Разработка и реализация эффективных методик компьютерного исследования динамики и оптимизации параметров ходовых частей железнодорожных экипажей
Ковалев Р. В., Котов С. В., Симонов В. А., Ефимов В. П. Влияние параметров буксовых адаптеров для тележки типа 18−100 на показатели износа бандажей колесных пар и устойчивость движения грузовых вагонов. Вестник БГТУ. 2004. № 1(1). С. 147−155. Павлюков А. Э. Прогнозирование нагруженности ходовых частей грузовых вагонов повышенной грузоподъемности методами имитационного моделирования. Дисс. д-ра… Читать ещё >
Содержание
- 3. 4. 10. Выводы
Предложенная методика оптимизации колесных профилей показала свою работоспособность. Предложенные профили в сравнении с профилем ДМетИ обеспечивают снижение фактора износа до 10%, снижение боковых сил до 6%, улучшение коэффициента запаса устойчивости в прямых до 40%, увеличение на 2−4 м/с критической скорости экипажей при незначительном снижении контактных давлений и допустимых значениях коэффициента запаса устойчивости в кривых.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящей работе изложена методика автоматизированного анализа динамики и оптимизации параметров железнодорожных экипажей. Предложенная методика реализована в рамках программного комплекса «Универсальный механизм» и в настоящее время используется для проведения исследований в БГТУ, ООО ПК БМЗ, ОАО ЗРЭПС, ФГУП ВНИИЖТ, ФГУП ВНИКТИ, ФГУП Уралвагонзавод, УрГУПС, ИрГУПС, Силезском политехнический университете (Катовице, Польша).
Приведенные в работе примеры использования разработанного модуля параметрической многокритериальной оптимизации показывают возможность успешного применения разработанной методики в рамках решения прикладных задач оптимизации параметров ходовых частей железнодорожных экипажей.
Сформулируем основные результаты работы.
1. Разработана методика многопараметрической многокритериальной оптимизации железнодорожных экипажей. Методика базируется на использовании инструментов сканирования пространства параметров, поиска оптимальных значений параметров и аппроксимации целевой функции поверхностями второго порядка. Для решения задач многокритериальной оптимизации используется метод анализа иерархий.
2. В рамках предложенной методики разработан модуль параметрической оптимизации железнодорожных экипажей для программного комплекса «Универсальный механизм». Разработанный модуль включает службу распределенных вычислений для проведения параллельных расчетов в локальной сети, что соответствующим образом снижает затраты реального времени на проведение численных экспериментов.
3. Предложена методика анализа устойчивости движения железнодорожных экипажей и определения их критической скорости с точки зрения компьютерного моделирования.
4. Найдены оптимальные с точки зрения фактора износа и устойчивости движения грузовых вагонов параметры жесткости буксового подвешивания для тележек типа 18−100. Найденные значения продольной и поперечной жесткости составляю 1,5−2,5 и 10 МН/м, соответственно. Применение буксовых адаптеров с данными параметрами снижает рамные силы на 40%, силы отжатая на 20%, а интенсивность (среднеквадратическое отклонение) поперечных колебаний кузова на 60%.
5. Решена задача оптимизации геометрических параметров механизма радиальной установки колесных пар для перспективного магистрального локомотива производства ООО ПК БМЗ. Рекомендованные значения параметров позволяют обеспечить необходимую критическую скорость и снизить суммарный фактор износа в 1,5−2 раза.
6. Разработана методика оптимизации криволинейных профилей колесных пар. Методика позволяет учитывать различные внешние условия, в том числе тип экипажей, степень загруженности (для грузовых вагонов) и степень износа рельсов.
7. На основе разработанной методики оптимизации колесных профилей выбраны рациональные профили для грузовых вагонов на тележке 18−100. Предложенные профили в сравнении с профилем ДМетИ обеспечивают снижение фактора износа до 10%, снижение боковых сил до 6%, улучшение коэффициента запаса устойчивости в прямых до 40%, увеличение на 2−4 м/с критической скорости экипажей при незначительном снижении контактных давлений и допустимых значениях коэффициента запаса устойчивости в кривых.
Разработка и реализация эффективных методик компьютерного исследования динамики и оптимизации параметров ходовых частей железнодорожных экипажей (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
1. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976, 279 с.
2. Азарченков A.A., Расин Д. Ю. Моделирование процесса продольного соударения вагонов. // Сб. тез. док. 1-й Всероссийск. научно-техн. конф. студ. и асп. 24 26 марта 2004. г. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 244 с.
