Испытания и экспериментальная база вагоностроения

 

Испытание — опытное определение количественных и (или) качественных свойств вагона, как предмета испытаний, при воздействии на него эксплуатационных нагрузок. Испытания обычно проводят с целью получения сведений, необходимых для принятия решения о соответствии испытуемого предмета заданным требованиям. Для современного уровня развития технологий достаточным является получение результата испытаний с 95 % доверительной вероятностью. Это достигается проработанностью методики - чем более подробно описаны условия проведения испытаний, тем выше воспроизводимость получаемых результатов, выше достоверность и качество.

Видов испытаний и их названий множество (см. например, http://ru.wikipedia.org/wiki/). Мы же с принятой нами условностью объединили их следующими:

- натурные испытания и масштабное моделирование;

- физическое и математическое моделирование.

Это позволило нам описать почти все имеющиеся виды испытаний. При этом моделирование мы рассматриваем в самом широком смысле, как отображение реальных объектов и явлений с качественной и/или количественной сходимостью с моделью. 

Весь процесс создания вагона пронизан испытаниями. Производят натурные (в реальных условиях действующих железных дорог и полигонов), стендовые (в лабораториях исследовательских центров и институтов) и компьютерные (в кабинетных и офисных условиях производств) исследования при создании вагонов. Они позволяют получить в результате использования данных испытаний высокопроизводительные, надежные и долговечные конструкции вагонов, которые составили и будут составлять основу подвижного состава железных дорог России. Об испытаниях мы говорим с использованием опубликованного нами примера исследований аэродинамики железнодорожного поезда [20].

 

Натурные испытания и масштабное моделирование

Исследования по обоснованию и выбору методов и средств создания подвижного состава с учетом аэродинамических процессов осуществляются часто в естественных условиях на натурных и масштабных образцах вагонов при максимальном приближении к реальной обстановке.

Натурные испытания позволяют в опытах выдержать полное динамическое подобие, получать реальные значения аэродинамических нагрузок, а также уточнять основные теоретические закономерности. Однако их главный недостаток состоит в том, что помимо дороговизны и сложности в натуре технически затруднено, а во многих случаях совершенно невозможно исследовать многочисленные варианты исследуемых объектов, выявлять взаимное влияние отдельных элементов конструкции, дублировать испытания в одинаковых условиях и с необходимыми для этого обстоятельствами.

Поэтому натурные испытания проводятся, как правило, на заключительном этапе исследований для уточнения ранее полученных результатов на моделях или при проведении приемо-сдаточных испытаний готовой продукции.

Масштабное натурное моделирование чаще всего стандартизовано [22]. Оно производится в лабораторных условиях на специальных стендах и установках исследовательских центров и институтов (см. п.3.7).

Масштабное моделирование в целом легче осуществить, чем натурные испытания. Они в большей степени соответствуют статусу исследований (а не испытаний, как натурные), позволяют разнообразить программу, дублировать исследования и быть в меньшей степени зависимыми от различных случайностей. Однако установки для масштабного моделирования – это, как правило, сложнейшие научно-исследовательские комплексы, значительные не только своим содержанием, но и размером. Поэтому стоимость масштабного моделирования значительна.

Для получения результатов, которые можно перенести на будущий реальный вагон необходимо при моделировании соответствие ему испытательного образца. Это достигается выполнением условий моделирования по установленным критериям подобия [21]. Они устанавливаются следующим образом:

- по известной картине физического процесса определяются размерные величины, устанавливаются из них безразмерные комбинации, критерии, составляются из них критериальные уравнения и в соответствии с ними производиться моделирование;

- при наличии формализованного представления исследуемого явления, проблема значительно упрощается: из процессуальных уравнений выписываются размерные параметры, из них образовывают безразмерные комбинации-критерии, из которых создают критериальные уравнения, которые выполняют на моделях.

Так, например, все явления аэродинамики железнодорожного поезда описываются уравнением Навье-Стокса для сжимаемой жидкости, т.е.

 

 где ρ – плотность; g – ускорение свободного падения; p – давление; µ - коэффициент динамической вязкости; ν – вектор скорости; t – время;  - гамильтониан.

