авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование безопасности движения колесных транспортных средств с учетом неровностей пути

На правах рукописи

Иванова Юлия Анатольевна ИССЛЕДОВАНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ КОЛЕСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С УЧЕТОМ НЕРОВНОСТЕЙ ПУТИ Специальность 05.26.02 – Безопасность в чрезвычайных ситуациях (транспорт)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009 1

Работа выполнена в отделе нелинейного анализа и безопасности систем Учреждения российской академии наук Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН

Научный консультант: доктор физико-математических наук, доцент Ю.И. Голечков

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ф.И. Ерешко доктор технических наук, профессор Е.П. Корольков

Ведущая организация: ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта», г. Москва 16 00 час.

Защита диссертации состоится “ 11 ” июня 2009 г. в на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.017. при Учреждении российской академии наук Вычислительный центр им. А.А. До родницына РАН по адресу: 119991, г. Москва, ул. Вавилова, д. 40, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Вычислительного центра им. А.А. Дородницына Российской академии наук.

Автореферат разослан “_” _ 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.017. кандидат физико-математических наук Мухин А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена развитию методов исследования безопасности движения колесных транспортных средств с учетом не ровностей пути, а также созданию пакета проблемно-ориентированных программ для исследования безопасности движения колесных транспортных средств в чрез вычайных ситуациях. В работе под колесными транспортными средствами понима ются средства железнодорожного и автомобильного транспорта.

Для предотвращения и минимизации последствий чрезвычайных ситуаций ак туальной задачей является изучение закономерностей возникновения, проявления и развития чрезвычайных ситуаций техногенного характера на транспорте, разработка научно обоснованных технологических и технических мероприятий.

В настоящее время освоение возрастающего объема перевозок пассажиров и грузов при обеспечении безопасности движения транспортных средств и повыше нии эффективности работы указанных средств является актуальным направлением развития транспортных отраслей. Решению задач, возникающих в этом направле нии, служит разработка адекватных методов и эффективной инструментальной сре ды для повышения безопасности технических транспортных систем в чрезвычай ных ситуациях, когда аварийность осложняется факторами неровностей пути и вы соких скоростей движения. Наибольшую сложность для изучения представляют системы, характеризующиеся нерегулярным поведением, вибрациями и ударными возмущениями. Несмотря на то, что исследование подобных систем ведется во мно гих научно-технических центрах в России и за рубежом, остается широкий диапазон нерешенных задач, требующих тщательной научной разработки и эксперименталь ной проверки.

Тема диссертации является актуальной, поскольку статистика чрезвычайных ситуаций на железных дорогах России показывает, что в последние годы относи тельные показатели числа нарушений безопасности движения ухудшаются. Количе ство чрезвычайных происшествий, имевших место на железнодорожном транспорте с 1992 по 2007 годы, представлено в диаграмме на рис. 1.

Сложная аварийная обстановка требует тщательного анализа основных причин возникновения чрезвычайных ситуаций и разработки мер по уменьшению количест ва чрезвычайных ситуаций на железнодорожном транспорте.

Актуальной задачей является разработка методов, которые позволяют прово дить качественное исследование и численно-аналитическое интегрирование уравне ний, описывающих движение транспортных динамических систем в чрезвычайных ситуациях при произвольно большом числе фазовых переменных.

Сходы Крушения Аварии годы Рис. 1. Количество чрезвычайных ситуаций на железнодорожном транспорте с 1992 по 2007 годы В связи с возросшими требованиями к проектированию, эксплуатации сложных технических объектов и технологических процессов, а также к управлению указан ными объектами и процессами в чрезвычайных ситуациях, возникает необходи мость изучения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих движе ние транспортных динамических систем. Для этого разрабатываются соответствую щие транспортные дифференциальные уравнения второго порядка. Такие уравнения описывают функционирование многих технических динамических систем, а их раз работка представляет фундаментальную научную проблему.

В диссертации изучаются три типа транспортных дифференциальных уравнений второго порядка:

1. Дифференциальное уравнение движения железнодорожного вагона с учетом заданного профиля неровностей пути:

T d q + q + q = Q i (t ), q (1) dt i i i i где Т и П обозначают соответственно кинетическую и потенциальную энергию ва гона, qi и qi векторы обобщенных координат и скоростей, Q(t) вектор обобщен ных сил и Ф обозначает диссипативную функцию вагона, t время. Для уравнения (1) посредством разработанного в диссертации программного обеспечения исследу ется устойчивость и безопасность движения железнодорожного вагона по неровно му железнодорожному пути для различных значений скорости движения, в том чис ле для высокоскоростного движения.