3. Андрейчиков A.B., Андрейчикова О. Н. Компьютерная поддержка изобретательства (методы, системы, примеры применения). М.: Машиностроение, 1998.-476 е.: ил.
4. Бахвалов Ю. А., Зарифьян A.A., Кашников В. Н., Колпахчьян П. Г. и др. Моделирование электромеханической системы электровоза с асинхронным тяговым приводом. Под ред. Е. М. Плохова. М.: Транспорт, 2001 — 286 с.
5. Богданов В. М., Горячев А. П., Горячева И. Г., Добычин М. Н. и др. Моделирование процессов контактирования, изнашивания и накопления повреждений в сопряжении колесо рельс//Трение и износ. — 1996. — Т. 17. — № 1. -С. 12−26.
6. Бороненко Ю. П., Орлова A.M. Обобщение накопленного опыта проектирования тележек грузовых вагонов для создания типоразмерного ряда. // Тез. докл. XI Межд. конф. «Проблемы механики железнодорожного транспорта». Днепропетровск, 2004.
7. Бузало Г. А. Математическое моделирование динамических процессов при пассивном и управляемом прохождении локомотивом криволинейных участков пути. Автореферат дисс.. канд. техн. наук. Ростов н/д.: 2003. 18 с.
8. Братчев Э. П. Определение оптимальных параметров рессорного подвешивания восьмиосных локомотивов: дисс.канд.техн. наук: 05.05.01.-Брянск, 1975.
9. Вальран О., Яшинский А. Исследование механических систем методами динамического моделирования//Железные дороги мира. 1987. — № 12. -С.365.
10. Васильев Ф. П. Численные методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1980, 515 с.
11. Галичев А. Г. Влияние триботехнического состояния колес и рельсов на динамику движения грузового тепловоза в режимах выбега и тяги. Дисс.. канд. техн. наук, Брянский гос. техн. ун-т. Брянск, 2002.
12. Гарг В. К., Дуккипати Р. В. Динамика подвижного состава: Пер. с англ. / Под ред. Н. А. Панькина. М.: Транспорт, 1988, 391с.
13. Гусейнов Ф. Г., Мамедяров О. С. Планирование эксперимента в задачах электроэнергетики. -М.: Энергоатомиздат, 1988.
14. Ефимов В. П., Пранов А. А. Модернизация тележки модели 18−100 эффективной путь повышения безопасности движения поездов. Тяжелое машиностроение, 12, 2003.
15. Ефимов В. П., Пранов A.A. Разработка и проведение комплекса испытаний тележки модели 18−578. // Тез. докл. XI Межд. конф. «Проблемы механики железнодорожного транспорта». Днепропетровск, 2004.
16. Загорский M.B. Обоснование конструкции и параметров экипажной части перспективного четырехосного тепловоза по тяговым и динамическим показателям. Дисс. на соискание уч. степ, к.т.н. Брянск, 2003.
17. Загорский М. В., Никифоров Н. И., Симонов В. А. Исследование влияния параметров механизма радиальной установки колесных пар на ходовую динамику тепловоза // Вестник ВУГУ. Сер. Транспорт. 2002. № 6 (52). С. 65−69.
18. Исследование взаимодействия пути и подвижного состава в США // Железные дороги мира. 1991. № 9. С. 45−48.
19. Калей С., Сэмюэлс Дж. Улучшение взаимодействия подвижного состава и пути. Железные дороги мира. № 2. 2003.
20. Камаев В. А. Оптимизация параметров ходовых частей, определяющих динамические качества железнодорожных экипажей. Дисс.. д-ра техн. наукБрянск, 1975.
21. Камаев В. А. Оптимизация параметров ходовых частей железнодорожного подвижного состава. -М. Машиностроение, 1980.
22. Качурин A.A. Планирование и анализ эксперимента. Тула, Тульский ордена Трудового Красного знамени политехнический институт, 1981, 87 с.
23. Кобищанов В. В., Антипин Д. Я., Забелин А. Л. Оценка динамической на-груженности несущих конструкций кузовов вагонов // Труды IV научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», МГУПС (МИИТ), 2003, С. IV-41.
24. Ковалев Р. В., Котов С. В., Симонов В. А., Ефимов В. П. Влияние параметров буксовых адаптеров для тележки типа 18−100 на показатели износа бандажей колесных пар и устойчивость движения грузовых вагонов. Вестник БГТУ. 2004. № 1(1). С. 147−155.
25. Коган, А .Я. Динамика пути и его взаимодействие с подвижным составом. -М.: Транспорт, 1997. 326 с.
