F - Instytut Kolejnictwa

Transkrypt

Politechnika Warszawska
Wydział Transportu
Wpływ losowych nierówności geometrycznych toru
na komfort jazdy i bezpieczeństwo
pojazdu szynowego
Ewa Kardas-Cinal
Wydział Transportu Politechniki Warszawskiej
Zakład Podstaw Budowy Urządzeń Transportowych
Instytut Kolejnictwa
Warszawa 14.10.2014
Plan wystąpienia
2/40
1. Wprowadzenie
2. Zakres prowadzonych badań
3. Model układu pojazd szynowy-tor
4. Zagadnienie komfortu jazdy, metody badawcze, wyniki
symulacji
5. Wpływ wybranych parametrów układu pojazd szynowy-tor na
bezpieczeństwo jazdy pojazdy szynowego
6. Opracowane metody badania związków między wymuszeniami
kinematycznymi a odpowiedziami dynamicznymi układu
pojazd szynowy - tor
7. Podsumowanie
Pierwsza linia kolejowa (Wielka Brytania)…
3/40
1825 - George Stephenson brytyjski inżynier, pierwszy projektant
współczesnej lokomotywy parowej, uruchomił pierwszą
linię kolei publicznej łączącą Stockton z Darlington
(dowód na możliwość funkcjonowania
parowozu
ciągnącego
znaczną
masę wyłącznie z wykorzystaniem
tarcia między kołem i szyną)
Rysunek Rakiety Stephensona,
Mechanics magazine, 1829.
George Stephenson
(1781-1848)
Parowóz Rakieta (1829), w którym użyto
płomieniówkowy (wielorurowy) kocioł
(Marca Seguina), max.predkośc 48 km/h
Science Museum, London
Pierwsza linia kolejowa (Wielka Brytania)…
4/40
15 września1830 roku - została otwarta pierwsza linia trakcji wyłącznie parowej,
łącząca Liverpool z Manchesterem (L&MR)
The first passenger carriage in Europe,
1830, George Stephenson´s steam
locomotive, L&MR, rys. z 1910 r.
Obraz inauguracji podróży koleją
Liverpool-Manchester, A.B. Clayton
Pierwszy śmiertelny wypadek kolejowy na otwarciu kolei L&MR William Huskisson (przedstawiciel Parlamentu z Liverpoolu potrącony przez
parowóz Rocket podczas przywitania się z premierem Dukem Wellingtonem.
Wprowadzenie
Dynamika pojazdu szynowego (w tym oddziaływanie koło-szyna)
Berg M., Bogacz R., Clark R.A., Esveld K., Elkins J., Gąsowski W., Iwnicki S.,
Kalker J.J.(1967), Kik W. , Klingel W. (1883), Knothe K., Nadal J.(1896),
Piotrowski J., Polach O., Romaniszyn Z., Schiehlen W., Shabana A.A.,
True H., Wickens A., Weinstock H. , Wu H.
Komfort jazdy
Chielli F., Engel Z., Griffin M.J., Da Silva G., Suzuki H.
Wydział Transportu PW (prace od lat osiemdziesiątych XX wieku)
Choromański W., Chudzikiewicz A., Droździel J., Kisilowski J., Sowiński B.,
Towpik K., Zboiński K., Żochowski A.
Ośrodki w Polsce zajmujące się zagadnieniami dynamiki pojazdów szynowych
oraz badaniami drgań i hałasu
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Katedra Mechaniki i Wibroakustyki