Критериальные уравнения будут:

- для потоков с влиянием силы тяжести:

 

∏ ₁ = f₁ (1, 1, 1, Re, M, Fr, Sh);

 

- для потоков без учета влияния силы тяжести:

 

∏ ₂ = f₂ (1, 1, 1, Re, M, Sh),

 

где Re = νℓ/ ν – критерий Рейнольдца, учитывающий влияние вязкости среды; М = ν/с – критерий Маха, учитывающий сжимаемость среды; Sh = νt/ℓ - критерий Струхаля, учитывающий условия нестационарного обтекания; Fr = ν²/gℓ - критерий Фруда, учитывающий влияние сил тяжести на условия обтекания; ℓ - характерный размер тела; с – скорость звука.

У нас натурные испытания наибольшее распространение получили во ВНИИЖТе (см.п.3.7). Они проводятся на испытательном полигоне – это первый в мире полигон - Опытное кольцо ЦНИИ МПС (Центральный научно-исследовательский институт Министерства путей сообщения, сейчас ВНИИЖТ) на ст. Щербинка, построенный в 1932 году.

В настоящее время этот полигон состоит из трех кольцевых путей. Наружный путь длиной 6000 м с возвышением наружного рельса 90 мм представляет в плане правильную окружность радиусом 956 м, расположен на ровной площадке и обеспечивает возможность движения подвижного состава со скоростями до 120—140 км/ч. Этот путь электрифицирован (на постоянном и на переменном токе). Внутренние пути выполнены переменного плана и профиля, имеют длину около 5700 м и позволяют развивать скорости движения до 100 км/ч (радиусы кривых от 400 до 1200 м, уклоны до 8%).

Экспериментальное кольцо является универсальным полигоном для научных исследований вагонов. Первые динамические испытания четырехосных грузовых полувагонов на тележках с рессорами различных типов и четырехосных пассажирских вагонов на тележках пяти типов были проведены еще в 1936–37 годах.

На полигоне проверяются динамические и прочностные характеристики грузовых и пассажирских вагонов, проводятся исследования тормозных систем, новых материалов тормозных колодок, изучается взаимодействие вагонов и пути. Это позволило внедрить в производство современные конструкции тележек грузовых и пассажирских вагонов, автосцепок, роликовых буксовых узлов, чугунных и композиционных тормозных колодок, постоянно совершенствовать профили колесных пар подвижного состава и рельсов.

На экспериментальном кольце на станции Щербинка Московской ж. д. и скоростном испытательном полигоне Белореченская—Майкоп Северо-Кавказской ж. д. проводятся динамические (ходовые) испытания на устойчивость вагона на рельсах со скоростями, существенно превышающими допускаемые в эксплуатации, при которых не исключается возможность схода его с рельсов. В этом случае на участках пути создаются, различного вида искусственные неровности на обоих рельсах. Величины амплитуд, характер и сочетание этих неровностей выбираются наиболее неблагоприятными для возбуждения интенсивных колебаний вагона при заданной скорости движения вагона, при которых еще нет необходимости вводить ограничение скорости движения поездов.

При комплексных динамических испытаниях и испытаниях по воздействию вагона на путь выбирают, как правило, фиксированные прямые и кривые участки пути ограниченной длины, которые оборудуются соответствующими измерительными приборами для определения напряжений в рельсах, изгибов рельсов под воздействием поперечных горизонтальных сил со стороны вагона, напряжения на основной площадке земляного полотна, усилий от рельсов на шпалы и балласт. Максимальная скорость движения при испытаниях должна превышать проектную конструкционную скорость опытного вагона не менее чем на 15—20 км/ч.

Скоростной испытательный полигон Белореченская – Майкоп на Северо-Кавказкой железной дороге (рис. 15) сейчас входит в состав Испытательного центра ВНИИЖТа (Опытного полигона ЦНИИ МПС).

Рис. 15. План трассы скоростного полигона России

Это специальный и единственный в России скоростной испытательный полигон для комплексных динамических и по воздействию на путь и стрелочные переводы испытаний, позволяющий проводить исследования со скоростями движения до 250 км/ч и испытывать любой подвижной состав в прямых участках пути, в кривых радиусами 350, 500, 650, 800, 1000 и 2500 м.