26. Коссов B.C. Работы ВНИКТИ по созданию трехэлементной тележки для грузовых вагонов с осевой нагрузкой 245 кН. // Тез. докл. XI Межд. конф.
27. Проблемы механики железнодорожного транспорта". Днепропетровск, 2004.
28. Коссов B.C. Снижение нагруженности ходовых частей локомотива и пути. Дисс.. д-ра техн. наук. Коломна, 2001.
29. Лазарян В. А., Длугач Л. А., Коротенко М. Л. Устойчивость движения рельсовых экипажей. Киев: Наукова думка, 1974.
30. Левков Г. В. Анализ конструктивных и технологических недостатков проводимой модернизации тележки 18−100. // Тез. докл. XI Международной конференции «Проблемы механики железнодорожного транспорта». Днепропетровск, 2004.
31. Михальченко Г. С. Разработка методологии выбора структуры и параметров ходовой части мощных магистральных локомотивов и ее реализации на примере проектирования восьмиосных тепловозов. Дисс.. д-ра техн. наук. Брянск, 1986.
32. Михальченко Г. С., Погорелов Д. Ю., Симонов В. А. Совершенствование динамических качеств подвижного состава железных дорог средствами компьютерного моделирования. Тяжелое машиностроение, 12, 2003, С. 2−6.
33. Михальченко Г. С., Погорелов Д. Ю., Симонов В. А., Круговых A.B., Симонов В. В. Исследование пространственных колебаний рельсовых экипажей с использованием программного комплекса «Универсальный механизм» //.
34. Проблемы механики железнодорожного транспорта: Динамика, надёжность и безопасность подвижного состава: Тез. докл. IX Междунар. конф. -Днепропетровск: ДГТУ, 1996. С. 107−108.
35. Никифоров Б. Д. Причины и способы предупреждения износа гребней ко-лёс//Железнодорожный транспорт. 1995. — № 2. — С.30−35.
36. Орлова A.M. Обоснование возможности реализации рациональной горизонтальной жесткости тележки трехэлементной конструкции. // Тез. докл. XI Межд. конф. «Проблемы механики железнодорожного транспорта». Днепропетровск, 2004.
37. Оценка безопасности движения вагонов при отклонениях от норм содержания ходовых частей и пути. М.: Глобус, 2003, 257 с.
38. Павлюков А. Э. Прогнозирование нагруженности ходовых частей грузовых вагонов повышенной грузоподъемности методами имитационного моделирования. Дисс.. д-ра техн. наук: 05.22.07 / Уральский гос. ун-т путей сообщения. Екатеринбург, 2002.
39. Погорелов Д. Ю.
Введение
в моделирование динамики систем тел. Брянск: БГТУ, 1996. 156 с.
40. Погорелов Д. Ю. Компьютерное моделирование динамики рельсовых экипажей // Сб. докл. междунар. конгресса «Механика и трибология транспортных систем 2003»: В 2 т. — Ростов-на-Дону, 2003. — Т. 2, С. 226−232.
41. Погорелов Д. Ю., Павлюков А. Э., ЮдаковаТ.А., Котов C.B. Моделирование контактных взаимодействий в задачах динамики систем тел / Динамика, прочность и надежность транспортных машин: Сб. науч. тр. / Под ред. В. И. Сакало. Брянск: БГТУ, 2001. С. 11−23.
42. Подвесовский А. Г. Автоматизация многокритериального выбора технических решений на основе применения нечетких моделей различных типов. Дисс. на соиск. учен, степени кандидата технических наук. БГТУ. 2001.
43. Полак Э. Численные методы оптимизации: единый подход.-М.: Мир, 1974, 369 с.
44. Поляк Б. Т.
Введение
в оптимизацию. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1983. — 384 с.
45. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ. М.: Мир, 1986.-320 е., ил.
46. Ромен Ю. С., Белоусов A.B. Влияние сил крипа на процессы взаимодействия в системе колесо рельс. // Проблемы механики железнодорожного транспорта. Днепропетровск, 2004 г., С. 141.
47. Руководство пользователя к программному комплексу «Универсальный механизм». Доступно по адресу http://www.umlab.ru.
48. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий: Пер. с англ. М.: «Радио и связь», 1993. 320 с.
49. Сакало В. П., Коссов B.C. Контактные задачи железнодорожного транспорта. М.: Машиностроение, 2004. — 496 е., ил.
50. Симонов В. А. Обоснование выбора технических решений в задачах проектирования подвижного состава: Учебное пособие. Брянск, изд. БИТМа, 1986 г.-64 с.