Instytut Kolejnictwa (wcześniej CNTK), Laboratorium Badań Taboru, Warszawa
Instytut Pojazdów Szynowych TABOR, Poznań
Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny
Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu
Politechnika Śląska, Wydział Transportu
5/40
Publikacje własne związane z tematyką seminarium
komfort
jazdy
6/40
bezpieczeństwo jazdy
wpływ wybranych
parametrów
analiza
widmowa
analiza
statystyczna
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
30 prace (27 autorskich)
Cel i zakres badań
7/40
Opracowanie elementów metodyki badania komfortu i bezpieczeństwa jazdy
pojazdu szynowego,
przy szczególnym uwzględnieniu losowych nierówności geometrycznych toru,
z wykorzystaniem matematycznego aparatu analizy widmowej i statystycznej.
Symulacyjne badania bezpieczeństwa i komfortu jazdy przy użyciu modelu
matematycznego układu pojazd szynowy – tor, uwzględniającego
rzeczywistą geometrię toru.
Analiza odpowiedzi dynamicznych układu wyznaczonych
w symulacjach numerycznych ruchu pojazdu szynowego
w obecności losowych nierówności geometrycznych toru.
Opracowanie autorskich metod probabilistycznych badania zagadnienia
bezpieczeństwa jazdy, w szczególności związku pomiędzy nierównościami
geometrycznymi toru a wystąpieniem niebezpieczeństwa wykolejenia.
Elementy prowadzonych badań, metody badawcze (1) 8/40
A. Symulacyjna metoda wyznaczania odpowiedzi dynamicznych układu
mechanicznego pojazd szynowy – tor
• Model układu pojazd szynowy – tor
• Metoda wyznaczania gęstości widmowej mocy nierówności
geometrycznych toru i odpowiedzi dynamicznych
B. Bezpieczeństwo jazdy pojazdu szynowego
• Metody badawcze stosowane do oceny bezpieczeństwa jazdy
• Symulacyjna metoda badania bezpieczeństwa przeciw wykolejeniu
• Wpływ parametrów układu pojazd szynowy – tor na odpowiedzi dynamiczne
związane z bezpieczeństwem jazdy
C. Badania symulacyjne komfortu jazdy
• Zagadnienie komfortu jazdy – ogólna charakterystyka, wskaźniki
• Symulacyjne metody oceny komfortu
• Wpływ parametrów układu pojazd szynowy – tor na odpowiedzi dynamiczne
związane z komfortem jazdy
D. Probabilistyczne metody badania wymuszeń kinematycznych
i odpowiedzi dynamicznych układu pojazd szynowy – tor
Elementy prowadzonych badań, metody badawcze (2) 9/40
D. Probabilistyczne metody badania wymuszeń kinematycznych
i odpowiedzi dynamicznych układu pojazd szynowy – tor
• Analiza widmowa współczynnika wykolejenia
• Wpływ wężykowania zestawów kołowych na strukturę gęstości
widmowej mocy współczynnika wykolejenia
• Analiza widmowa zależności odpowiedzi dynamicznych układu od
nierówności geometrycznych toru