План, профиль, устройства электроснабжения, контактная сеть, устройства СЦБ позволяют проводить: испытания подвижного состава по воздействию на элементы верхнего строения пути; динамические, прочностные, ходовые по установлению норм устройства и содержания пути и ходовых частей подвижного состава; аэродинамические по определению сопротивления движения; по исследованию систем токосъема; по исследованию сцепления колес с рельсами и т.д.

В настоящее время Опытное кольцо ЦНИИ МПС является Испытательным центром ВНИИЖТа. Это единственный центр, который способен проводить весь комплекс испытаний подвижного состава и элементов инфраструктуры. Область аккредитации его испытаний составляет более 500 позиций.

Сегодня ИЦ ЖТ ОАО «ВНИИЖТ» имеет 93 единицы аттестованного испытательного оборудования (стенды, прессы, пульсаторы и т.д.); 422 единицы поверенных средств измерения; 12 многоканальных мобильных измерительных комплексов; 15 вагонов-лабораторий для съема, регистрации и обработки экспериментальных данных в реальном масштабе времени.

Синтез исследований, испытаний на стендах, полигонах и на линии, мониторинг в эксплуатации в сочетании с непрерывностью исследований на протяжении десятков лет позволяют минимизировать стоимость испытаний; совмещать приемочные и сертификационные испытания (снижать их стоимость и сроки проведения почти вдвое); создавать и пополнять единую базу испытаний всей железнодорожной техники для последующих исследований; совершенствовать методики испытаний и нормативную базу железнодорожного транспорта.

Полигон для натурных исследований в виде испытательного кольца длиной 8000 м есть при Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ). Допустимая скорость движения на нем до 100 — 120 км/ч. На полигоне производят обкатку и сдачу выпускаемых НЭВЗом электровозов и используют для экспериментальных целей.

Кольцевой испытательный путь, аналогичный первому кольцу полигона ЦНИИ МПС, построен при Людиновском тепловозостроительном заводе и т.д.

Натурные (поездные, ходовые) испытания подвижного состава в России производятся также на отдельных участках действующей железнодорожной сети. Для этого используются специальные вагон-лаборатории, оснащенные приборами и аппаратурой. Они позволяют исследовать конструкции вагона и его узлов в реальных режимах эксплуатации.

Современные вагоны-лаборатории оборудуют новейшей измерительной, регистрирующей и анализирующей аппаратурой. Наличие мощных аккумуляторных батарей и дизель-электрических зарядных агрегатов обеспечивает их длительную автономную работу. Применение вычислительной техники и специализированных анализирующих устройств ускоряет процесс обработки полученной информации. Во многих организациях, проводящих натурные испытания, созданы вагоны-лаборатории для различных видов исследований и испытаний вагонов: ресурсных, ходовых, тормозных, теплотехнических, тягово-энергетических и многих других.

Динамические поездные (ходовые) испытания являются одним из основных этапов отработки конструкции вагона и оценки его динамических и прочностных качеств. В зависимости от целей они бывают обще динамическими и специальными.

К общединамическим испытаниям относятся:

— заводские, проводимые заводом-изготовителем. Целью их является проверка работы отдельных узлов вагона и конструкции его в целом; по результатам этих испытаний завод-изготовитель дорабатывает опытный образец вагона;

— приемочные поездные испытания, во время которых проверяется соответствие динамических качеств вагона требованиям заказчика и действующим нормам расчета и эксплуатации вагонов. При этих испытаниях определяются ходовые качества (плавность хода, устойчивость против поперечного опрокидывания вагона в кривых, устойчивость колеса на рельсе), динамические силы, действующие на элементы вагона и железнодорожного пути и от которых зависит прочность и надежность вагона в эксплуатации.

По результатам приемочных испытаний устанавливаются пригодность вагона к эксплуатации и условия обращения с ним. В частности, устанавливается допустимая скорость движения по условиям безопасности движения, прочность, устойчивость и плавность хода на прямых и кривых участках пути.

Специальные поездные (ходовые) испытания бывают:

- тормозные по оценке эффективности тормозных систем вагона;

- по оценке на устойчивость вагонов против выжимания их продольными силами в поездах;

- в расчете на выносливость для определения влияния действующих сил на вагон при его эксплуатации.  

