Сhoice of a coupling model for simulating the dynamic behavior of locomotives
DOI:
https://doi.org/10.33216/1998-7927-2022-275-5-65-71Keywords:
railway transport, «wheel-rail» contact, coupling coefficient, sliding, traction, dynamicsAbstract
The article reviews the main models used in modern software complexes for modeling the dynamics of railcars. It is considered in detail that the calculation of tangential forces in the "wheel-rail" contact when simulating the dynamics of rail crews can be carried out in three ways: "fast" algorithms, approximation of analytical solutions, numerical experiments or experimental data, use of pre-calculated reference tables. The VDEUNU CONTACT program was developed by the authors, since the calculations in this program are quite time-consuming, the program is used to organize reference tables. Methods of solving the tangential problem in modern software complexes for modeling the dynamics of rail crews were studied and an information table was constructed. Coupling curves calculated using different techniques for the same contact conditions are constructed. The value of critical slip obtained with the help of FASTSIM programs is approximately 0.03%, while the experimentally obtained value is about 2.5%. After stalling in skidding, the coefficient of adhesion in all theories, except Minov and VDEUNU CONTACT, is considered constant, while in real conditions, a drop in the coefficient of adhesion is observed. The possibility of using different clutch models to simulate the dynamics of the rolling stock in coasting and traction modes was analyzed, the comparison of models was carried out for new wheel and rail profiles with zero lateral displacement of the wheel pair. The results obtained when using the reference tables, generated using the VDEUNU CONTACT program, were compared with the results obtained when using the FASTSIM algorithm, indicating that, despite minor quantitative differences, it can be said that the qualitatively obtained results coincide.
The work also considered the movement of the locomotive in the traction mode on a straight section of the track 1200 m long with different frictional conditions of the rails (dry and wet). According to the simulation results, it can be seen that in the absence of disturbances from the side of the trajectory of the wheel pair, when simulating with the help of the FASTSIM algorithm, they practically coincide under different friction conditions, and a steady movement of the locomotive is observed. At the same time, when modeling using the VDEUNU CONTACT program, the movement is unstable and the nature of the interaction of the wheel pair with the road is significantly different for dry and wet rails.
References
1. Костюкевич А.И. Обзор моделей фрикционного взаи-модействия колес с рельсами [электронный ресурс] / А.И. Костюкевич, И.А. Цыгановский // Наукові вісті Далівського університету: зб. наук. праць. – Луганськ, 2012. – № 8. – Режим доступу до журн. http://archive.nbuv.gov.ua/e-journals/Nvdu/2012_8/z12kaiksr.htm
2. Kalker J.J. A fast algorithm for the simplified theory of rolling contact (FASTSIM program) / J.J. Kalker // Vehicle Systems Dynamics, 1982. – Vol. 11. – P. 1-13.
3. Kalker J.J. Simplified Theory of Rolling Contact / Kalker J.J. // Delft Progress Report. University of Technology. The Netherlands. – Vol. 1. 1973. – P. 1-10.
4. Погорелов Д.Ю. Модификация алгоритма FastSim ре-шения задачи контакта колеса и рельса / Д.Ю. Погоре-лов, В.Н. Языков // Брянск, Вестник БГТУ, №2 (2). 2004. – С. 103-109.
5. Piotrowski J. Kalker's algorithm Fastsim solves tangential contact problems with slip-dependent friction and friction anisotropy / J. Piotrowski //Vehicle System Dynamics, 48:7. 2010. – P. 869-889.
6. Piotrowski J. A simplified model of wheel/rail contact mechanics for non-Hertzian problems and its application in rail vehicle dynamic simulations / J. Piotrowski, W. Kik // Vehicle System Dynamics, 46: 1-2, 2008. – P. 27-48.
7. Polach O. A fast wheel–rail forces calculation computer code / O. Polach // Vehicle Syst. Dyn. Suppl. 33. 1999. – P. 728-739.
8. Моделирование динамики ж/д экипажей. Руководство пользователя ПО Универсальный механизм [элект-ронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://www.universalmechanism.com/download/70/rus/08_um_loco.pdf
9. Меншутин Н.Н. Исследование скольжения колесной пары электровоза при реализации силы тяги в эксплу-атационных условиях / Н.Н. Меншутин // Тр. ВНИИЖТ, 1960, вып. 188. – С. 113-132.
10. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей / Д.К. Минов // М.: Транспорт, 1965. – 268 с.
11. Polach O. Influence of locomotive tractive effort on the forces between wheel and rail / O. Polach // Vehicle System Dynamics Supplement, 35. 2001. – P. 7-22.
12. Кашура А.Л. Оценка тягово-сцепных качеств локомо-тивов на стадии проектирования и модернизации с учетом динамических особенностей их движения по рельсовому пути: дисс. ... канд. техн. наук :05.22.07 / Кашура А.Л. – Луганск, 1995. – 207 с
13. Kalker J.J. Three Dimensional Elastic Bodies in Rolling Contact / J.J. Kalker //Dordrecht. London.: Kluwer Academic Publishers, 1990. – 314 p.
14. Kalker J.J. The Principle of Virtual Work and Its Dual for Contact Problems / J.J. Kalker //Ingenieur-Archiv 56, 1986. – Р. 453-467.
15. Голубенко А.Л. Модель фрикционного контакта «ко-лесо-рельс» / А.Л. Голубенко, А.И. Костюкевич, И.А. Цыгановский // Вісник Східноукраїнського національ-ного університету ім. В. Даля. – 2012. – № 5 (176). – С. 7-12.
16. Костюкевич А.И. Экспериментальное исследование характеристик сцепления в контакте «колесо-рельс» при наличии промежуточной среды / А.И. Костюкевич, И.А. Таран, М.В. Ковтанец, В.С. Ноженко // «Ав-томобіле та тракторобудування». Вісник НТУ «ХПІ», 56, 2011. – С. 56-62.
17. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 49477 від 03.06.2013 (заявка № 49798 від 01.04.2013) «Комп'ютерна програма VDEUNU CONTACT» / Го-лубенко О.Л., Горбунов М.І., Костюкевич О.І., Цига-новський І.О., Ноженко О.С., Просвірова О.В.
18. Горбунов Н.И. Энергетическое воздействие двухфаз-ного потока на зону контакта движущего колеса с ре-льсом – метод управления сцепными характеристиками локомотива: Монография. / Н.И. Горбунов, М.В. Ковтанец, Т.Н. Ковтанец – Одесса: КУПРИЕНКО СВ, 2019. – 181 с.
19. Горбунов М.І. Обґрунтування концепції вдосконалення об’єктів залізничної техніки на підставі теорії прийняття рішень: Монографія. / М.І. Горбунов, М.В. Ковтанець, О.В. Сергієнко, Т.М. Ковтанець – Одеса: КУПРІЄНКО СВ, 2020. – 98 с.
20. Костюкевич А.И. Численная и экспериментальная идентификация процесса сцепления колес локомотива с рельсами: дисс. … канд. техн. наук: 05.22.07 / Кос-тюкевич А.И. – Луганск, 1991. – 230 с.
21. Iwnicki S. Manchester Benchmarks for Rail Vehicle Simulation / S. Iwnicki // Vehicle System Dynamics, 30:3-4, 1998. – P. 295-313.
22. Горбунов Н.И. Прогнозирование тяговых и динамиче-ских качеств локомотивов методом имитационного моделирования [Текст]: монография / Н.И. Горбунов, А.Л. Голубенко, А.И. Костюкевич, А.Л. Кашура; Вос-точноукр. нац. ун-т им. В. Даля. – Луганск, 2002. –
с.