• Statystyczna metoda badania wpływu lokalnych nierówności
geometrycznych toru na bezpieczeństwo jazdy
• Schemat badań bezpieczeństwa jazdy przy użyciu metod
probabilistycznych
E. Kardas-Cinal : Bezpieczeństwo i komfort jazdy pojazdu szynowego
z uwzględnieniem losowych nierówności geometrycznych toru,
Prace Naukowe Transport z. 94, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2013
Schemat badań
10/40
Model matematyczny układu pojazdu szynowego szynowy - tor
Wyniki symulacji
przyspieszenia nadwozia
kryteria
komfortu
jazdy
wg norm
PN, ISO
siły w kontakcie koło/szyna, Y/Q
parametry
układu
nierówności
geometryczne
toru
kryteria bezpieczeństwa
jazdy wg norm UIC,EN
analiza widmowa
współczynnika wykolejenia
analiza statystyczna
lokalnych nierówności toru
Ocena odpowiedzi dynamicznych pojazdu
(w tym ocena komfortu i bezpieczeństwa jazdy)
Model układu pojazd szynowy-tor (1)
2
y
d
Ogólna postać równań ruchu:
= F [ y, dy dt ,ξ, dξ dt ],
2
dt
gdzie y = ( y1 , y2 ,…, y27 ) - współrzędne modelu, t - czas
Wagon pasażerski (wózki konwencjonalne),
27 stopni swobody
Dwustopniowe zawieszenie,
liniowe charakterystyki
połączeń sprężysto - tłumiących,
Siły w punkcie kontaktu koło/szyna
wg algorytmu FASTSIM
(uproszczona teoria kontaktu Kalkera)
11/40
12/40
Model układu pojazd szynowy - tor (2)
Losowe nierówności geometryczne toru
(realizacje stacjonarnych i ergodycznych
procesów stochastycznych)
ξ ( x ) = ( yw , zw , hw ,2l )
Widmowe gęstości mocy
(obliczane przy użyciu
metody periodogramu Welcha)
S yw [m −3 ]
5x10-5
-3
Syw (m )
yw − poprzeczne nierówności
zw − pionowe nierówności
3x10-5
2x10-5
QN2
10-5
hw − przechyłka toru
0
2l − szerokość toru
0.00
0.05
S zw [m 8x10]
-3
Szw (m )
yw
0.15
0.20
QN2
-5
6x10-5
0.10
fs (1/m)
-4
−310
x − położenie wzdłuż toru
zw
QN1
4x10-5
QN1
4x10-5
2x10-5
hw
0
0.00
2l0
cl
0.05
0.10
0.15
0.20
f s [m −1 ]
fs (1/m)
cp
QN1, QN2 – klasy utrzymania toru
Zagadnienie komfortu jazdy
Czynniki wpływające na komfort jazdy
- drgania,
- temperatura,
-
hałas,
jakość powietrza (wilgotność, zapach, przepływ),
pozycja pasażera; jakość siedziska,
oświetlenie,
czas oddziaływania w/w czynników,
struktura przestrzenna (wymiary),
inne np. efekty wizualne (np. estetyka wnętrza),
psychologiczne (indywidualna wrażliwość).
Ocena komfortu jazdy (drgania) na podstawie przyspieszeń nadwozia
- metoda widmowa
- metoda ważona
wg normy ISO 2631-1 i zgodnej z nią normy PN 91/S-04100
13/40
14/40
14/40
Komfort jazdy – analiza widmowa
a yb;rms ( f ), a zb;rms ( f )
Przyspieszenia skuteczne (RMS) nadwozia
w pasmach tercjowych ( f − ∆f / 2, f + ∆f / 2), gdzie ∆f = 0.213 f ,