Методика проведения испытаний зависит от поставленной задачи, видов и объема измерительной аппаратуры и ее размещения, режимов нагружения вагона и порядка проведения испытаний, характеристики опытного участка пути, методов автоматической обработки опытных данных, применяемой при этом аппаратуры, и определяет порядок подготовки вагона к испытаниям

Частоты собственных колебаний вагона и моменты инерции обрессоренных масс вагона определяют до начала ходовых испытаний методом свободного перекатывания его через подложенные под колеса специальные клинья, устанавливаемые в определенном порядке для имитации подпрыгивания, галопирования и боковой качки кузова. Возникающие при этом собственные колебания кузова на рессорном подвешивании и соответствующий их анализ позволяет определить частоту, декремент затухания амплитуд колебаний и момент инерции обрессоренных масс вагона.

Во время ходовых испытаний получают:

— вертикальные и поперечные (иногда и продольные) горизонтальные ускорения кузова вагона и рам тележек;

— динамические напряжения в рамах тележек, рессорном подвешивании и колесных парах;

— поперечные горизонтальные (рамные) силы от колесных пар на рамы тележек;

— частоты и вид колебаний вагона и его узлов.

В результате ходовых испытаний производится оценка динамических качеств вагона по коэффициенту вертикальной динамики; величине поперечных рамных сил; условному коэффициенту горизонтальной динамики; коэффициенту запаса устойчивости колеса от вкатывания его на рельс; коэффициенту запаса устойчивости рельсошпальной решетки пути от поперечного сдвига под воздействием рамных сил; коэффициенту запаса поперечной устойчивости вагона в кривых от опрокидывания под влиянием центробежных сил и силы ветра; показателю плавности хода вагона; показателям кинематики узлов вагона (поворота тележки относительно кузова вагона, обгона или забегания боковых рам тележек, перемещению колесных пар относительно рам тележек и рельсов, поперечному относу кузова и т.п.).

Ударные испытания могут проводиться с одиночным вагоном, который ударяется в группу заторможенных груженых вагонов, стоящих на прямом горизонтальном участке железнодорожного пути или, в который ударяется груженый вагон-боек, при различной скорости соударения. Возникающая при этом продольная сила удара, передается через корпус специальной динамометрической автосцепки на раму вагона и регистрируется измерительными приборами.

Кроме продольной силы удара измеряются также напряжения в элементах конструкции вагона, продольные ускорения вагона, относительные продольные и поперечные перемещения соударяющихся вагонов, деформации сжатия поглощающих аппаратов автосцепки, а также скорость соударения вагонов.

Испытания группы вагонов на действие продольных сил проводятся при всех неустановившихся режимах движения поезда: трогании, осаживании, торможении (служебном или экстренном) и при движении поезда по переломному профилю пути.

При производстве натурных испытаний, как правило, выполнение условий по подобию не требуется. При масштабном моделировании оно необходимо, так как они проводится на геометрически подобных вагонах или их частях в лабораторных условиях на стендах и специальных установках.

Эти испытания уже относятся к физическому моделированию.

 

Физическое моделирование

Физическое моделирование — метод экспериментального изучения объектов одной физической природы, основанный на их физическом подобии.

Этот метод применяется, если:

- нет исчерпывающе точного математического описания явления на данном уровне развития науки, или оно слишком громоздко и требует для расчётов большого объёма исходных данных, получение которых затруднительно;

- невозможно, нежелательно или слишком дорого воспроизведение исследуемого физического явления в целях эксперимента в реальных масштабах.

Метод состоит в создании лабораторной физической модели явления в уменьшенных масштабах и проведении на ней экспериментов. Выводы и данные, полученные в этих экспериментах, распространяются затем на явление в реальных масштабах.

Метод может дать надёжные результаты, лишь в случае соблюдения физического подобия реального явления и модели. Подобие достигается за счёт равенства для модели и реального явления значений критериев подобия — безразмерных чисел, зависящих от физических (в том числе геометрических) параметров, характеризующих явление.

Экспериментальные данные, полученные методом физического моделирования распространяются на реальное явление также с учётом установленных критериев подобия.