51. Сладковский А. В. К вопросу контактного взаимодействия колес и рельсов // Сборник научных трудов НГУ. Днепропетровск: Национальный горный университет, 2004. 19, т. 4. С. 91−99.
52. Сладковский A.B. Снижение износа колесных пар на магистральном и промышленном транспорте. Днепропетровск: Полиграфист, 1997. — 108 с.
53. Сладковский А., Ситаж М., Сладковская О. Исследование пластического деформирования контактирующих поверхностей колеса и рельса. Вестник Восточноукраинского национального университета. 2003. т. 10 (68) ч.1. С. 121−126.
54. Тихомиров В. Б. Планирование и анализ эксперимента. М: Легкая индустрия, 1974.
55. Ушканов В. Ф., Гриценко Д. И., Пасичник С. С. Установка дополнительных элементов при комплексной модернизации тележек грузовых вагонов. // Тез. докл. XI Межд. конф. «Проблемы механики железнодорожного транспорта». Днепропетровск, 2004.
56. Ушкалов В. Ф., Жечев М. М., Маккисик А. Д. Явление «jamming» в динамике вагона с тележками 18−100. Вестник ВНИИЖТ, № 2, 2004.
57. Федоров В. В. Теория оптимального эксперимента (планирование регрессионных экспериментов). -М.: Наука, 1971, 312 с.
58. Харрис У.Дж., Захаров С. М., Ландгрен Дж., Турне X., Эберсен В. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса: Пер. с англ./ М.: Интекст, 2002. 408 с.
59. Хусидов В. Д., Заславский Л. В., Тхуан Чан Фу, Хусидов В. В. Цифровое моделирование колебаний пассажирского вагона при движении по прямым и криволинейным участкам пути. Вестник ВНИИЖТ. 1995, № 3. С. 18−25.
60. Черкашин Ю. М., Шестаков A.A. Об устойчивости движения железнодорожного подвижного состава. Труды ВНИИЖТ, выпуск 649: М./ «Транспорт», 1982. С. 4249.
61. Языков В. Н. Применение модели негерцевского контакта колеса с рельсом для оценки динамических качеств и показателей износа колес грузового тепловоза. Дисс.. канд. техн. наук, Брянский гос. техн. ун-т. Брянск, 2004.
62. Bakr M.H., Bandler J.W., Madsen K., Sondergaard J. An Introduction to the Space Mapping Technique. Optimization and Engineering, 2, 369−384, 2001.
63. Bestie D., Eberhard P. Analyzing and optimizing multibody systems. Mech. struct. & mach., 20 (1), 67−92, 1992.
64. Bestie D., Eberhard P. Automated approach for optimizing dynamic systems. International Series of Numerical Mathematics, Vol. 115, 1994 Birkhauser Verlag Basel.
65. Bestie D., Eberhard P. Multi-criteria multi-model design optimization. Bestie D. and Schielen W. (eds.), IUTAM Symposium on Optimization of Mechanical Systems, 33−40, Kluwer Academic Publishers, 1996.
66. Boronenko Y.P., Tretyakov A.V., Lescitchy V.S., Orlova A.M. Modeling the Dynamics of Russian Railroad Vehicles with MEDYNA. http://www.mesco.com.pl/produkty/adams/literatura/publikacjeopis.htm.
67. Eberhard P., Dignath F., Kuebler L. Parallel Evolutionary Optimization of Multibody Systems with Application to Railway Dynamics. Multibody System Dynamics, 9, 143−164, 2003.
68. Eriksson P., Arora J.S. A comparison of global optimization algorithms applied to a ride comfort optimization problem. Structural and Multidisciplinary Optimization, Vol. 24, pp. 157−167, 2002.
69. Etman, L., Campen, D., and Schoofs, A. Design Optimization of Multibody Systems by Sequential Approximation. Multibody System Dynamics 2: 393−415, 1998.
70. Garivaltis D.S., Gark V.K., D’Souza A.F. Dynamic Response of a Six-axle Locomotive to Random Track Impuls. «Vehicle System Dynamics», 1980, 3, 117−147.
71. Goncalves J.P.C., Ambrosio J.A.C. Optimization of Vehicle Suspension Systems for Improved Comfort of Road Vehicles Using Flexible Multibody Dynamics. Nonlinear Dynamics 34: 113−131, 2003.
72. Hansen J.M. and Tortorelli D.A. An efficient method for synthesis of mechanisms using an optimization method. Optimization of Mechanical System, D. Bestle and W. Schiehlen (eds), Kluwer Academic Publisher, Dortrecht, 1996, 129−138.