aη ;rms ( f ) =  ∫ Sη ( f ') df

 f −∆f /2
f +∆f /2
1/2

'


(η = yb , zb )
0.6
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
2
azb;rms (m/s )
2
ayb;rms (m/s )
dla częstotliwości środkowych f z zakresu od 0.8 Hz do 80 Hz podanych w
normach PN 91/S-04100 i ISO 2631-1, określającymi komfort jazdy
a yb;rms ( f )
0.3
0.2
gr. komfortu
gr. uciążliwości
0.1
azb;rms ( f )
gr. komfortu
0.3
gr. uciążliwości
0.2
0.1
0.0
0.0
0
5
10
f (Hz)
15
20
0
5
10
f (Hz)
15
20
Komfort jazdy - metoda ważona
15/40
1/2
1/2




2
2
2
aη ;w ( f ) =  ∫ Sη ( f ) wη ( f )df  =  ∑ aη ;rms ( f k ) wη ( f k ) 
(η = yb , zb )
f

 k

 min

ważone przyspieszenie skuteczne
suma po pasmach tercjowych
f max
wη ( f ) - współczynnik korekcji
f k - częstości środkowe pasm
1.2
1.0
f min = 0.8 Hz
w_y
w_z
wy , wz
0.8
f max = 80 Hz
0.6
0.4
wg PN 91/S-04100 i ISO 2631-1
0.2
0.0
0
5
10
15
20
f (Hz)
Wyniki badań symulacyjnych
Komfort jazdy - schemat badań symulacyjnych
16/40
Wyniki symulacji – przyspieszenia
nadwozia (poprzeczne i pionowe)
Analiza widmowa - przyspieszenia
skuteczne w pasmach tercjowych
Syntetyczna ocena komfortu –
ważone przyspieszenia skuteczne
prędkość jazdy
stan toru
v=80-200 km/h
• dobry QN1,
średni QN2
• modyfikacja
nierówności toru
położenie punktów
pomiarowych ( pasażera)
-8.75 -5.0
0.0
5.0
8.75
x [m]
y
v
17/40
Komfort jazdy – analiza widmowa – wyniki (1)
dobry stan utrzymania toru QN1
różne położenia pasażera
dobry stan utrzymania toru, v=80 km/h
0.08
(x, y, z) [m]
v = 80 km/h
(-8.75, 0, 0)
(-5.0, 0, 0)
(0, 0, 0)
(5.0, 0, 0)
(8.75, 0, 0)
gr. komfortu
gr. uciążliwości
2
ayb;rms (m/s )
0.06
0.04
-8.75 -5.0
0.02
0.0
x [m]
5.0 8.75
0.00
0
2
4
6
8
10
12
a yb;rms ( f )
f (Hz)
v = 120(-8.75,
km/h
0, 0)
0.12
(-5.0, 0, 0)
(0, 0, 0)
(5.0, 0, 0)
(8.75, 0, 0)
gr. komfortu
gr. uciążliwości
(-8.75, 0, 0)
(-5.0, 0, 0)
(0, 0, 0)
(5.0, 0, 0)
(8.75, 0, 0)
gr. komfortu
gr. uciążliwości
0.10
0.08
v = 200 km/h
0.4
2
0.14
ayb;rms (m/s )
2
ayb;rms (m/s )
dobry stan utrzymania toru, v=200 km/h
(x, y, z) [m]
0.06
0.04
0.3
0.2
0.1
0.02
0.00
0
2
4
6
f (Hz)
8
10
12
0.0
0
2
4
6
f (Hz)
8
10
17/40
12
18/40
Komfort jazdy – analiza widmowa – wyniki (2)
średni stan utrzymania toru, v=80 km/h
0.12
0.10
2
ayb;rms (m/s )
średni stan utrzymania toru QN2
różne położenia pasażera
(x, y, z) [m]
v = 80
km/h
(-8.75, 0, 0)
(-5.0, 0, 0)
(0, 0, 0)
(5.0, 0, 0)