В широком смысле, любой лабораторный физический эксперимент является моделированием, поскольку в эксперименте наблюдается конкретный случай явления в частных условиях, а требуется получить общие закономерности для всего класса подобных явлений в широком диапазоне условий. Искусство экспериментатора заключается в достижении физического подобия между явлением, наблюдаемым в лабораторных условиях и всем классом изучаемых явлений.

Модель (фр. modèle, от лат. modulus — «мера, аналог, образец») — это система, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе; представление некоторого реального процесса, устройства или концепции.

Модель есть абстрактное представление реальности в какой-либо форме (например, в математической, физической, символической, графической или дескриптивной), предназначенное для представления определенных аспектов этой реальности и позволяющее получить ответы на изучаемые вопросы.

Термином моделирование обозначают как построение (создание) моделей, так и их исследование.

Одним и тем же системам могут быть сопоставлены несколько моделей разных видов.

Моделирование всегда предполагает принятие допущений той или иной степени важности. При этом должны удовлетворяться следующие требования к моделям:

- адекватность, то есть соответствие модели исходной реальной системе и учет, прежде всего, наиболее важных качеств, связей и характеристик. Оценить адекватность выбранной модели, особенно, на начальной стадии проектирования, когда вид создаваемой системы ещё неизвестен, очень сложно. В такой ситуации часто полагаются на опыт предшествующих разработок или применяют такие определённые методы, как, например, метод последовательных приближений;

- точность, то есть степень совпадения полученных в процессе моделирования результатов с ранее установленными, желаемыми. Здесь важной задачей является оценка нужной точности результатов и имеющейся точности исходных данных, согласование их как между собой, так и с точностью используемой модели;

- универсальность, то есть применимость модели к анализу ряда однотипных систем в одном или нескольких режимах функционирования. Это позволяет расширить область применимости модели для решения большего круга задач;

- целесообразная экономичность, то есть точность получаемых результатов и общность решения задачи должны увязываться с затратами на моделирование. Удачный выбор модели при этом, как показывает практика, — результат компромисса между отпущенными ресурсами и особенностями используемой модели и др.

Погрешности моделирования вызываются как объективными причинами, связанными с упрощением реальных систем, так и субъективными, обусловленными недостатком знаний и навыков, особенностями характера того или иного человека. Погрешности можно предотвратить, компенсировать или учесть. И всегда обязательна оценка правильности получаемых результатов.

В технике оценку точности модели часто осуществляют следующими способами:

- проверяют соответствие результатов физическому (здравому) смыслу. Удобно это делать для частного случая модели, когда решение очевидно. Иногда даже говорят, что ещё перед решением задачи инженер уже должен представлять характер и порядок ожидаемого результата. Но точность такого представления зависит от развитости физического воображения и опыта работы с подобными системами;

- проверяют выполнение частных очевидных условий задачи, что также позволяет отсечь неприемлемые решения;

- проверяют соблюдение тенденции изменения величин и знаков результатов (монотонность, цикличность, плавность и т. п.);

- проверяют правильность размерности полученного результата (если работа ведется с аналитическими зависимостями).

Известно, что посредством грубых измерений, использования контрольно-измерительных приборов с низкой точностью или приближенных исходных данных невозможно получить точные результаты. С другой стороны, бессмысленно вести, например, расчет с микроскопической точностью, если результат потом нужно округлять и увеличивать или же определять среднюю величину и т. д. Поэтому важно помнить о следующем:

- точность результатов расчетов и экспериментальных исследований модели не может превысить точности исходных данных, используемых приборов, измерительных инструментов и т. п.;

- вид выбираемой модели должен согласовываться с точностью исходных данных и потребной точностью результатов;

- желаемая точность результатов должна соответствовать нуждам и реалиям практики.

Количество параметров, характеризующих поведение не только реальной системы, но и её модели, очень велико. Для упрощения процесса изучения реальных систем выделяют четыре уровня моделей, различающихся количеством и степенью важности учитываемых свойств и параметров. Это: функциональная, принципиальная, структурная и параметрическая модели.

Функциональная модель предназначена для изучения особенностей работы (функционирования) системы и её назначения во взаимосвязи с внутренними и внешними факторами (элементами).