73. Havlicek V., Russ D. Some Problems of Dynamics of Locomotive. Inst. Of Mechanical Eng., 1975, p. 841−845.
74. Holland J. Genetic algorithms and the optimal allocations of trials, SIAM Journal of Computing, vol 2, no 2, pp. 88−105, 1973.
75. Iwnicki S.D. The Manchester Benchmarks for Rail Vehicle Simulation. Department of Mechanical Engineering, Manchester Metropolitan University, England, Supplement to Vehicle System Dynamics, Vol. 31, ISSN 0042−3114, Swets & Zeitlinger 1999.
76. Jin R., Chen W., Simpson T.W. Comparative studies of metamodelling techniques under multiple modeling criteria. Structural and Multidisciplinary Optimization, Vol. 23, pp. 1−13, 2001.
77. Jones D. R., Perttunen C. D., and Stuckman В. E. Lipschitzian optimization without the Lipschitz constant. J. Optim. Theory Appl. vol. 79, no. 1, pp. 157 181, 1993.
78. Kack Jan-Erik Constrained Global Optimization with Radial Basis Functions. Research Report MdH-Mia-2004. Department of Mathematics and Physics. Ma-lardalen University. Sweden. 2004.
79. Kalker J.J., Piotrowski J. Some New Results in Rolling Contact//Vehicle System Dynamics, 18(1989), pp 223−242.
80. Kik W., Piotrowski J. A Fast, Approximate method to calculate normal load at contact between wheel and rail and creep forces during rolling. 2nd Miniconf. on contact mechanics and wear of rail/wheel systems, Budapest, July, 29−31. 1996.
81. Kirkpatrick S., Gelatt C.D., Vecchi M.P. Optimization by simulated annealing. Science, vol. 220, pp. 671−680, 1983.
82. Marler R.T. and Arora J.S. Survey of multi-objective optimization methods for engineering. Structural and Multidisciplinary Optimization, Vol. 26, pp. 369 395, 2004.
83. Nakayama H., Arakawa M., Sasaki R. Simulation-Based Optimization Using Computational Intelligence. Optimization and Engineering, vol. 3, pp. 201−214, 2002.
84. Persson I., Iwnicki S. Optimization of Railway Wheel Profiles Using A Genetic Algorithm. // Extensive summaries of 18th IAVSD Symposium «Dynamics of vehicles on roads and tracks», Japan, 2003.
85. Safety of Railroad Passenger Vehicle Dynamics. Final Summary Report. U.S. Department of Transportation, Federal Railroad Administration, 2002, 53 c.
86. Scheffel H. Unconventional Bogie Designs Their Practical and Historical Background // Vehicle System Dynamics. 1995. Vol. 24. № 6. P. 497−524.
87. Schiehlen W., Multibody System Dynamics: Roots and Perspectives. Multibody system dynamics 1: 149−188, 1997.
88. Schiehlen W. (Ed.) Multibody system handbook. Berlin.: Springer Verlag, 1990.
89. Schneider R. «Neiko» und «Navigator» neuere Lauftechnische Entwicklungen in der Schweiz // ZEV + DET Glasers — Annalen. 1992. № 8/9. P. 355−373.
90. Shen G., Ayasse J.B., Chollet H., Pratt I. A unique design method for wheel profiles by considering the contact angle function. Proc. Inst. Mech. Engrs Vol. 217 Part F: Rail and Rapid Transit.
91. Shen Z.Y., Hedrick J.K., Elkins J.A. A comparison of alternative creep-forcexLmodels for rail vehicle dynamic analysis, The Dynamics of Vehicles, Proc. 8 IAVSD Symp., 1984, Hedrick J.K. (ed.), Cambridge, MA, Swets and Zeitlinger, Lisse, pp. 591−605.
92. Shevtsov I.Y., Markine V.L., Esveld C. Optimal design of wheel profile for railway vehicles. // 6th International conference on contact mechanics and wear of rail/wheel systems (CM2003) in Gothenburg, Sweden, June 10−13, 2003.
93. Svenson C.A. Locomotive radial steering bogie experience in heavy haul service. STS-Conference IHHA «Wheel/Rail interface», conf. proc., vol. 1. Moscow, Russia, 1999.
94. Shyman J. A., An improved version of the original Leap-Frog dynamic method for unconstrained minimization: LFOPl (b). Appl. Math. Modelling vol. 7, pp. 216−218, 1983.
95. Trosset M.W. What is Simulated Annealing? Optimization and Engineering, vol. 2, pp. 201−213,2001.