(8.75, 0, 0)
gr. komfortu
gr. uciążliwości
0.08
0.06
0.04
-8.75 -5.0
0.0
x [m]
5.0 8.75
0.02
0.00
0
5
10
15
20
25
30
a yb;rms ( f )
f (Hz)
0.12
(x, y, z) [m]
0.20
(-8.75, 0, 0)
v = 120
(-5.0,
km/h
0, 0)
0.08
0.06
0.04
(-5.0, 0, 0)
(0, 0, 0)
(5.0, 0, 0)
(8.75, 0, 0)
gr. komfortu
gr. uciążliwości
0.15
2
(0, 0, 0)
(5.0, 0, 0)
(8.75, 0, 0)
gr. komfortu
gr. uciążliwości
ayb;rms (m/s )
2
ayb;rms (m/s )
0.10
(x, y, z) [m]
v = 160
km/h
(-8.75, 0, 0)
0.10
0.05
0.02
0.00
0
5
10
15
f (Hz)
20
25
30
0.00
0
5
10
15
f (Hz)
20
25
30
19/40
Komfort jazdy – analiza ważona – wyniki (1)
Wpływ prędkości, stanu utrzymania toru i położenia pasażera
a yb;w - ważone przyspieszenia w kierunku poprzecznym
dobry
stanutrzymania
utrzymania
dobry stan
toru toru
(-8.75, 0, 0)
(-5.0, 0, 0)
(0, 0, 0)
(5.0, 0, 0)
(8.75, 0, 0)
gr. komfortu
0.3
ayb;w (m/s2)
średni
utrzymania
średni
stanstan
utrzymania
toru
(x, y, z) [m]
0.2
0.1
0.1
0.0
0.0
80
100
120
140
160
180
(-8.75, 0, 0)
(-5.0, 0, 0)
(0, 0, 0)
(5.0, 0, 0)
(8.75, 0, 0)
gr. komfortu
0.3
0.2
80
200
toru
100
v [km/h]
120
140
160
180
200
v [km/h]
-8.75 -5.0
0.0
5.0 8.75
x [m]
19/40
20/40
Komfort jazdy – analiza ważona – wyniki (2)
Wpływ prędkości, stanu utrzymania toru i położenia pasażera
a zb;w - ważone przyspieszenia w kierunku pionowym
średni
utrzymania
średni
stanstan
utrzymania
toru
dobry
dobrystan
stan utrzymania
utrzymania torutoru
(-8.75, 0, 0)
(-5.0, 0, 0)
(0, 0, 0)
(5.0, 0, 0)
(8.75, 0, 0)
gr. komfortu
azb;w (m/s2)
0.4
0.3
0.3
0.2
0.1
0.1
0.0
(-8.75, 0, 0)
(-5.0, 0, 0)
(0, 0, 0)
(5.0, 0, 0)
(8.75, 0, 0)
gr. komfortu
0.4
0.2
toru
0.0
80
100
120
140
160
v [km/h]
180
200
80
100
120
140
160
180
200
v [km/h]
Największe wartości przyspieszeń otrzymano dla skrajnych położeń pasażera
dla kierunku poprzecznego – w tylnej i przedniej części nadwozia,
dla kierunku pionowego – w przedniej części nadwozia.
Komfort jazdy – wnioski
21/40
Wzrost prędkości jazdy v powoduje wzrost wartości przyspieszeń
skutecznych w całym zakresie częstotliwości
Stan toru wpływa znacznie na amplitudę oraz na rozkład widmowy
przyspieszeń skutecznych (silniejszy wpływ dla kierunku poprzecznego).
Położenie punktu pomiarowego wpływa bardzo istotnie na przyspieszenia
skuteczne w całym zakresie f , szczególnie dla kierunku poprzecznego.
Syntetyczny wskaźnik oceny komfortu jazdy (przyspieszenie ważone)