Функция — наиболее существенная характеристика любой системы. Она отражает её предназначение и, то, для чего она нужна. Подобные модели оперируют, прежде всего, с функциональными параметрами. Графическим представлением этих моделей служат блок-схемы. Они отображают порядок действий, направленных на достижение заданных целей (функциональная схема). Функциональной моделью является абстрактная модель.

Модель принципа действия (принципиальная, концептуальная модель) характеризует самые существенные (принципиальные) связи и свойства реальной системы. Это — основополагающие физические, биологические, химические, социальные и т. п. явления, обеспечивающие функционирование системы, или любые другие принципиальные положения, на которых базируется планируемая деятельность или исследуемый процесс.

Стремятся к тому, чтобы количество учитываемых свойств и характеризующих их параметров было небольшим (наиболее важные), а обозримость модели — максимальной, так чтобы трудоемкость работы с моделью не отвлекала внимание от сущности исследуемых явлений. Как правило, параметры и физические характеристики подобных моделей — функциональные. В основе ее работы заложены принципиальные исходные положения (методы, способы, направления и т. д.).

Так, принцип действия технической системы — это последовательность выполнения определённых действий, базирующихся на определённых физических явлениях (эффектах), которые обеспечивают требуемое её функционирование.

Работа с моделями принципа действия позволяет определить перспективные направления разработки и требования к возможным материалам.

Правильный выбор принципиальных основ функционирования пред-определяет жизнеспособность и эффективность будущего изделия. Графическим представлением моделей принципа действия служат блок-схема, функциональная и принципиальная схемы.

Четкого определения структурной модели не существует. Так, под структурной моделью устройства можно подразумевать:

- структурную схему, которая представляет собой упрощенное графическое изображение устройства, дающее общее представление о форме, расположении и числе наиболее важных его частей и их взаимных связях;

- топологическую модель, которая отражает взаимные связи между объектами, не зависящие от их геометрических свойств.

Под структурной моделью процесса обычно подразумевают характеризующую его последовательность, состав стадий и этапов работы, совокупность процедур и привлекаемых технических средств, взаимодействие участников процесса. Ими могут быть упрощенное изображение звеньев механизма в виде стержней, плоских фигур, условных обозначений с линиями связи (теория автоматического управления, блок-схемы алгоритмов и т. д.). Степень упрощения зависит от полноты исходных данных об исследуемом устройстве и нужной точности результатов.

На практике виды структурных схем могут варьироваться от несложных небольших схем до близких к чертежу изображений.

Возможно изображение структурной схемы в масштабе. Такую модель относят к структурно-параметрической. Её примером может служить кинематическая схема механизма, на которой размеры упрощенно изображенных звеньев нанесены в масштабе. Это позволяет дать численную оценку некоторым исследуемым характеристикам.

Для повышения полноты восприятия на структурных схемах в символичной форме могут указывать параметры, характеризующие свойства отображаемых систем. Исследование таких схем позволяет установить соотношения (функциональные, геометрические и т. п.) между этими параметрами и представить их взаимосвязь.

Под параметрической моделью понимается математическая модель, позволяющая установить количественную связь между функциональными и вспомогательными параметрами системы. Графической интерпретацией такой модели в технике служит чертеж устройства или его частей с указанием численных значений параметров.

В зависимости от целей исследования выделяют следующие модели:

- функциональные. Предназначены для изучения особенностей работы (функционирования) системы, её назначения во взаимосвязи с внутренними и внешними элементами;

- функционально-физические. Они нужны для изучения физических (реальных) явлений, используемых для реализации заложенных в систему функций;

- кинематические, прочностные, динамические и другие модели процессов и явлений. Они служат для исследования тех или иных свойств и характеристик системы, обеспечивающих её эффективное функционирование.

С целью подчеркнуть отличительную особенность модели их подразделяют на простые и сложные, однородные и неоднородные, открытые и закрытые, статические и динамические, вероятностные и детерминированные и т. д.

Стоит отметить, что когда говорят, например, о техническом устройстве как простом или сложном, закрытом или открытом и т. п., в действительности подразумевают не само устройство, а возможный вид его модели, таким образом, подчеркивая особенность состава или условий работы.

