компьютерное моделирование заключается в проведении серии вычислительных экспериментов на компьютере, целью которых является анализ, интерпретация и сопоставление результатов моделирования с реальным поведением изучаемого объекта и, при необходимости, последующее уточнение модели.

Для создания модели автор использовал инновационную разработку вагоностроителей – полувагон с осевой нагрузкой 27 тс, а в качестве значимых свойств, или ответственных узлов для точности модели, были отобраны: колесная пара, тележка, хребтовая балка, кузов, тормозная система, а также учтены их параметры при построении модели.

В ходе доклада была разработана компьютерная модель полувагона и повторены испытания с моделированием испытываемых нагрузок, а полученные результаты сравнили с реальными испытаниями для оценки точности созданной модели и оценки возможности замены натурных испытаний компьютерными моделями.

На первом этапе была сделана модель полувагона, применявшегося на натурных испытаниях, с учетом параметров ответственных узлов и деталей.

Далее был проведен цикл проверок для подтверждения правильности разработанной модели.

В рамках испытаний на полигоне Качканар-Смычка Свердловской железной дороги в том числе проводились испытания по воздействию груза на кузов инновационного вагона. С помощью разработанной модели эти испытания были повторены на компьютере.

На рисунках 2,3 показаны результаты испытаний по воздействию груза на кузов полувагона и сцепке груженых вагонов: красным – максимальные напряжения, но находящиеся в пределах запаса по нормативным документам; зеленым и желтым – допустимые напряжения.

По результатам проведенных исследований с учетом требований нормативных документов был сделан вывод о том, что вагон выдерживает предложенные нагрузки с запасом, а, соответственно, подтвердилась правильность разработки моделей.

В рамках испытаний на полигоне Качканар-Смычка Свердловской железной дороги также проводилась оценка накопления остаточных деформаций основной площадки земляного полотна.

Компьютерные испытания продемонстрировали интенсивность накопления остаточных деформаций 0,75 мм, что так же соответствует требованиям нормативных документов, а разброс данных составил всего 7%.

При проверке технического состояния грузового подвижного состава с осевой нагрузкой 27 тс в процессе компьютерного моделирования наблюдается следующая картина: вероятность безотказной работы полувагонов по отказам конструктивного и технологического характера составила 100 %, темпы износа гребней колес у инновационных вагонов меньше в 1,95 раза меньше.

Результаты работы/выводы

По результатам проведенной работы можно сделать вывод о том, что качественно исполненная компьютерная модель и испытания с ней могут быть с высокой долей достоверности использованы при замене части натурных испытаний, что позволит сократить расходы на постановку продукции на производство и, как следствие, снизить себестоимость выпускаемой продукции, что в свою скажется на отпускной цене продукта.