nie pozwala na tak szczegółową ocenę komfortu jak analiza widmowa
(przyspieszenia skuteczne w pasmach tercjowych).
Przyspieszenia ważone mogą nie przekraczać granicy komfortu,
podczas, gdy przyspieszenia skuteczne mogą ją przekroczyć dla
niektórych częstotliwości.
22/40
22/40
Ocena bezpieczeństwa jazdy
Kryterium bezpieczeństwa przeciw wykolejeniu (J. Nadal) bazujące na zasadzie statycznej równowagi sił
vy
Y
Q
Y
γ
Y 
Y
tgγ − µ
<   =
Q  Q lim 1 + µ tgγ
N
- siła poprzeczna
Q - siła pionowa
µ - współczynnik tarcia
γ - kąt pochylenia obrzeża
F
Modyfikacje kryterium Nadala
uwzględnienie przedziału czasu ∆t (odcinka toru ∆x), w którym
Y/Q przekracza wartość graniczną (Y/Q)lim aby zachodziło
niebezpieczeństwo wykolejenia (normy UIC, EN, AAR, FRA)
ψ
zależność od kąta nabiegania ψ:
- J. Elkins, H.Wu (2000)
(Y / Q )lim = f (ψ )
- TRCP report 71 (AAR 2005)
(Y / Q )lim = f1 (ψ ),
∆x = f 2 (ψ )
Ocena bezpieczeństwa jazdy – karta UIC i norma EN
23/40
Union Internationale des Chemins (UIC) - Międzynarodowy Związek Kolei
UIC Code 518
Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic
behaviour - Safety – Track fatigue-Ride quality, 2003
European Committee For Standardization , EN 14363
Railway applications - Testing for the acceptance of running characteristics of
railway vehicles - testing of running behaviour and stationary tests, 2005
Wartość 99.85-centylowa średniej ruchomej(Y / Q) ∆x 0.9985
obliczonej przy użyciu okna (odcinek toru) ∆x = 2m
nie może przekraczać (Y / Q)lim = 0.8
Ocena bezpieczeństwa jazdy wg powyższego kryterium wchodzi w zakres badań
koniecznych do uzyskania świadectw dopuszczenia do eksploatacji pojazdów
szynowych zgodnie z rozporządzeniem Ministra Transportu (Dziennik Ustaw Nr
179, Poz. 1276 z 2007).
23/40
Symulacyjna metoda badania bezpieczeństwa przeciw wykolejeniu (1)
24/40
Zgodnie z kartą UIC 518 oraz normą EN14364
Y /Q
(Y / Q ) 2 m
F ((Y / Q ) 2m )
(Y / Q )2 m 0.9985 ≤ 0.8
dystrybuanta
wartość 99.85 centyla
średnia ruchoma
z oknem ∆x=2m
Y /Q
(Y / Q ) 2 m
x(m)
x(m)
25/40
Średnia ruchoma
(Y / Q )2 m
Dystrybuanta
Linie przerywane oznaczają wartość centylową (Y / Q )2 m
F ( −(Y / Q ) 2 m )
0.9985
26/40
Modyfikacja szerokości okna Δx (drogi wykolejenia)
(E. Kardas-Cinal, 2008)
okno Δx
(Y / Q ) ∆x
0.9985
4.0m
2.0m
1.2m
0.8m
0.4m
x (m)
UIC Code 518, EN 14363:
∆x =2 m,