Четкого правила разделения моделей на сложные и простые не существует. Обычно признаком сложных моделей служит многообразие выполняемых функций, большое число составных частей, разветвленный характер связей, тесная взаимосвязь с внешней средой, наличие элементов случайности, изменчивость во времени и другие.

Понятие сложности системы — субъективно и определяется необходимыми для его исследования затратами времени и средств, уровнем квалификации и зависит от конкретного случая и специалиста.

Разделение систем на однородные и неоднородные проводится в соответствии с заранее выбранным признаком. При этом одна и та же модель при разных подходах может быть и однородной, и неоднородной.

Все устройства взаимодействуют с внешней средой и их относят к открытым, если их влиянием на окружающую среду или воздействием внешних условий на их состояние и качество функционирования пренебречь нельзя. В противном случае системы рассматривают как закрытые, изолированные.

Динамические модели, в отличие от статических, находятся в постоянном развитии. Их состояние и характеристики изменяются в процессе работы и с течением времени.

Характеристики вероятностных моделей случайны в пространстве или меняются во времени. Это определяется как случайным выбором свойств материалов, геометрических размеров и форм объекта, так и характером воздействия внешних нагрузок и условий. Характеристики детерминированных моделей заранее известны и точно предсказуемы.

Знание показанных выше особенностей облегчает процесс моделирования, так как позволяет выбрать вид модели, наилучшим образом соответствующей заданным условиям, выделяет в системе существенные и отбрасывает второстепенные факторы, подтвержденные предыдущими исследованиями или предшествующим опытом.

Наиболее часто в процессе моделирования ориентируются на создание простой модели, что позволяет сэкономить время и средства на её разработку. Однако повышение точности модели, как правило, связано с ростом её сложности, так как необходимо учитывать большое число факторов и связей. Разумное сочетание простоты, нужной точности, указывает, как раз, на предпочтительный вид модели.

Используя выше приведенное, удается более точно, с наименьшими затратами и быстрее построить и получить результаты на адекватных моделях, а также создать устройства их реализации.

Физическое моделирование в вагоностроении осуществляют чаще на стендах.

Стенды (исследовательские, испытательные и др.) это — научное (экспериментальное) оборудование, предназначенное для исследовательских опытов, изучения свойств объектов и процессов или поверенное лабораторное, производственное оснащение для специальных, контрольных, приёмочных испытаний.

Испытания на стендах отличаются от других видов испытаний (полигонных, полевых, эксплуатационных) высокой стабильностью задаваемых и поддерживаемых воздействий (условий нагружения, температуры, влажности и других факторов), точностью их регулирования, возможностями углублённых наблюдений за рабочими процессами, в том числе и в труднодоступных зонах, повышенной точностью измерения и регистрацией параметров. На стендах может быть получена информация, которую не могут дать никакие иные испытания.

На стендах проводят испытания деталей, узлов, агрегатов и полнокомплектных машин.

Они бывают статические и динамические; с разрушением и без разрушения; бывают прочностные, усталостные, износовые, вибрационные и др.; они могут проводиться на универсальных или уникальных стендовых установках.

При стендовых испытаниях определяются рабочие показатели, параметры и характеристики.

Целью статических испытаний несущих систем является проверка прочности и жёсткости. При этом выявляются ослабленные или перегруженные участки и соединения, деформации от различных видов нагружения, т.е. изучение напряжённого состояния всех элементов несущей системы под нагрузкой.

Особую группу составляют стенды для испытания вагонов (кузовов) продольными сжимающими и растягивающими силами. Мощная рама такого стенда расположена на уровне оси автосцепки. Длина стенда достигает 30 м. Мощные электрогидравлические домкраты и вспомогательные устройства позволяют создавать усилия до 400 тс. Стенды для испытаний вагонов на растяжение-сжатие имеются во многих организациях.

На стендах с динамическим нагружением оценивается долговечность конструкции, ее частей и отдельных узлов.

Динамические испытания машин служат для оценки пассивной безопасности. При этом имитируются любые ситуации.