Association of American Railroads (AAR, USA): ∆t =0.05 s,
Federal Railroad Administration (FRA, USA):
∆x =5ft=1.52m,
(Y/Q)lim = 0.8
(Y/Q)lim = 1.0
(Y/Q)lim – wzór Nadala
Bezpieczeństwo jazdy – analiza wyników symulacji (1) 27/40
27/40
Wpływ prędkości jazdy
Wartości (Y / Q )2m 0.9985 dla różnych prędkości jazdy dla:
(a) zestawu prowadzącego wózka przedniego
(b) zestawu wleczonego wózka przedniego.
wózek
przedni
tylny
zestaw
v=80 km/h
v=120 km/h
v=160 km/h
v=200 km/h
prowadzący
0.266
0.321
0.411
0.650
wleczony
0.105
0.134
0.236
0.482
prowadzący
0.265
0.326
0.412
0.660
wleczony
0.106
0.134
0.236
0.483
28/40
Wpływ parametrów zawieszenia na
(1-go stopnia)
wózek
przedni/
tylny
wózek
czz , k zy
czz , k zy
zestaw
nominalne
wartości
prowadzący
0.411
wleczony
0.236
zestaw
czz= 0
0.9985
(2-go stopnia)
cny , knz
2 czz , nom
1
k zy , nom
2
2 k zy , nom
0.550
0.409
0.400
0.411
0.509
0.136
0.307
0.181
1
cny , nom
2
1
knz , nom
2
3
knz , nom
2
kNs/m
cny , knz
c
nominalne ny = 0
wartości
przedni/
tylny
oraz
(Y / Q )2 m
kNs/m
prowadzący
0.411
0.444
0.426
0.413
0.466
wleczony
0.236
0.257
0.236
0.234
0.212
Wprowadzone zmiany współczynników sprężystości i tłumienia
zmieniają wartości Y/Q w nieznacznym stopniu,
z wyjątkiem przypadku awarii tłumika pionowego zawieszenia 1-go stopniu
29/40
Zależność od stanu toru (modyfikacja amplitudy nierówności toru)
Wartości (Y / Q )2 m 0.9985 dla pionowych i poprzecznych nierówności
geometrycznych toru zw, yw o różnej amplitudzie, v = 160 km/h
wózek
zestaw
zw,nom zw = 2 zw,nom zw = 3zw,nom
y w,nom
yw = 2 yw,nom y w = 3 y w,nom
przedni prowadzący 0.411
wleczony
0.236
0.414
0.418
0.538
0.670
0.237
0.237
0.377
0.477
prowadzący 0.412
0.413
0.418
0.542
0.672
wleczony
0.235
0.239
0.376
0.444
tylny
(Y / Q )2 m
0.236
0.9985 - rosną wraz ze wzrostem
amplitudy nierówności poprzecznych
(słaby wpływ nierówności pionowych)
Bezpieczeństwo jazdy – analiza wyników symulacji (4)
30/40
Wpływ zużycia profili koła i szyny, stanu toru, prędkości jazdy
profile nominalne
profile o średnim
stopniu zużycia
profile o dużym
stopniu zużycia
Bezpieczeństwo jazdy – inne kryteria
31/40
Zgodnie z normami UIC 518, EN 14363
II. kryterium Prud’homme’a - określa dopuszczalną wartość
poprzecznego oddziaływania pojazdu szynowego
na konstrukcję nawierzchni kolejowej
( ∑Y2m )lim
P0  - suma poprzecznych sił działających na koła