Для динамических испытаний используют такие специальные стенды, как: катковые, позволяющие имитировать движение с любой скоростью; катапультные, осуществляющие разгон испытуемого объекта; копровые с массивным маятником для создания ударных нагрузок, вибрационные - для оценки влияния колебательных процессов на вагон и его элементы и др.

В общем, используемое стендовое оборудование многообразно. В большинстве случаев стенды для испытаний машин являются уникальными стендами целевого назначения, и лишь небольшая их часть имеет типовую конструкцию и имеет промышленный выпуск.

 

Математическое моделирование

С расширением научной базы при проектировании вагонов все большее применение находят математические методы и моделирование.

Математические модели более универсальны и дешевы, позволяют поставить «чистый» эксперимент (то есть в пределах точности модели исследовать влияние какого-то отдельного параметра при постоянстве других), прогнозировать развитие явления или процесса, отыскивать способы управления ими. Они являются основой построения компьютерных моделей и применения вычислительной техники.

Математические модели — формализуемые, то есть представляют собой совокупность взаимосвязанных математических и формально-логических выражений, отображающих различные реальные процессы и явления (физические, психические, социальные и т. д.). Поэтому различают:

- аналитические модели. Их решения ищутся в замкнутом виде, в виде функциональных зависимостей;

- численные модели. Они универсальны, удобны для решения сложных задач, но не наглядны и трудоемки при анализе и установлении взаимосвязей между параметрами. В настоящее время такие модели реализуют в виде программных комплексов — пакетов программ для компьютеров. Программные комплексы бывают прикладные, привязанные к предметной области и конкретному объекту, явлению, процессу, и общие, реализующие универсальные математические соотношения;

- формально-логические информационные модели — это модели, созданные на формальном языке;

- аналоговые модели, позволяющие исследовать одни физические явления или математические выражения посредством изучения других физических явлений, имеющих аналогичные математические модели. Мы в своих исследованиях аэродинамики [20] предложили использовать электрические и электромагнитные модели и пр.

При проектировании вагонов используются все известные математические модели, программные комплексы [3] и аналоговые модели [20].

Нами были разработаны методы электрогидродинамической (ЭГДА) и магнитогидродинамической (МАГДА) аналогий.

ЭГДА – аналогия между потоком идеальной жидкости и стационарным электрическим полем в однородной проводящей среде нашла широкое применение для изучения обтекания тел в несжимаемой и сжимаемой жидкости. В настоящее время ЭГДА является обязательным практическим методом в работе разнообразных исследовательских, проектных и конструкторских организаций. Так, метод ЭГДА применяется для решения задач фильтрации, используется в гидродинамике турбомашин, при расчетах теплофикационных, водо,- газо- и трубопроводных систем, используется при изучении вентиляции угольных шахт, аэродинамики скиповых подъемников и т.д.

 

Рис.16. Электромагнитный интегратор ЭМИ МАГДА для исследования

аэродинамических процессов железнодорожного подвижного состава

 

МАГДА – основана на тождественности уравнений, описывающих потенциальный поток идеальной жидкости и магнитное поле ультразвуковой частоты.

В практическом применении она использовалась для решения задач аэродинамики высокоскоростного наземного транспорта, при анализе эксплуатационных режимов полетов самолетов гражданской авиации, также при проектировании военных летательных аппаратов.

Модель идеальной жидкости применима ко всем задачам железнодорожной аэродинамики. Поэтому она в дальнейшем послужила основой для разработки единой методики аэродинамических исследований. Общий вид и генератор однородного магнитного поля электромагнитного интегратора ЭМИ МАГДА для исследований аэродинамических процессов железнодорожного подвижного состава представлен на рис. 16.

При исследованиях на математических моделях нужно иметь в виду, что получаемые результаты нуждаются в обязательном сопоставлении с данными физического моделирования — с целью проверки получаемых данных и для уточнения самой модели, так как любая формула — это разновидность модели и, следовательно, не является абсолютной истиной и рассматривается как этап на пути её познания.

Выбор типа модели зависит от объема и характера исходной информации о рассматриваемом устройстве и возможностей инженера, исследователя. По возрастанию степени соответствия реальности модели можно расположить в следующий ряд: образные — математические — натурные (экспериментальные).

 

 

---

Дата добавления: 2018-10-27; просмотров: 505; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!