≤ α  10 +  w kontakcie koło/szyna [kN],
3  P - siła nacisku na oś [kN] α=1

0
graniczna wartość sił (wg normy UIC 518)
III. maksymalne wartości przyspieszeń nadwozia
(i ich odchyleń standardowych)
Wyniki symulacji :
wózek przedni, zestaw:
a) prowadzącego
b) wleczonego
Probabilistyczne metody badania bezpieczeństwa jazdy 32/40
ZABURZENIA RUCHU
(WYMUSZENIA KINEMATYCZNE)
nierówności geometryczne toru
(poprzeczne,…)
ODPOWIEDZI DYNAMICZNE:
poprzeczne przemieszczenie
zestawu prowadzącego (wózek
przedni) względem toru
(widoczne wężykowanie)
v=200 km/h
współczynnik wykolejenia
Jaki jest związek między nierównościami toru a
niebezpieczeństwem wykolejenia (lokalnymi ekstremami Y/Q )?
Analiza widmowa Y/Q (1)
33/40
Widmowe gęstości mocy SY /Q ( f )
dla zestawu prowadzącego i wleczonego wózka przedniego
0.30
v=200
v = 200 km/h
f2
0.25
0.8
v=200
v = 200 km/h
f2
0.7
0.20
S (Y/Q) [m]
S (Y/Q) [m]
0.6
f3=2f2
0.15
.
0.10
0.5
0.4
0.3
0.2
0.05
0.1
0.0
0.00
0
0.1
0.2
0.3
f [1/m]
0.4
0.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
f [1/m]
f2 - częstotliwość spacjalna wężykowania zestawów kołowych
Położenia maksimów nie zmieniają się wraz z prędkością jazdy.
0.5
34/40
Pochodzenie maksimum S(Y/Q) dla podwojonej częstotliwości wężykowania
(E. Kardas-Cinal, J. Comput. Nonlin. Dyn. (ASME), 2013)
wężykowanie
f2
nieliniowa geometria kontaktu :
kąt nachylenia γ ( y* ,ψ * )
1L 1
1
obrzeża koła
f2
f3=2f2
widmowa gęstość
mocy yw
częstotliwość
wężykowania
f = 0.11m −1
yw : niezmodyfikowane
35/40
WNIOSEK
dominujący wpływ na wartości Y/Q
mają małe składowe oscylacyjne
nierówności poprzecznych toru
i lokalnej przechyłki (o częstotliwościach
spacjalnych z przedziału zawierającego
częstotliwość wężykowania).
y w : 0.05m −1 < f < 0.15 m −1
widmowe gęstości mocy Y/Q: prawie identyczne!
Analiza statystyczna (1)
36/40
Sformułowanie problemu
Jaka jest charakterystyczna postać nierówności geometrycznych toru
w pobliżu punktów, w których współczynnik wykolejenia osiąga duże wartości ?
Analiza statystyczna
(k )
przebiegu nierówności geometrycznych toru y w ( x ) = y w ( xpeak + u )
(k )
( k = 1,..., M ),
w pobliżu M różnych punktów toru x = xpeak
w których Y/Q osiąga lokalne ekstrema
Rezultat
uśredniony przebieg nierówności toru
w pobliżu lokalnych maksimów Y/Q
(E. Kardas-Cinal, 2011)
1
y wav (u ) =
M
M
(k )
y
(
x
∑ w peak + u )
k =1
Podobnie oblicza się uśrednione przebiegi odpowiedzi dynamicznych układu.
Uśrednienie wykonujemy po zbiorze różnych maksimów Y/Q (k=1,.., M)
osobno dla każdej wartości u (odległości od maksimum).
37/40
(k )
Nierówności toru w pobliżu różnych punktów toru x = xpeak
w których występują duże wartości Y/Q (E. Kardas-Cinal, VSDIA 2012)
nierówności poprzeczne
ywav
przechyłka toru
hwav
Uśrednione przebiegi nierówności poprzecznych toru i przechyłki
zawierają charakterystyczne oscylacje o długości fali bliskiej długości fali
(k )
wężykowania na odcinku toru ok. 30 m przed punktami x = xpeak
38/40
Związek między nierównościami toru
a niebezpieczeństwem wykolejenia
Lokalne oscylacje y w , hw o długości fali bliskiej
długości fali wężykowania zestawów kołowych
powodują:
- wzrost amplitudy wężykowania
(zjawisko rezonansu)
i w rezultacie
- duże wartości Y/Q w punktach toru,
w których amplituda wężykowania
jest największa
Bezpieczeństwo jazdy – wnioski
39/40
Wyniki symulacji ruchu pojazdu szynowego pokazały zróżnicowany
wpływ badanych parametrów na współczynnik wykolejenia,
w szczególności silny wpływ poprzecznych nierówności geometrycznych
toru, stopnia zużycia profili kół i szyn, zwłaszcza dla dużych prędkości
jazdy i prowadzących zestawów kołowych.
Duże wartości współczynnika wykolejenia Y/Q są wynikiem lokalnych
oscylacji nierówności poprzecznych toru i przechyłki toru
o częstotliwościach spacjalnych bliskich częstotliwości wężykowania
zestawów kołowych - zjawisko rezonansu
Wyniki badań przy użyciu analizy widmowej i statystycznej są
komplementarne. Obydwie metody wskazują na istotną rolę o
określonej częstotliwości przy czym analiza widmowa stanowi analizę
sygnału globalnego zaś metoda statystyczna jest analizą „lokalnego”
przebiegu sygnału.
Komfortowa podróż przez Europę …
Orient Express – brytyjskie wagony Pullmana
Orient Express –luksusowy pociąg pasażerski, którego pomysłodawcą
i założycielem był Belg Georges Nagelmackers.
Trasa o długości 2880 km wiodła z Paryża z dworca wschodniego do
Konstantynopola. Pierwszy skład wyruszył w 1883.
Był to jedyny środek transportu łączący dwa krańce Europy –
– wschód i zachód, uosobienie komfortu i bogactwa.
40/40

F - Instytut Kolejnictwa

Transkrypt

Podobne dokumenty