2. Дифференциальное уравнение движения автомобильного транспортного средства с учетом заданной формы неровностей пути:

M z + C z + K z = Q(t, z, z ), (2) где M, С, К матрицы масс, демпфирования и жесткости соответственно, Q (t, z, z ) заданная нелинейная вектор-функция времени, перемещения и скорости (обоб щенная возмущающая сила), z 17-мерный вектор обобщенных координат (одно столбцовая матрица из 17 строк, zT = [z1, 1, z2, 2, z3, 3, z4, z5, z6, z7, z8, z9, z10, z11, z12, z13, z14]), верхний индекс Т означает транспонирование. Уравнение (2) возникает при описании и изучении колебательных процессов летательных аппаратов в воз душном потоке, колебаний корпусов кораблей и подводных лодок при волнении в открытом море, колебаний элементов и узлов подвижного состава железнодорож ного и автомобильного транспорта при движении по неровному пути. Особенно стями изучаемого уравнения (2) является рассмотрение нестационарного вектора возмущений и большая размерность фазового пространства. В диссертации для уравнения (2) поставлены и решены следующие задачи: описать характеристики вертикальных колебаний колесного транспортного средства при движении по не ровному пути с заданной формой неровностей;

реализовать алгоритмы и про граммы численных расчетов для различных значений скорости движения;

про анализировать влияние роста скорости на характер колебаний и безопасность движения;

определить значения динамических характеристик пневматической подвески сиденья водителя, обеспечивающие безопасность движения в чрезвы чайных ситуациях.

3. Дифференциальное уравнение движения автомобильного транспортного средства с учетом случайного характера неровностей пути, описываемых известны ми спектральными плотностями и взаимными спектральными плотностями кинема тических возмущений:

Mz + Cz +Kz = B0 q +B1q, (3) где M, С, К матрицы масс, демпфирования и жесткости соответственно;

В0, В диагональные матрицы жесткости и демпфирования;

z 12-мерный вектор обоб щенных координат (одностолбцовая матрица из 12 строк, zT = (z1, 1, z2, 2, z3, 3, z4, z5, z6, z7, z8, z9), q = (q1, q2, q3, q4, q5 ), q = (q1, q2, q3, q4, q5 ). Изучены случайные коле T T бания для уравнения (3) автомобильного транспортного средства, движущегося по неровному пути, имеющему случайную последовательность выступов и впадин.

Разработано алгоритмическое и программное обеспечение расчета зависимостей средних квадратичных отклонений перемещений и ускорений ряда узлов транс портного средства от скорости при движении по профилю пути с заданной спек тральной плотностью кинематического возбуждения.

Актуальность разработки и изучения перечисленных дифференциальных урав нений обусловлена необходимостью обоснования режимов функционирования транспортных динамических систем для обеспечения безопасности и устойчивости их работы в чрезвычайных ситуациях. В связи с этим возникает и актуальная по требность в разработке соответствующего пакета проблемно-ориентированных ком пьютерных программ.

Разработанные к настоящему времени группы методов часто не применимы для исследования фундаментальных свойств транспортных динамических систем (1)– (3), так как необходимость учета сложного поведения решений указанных систем требует дальнейшей разработки, модификации и усовершенствования этих методов.

Выполненные в диссертации разработка и усовершенствование численно аналитических и компьютерных методов исследования безопасности движения транспортных динамических систем в чрезвычайных ситуациях дают улучшенную точность по сравнению с имеющимися методами.

Отсутствие точных универсальных методов исследования транспортных нели нейных систем обусловило разработку обширного набора качественных, численно аналитических и компьютерных методов исследования транспортных динамических систем. Методы исследования устойчивости и качественных свойств динамических систем изучались, начиная с работ А. Пуанкаре, А.М. Ляпунова, Н.Е. Жуковского и Дж. Биркгофа, в работах отечественных и зарубежных ученых: Н.Г. Четаева, Е.А. Барбашина, В.В. Немыцкого, В.И. Зубова, В.М. Матросова, А.А. Шестако ва, В.В. Румянцева, В.М. Старжинского, И.Г. Малкина, Х. Массеры, Р. Беллмана, В. Коппела, Ж.П. Ла-Салля, С. Лефшеца, М. Урабе, Л. Чезари и других ученых.

Важные результаты по безопасности и устойчивости движения транспортных сис тем получены в работах С.А. Чаплыгина, А.А. Шестакова, Н.А. Панькина, Ю.И. Першица, А.Х. Викенса, О.В. Дружининой, Т.А. Тибилова, Ю.М. Черкашина, Е.П. Королькова и других ученых. Первыми широко доступными публикациями по проблемам исследования операций, которые могут служить научной базой и для ис следования системной безопасности, являются "Исследование операций" П. Блэкет та (1948 г.) и "Методы исследования операций" Ф. Морза и Д. Кимбелла (1952 г.).

Крупные результаты в этом направлении получены в работах Д.А. Вентцеля, Б.В. Гнеденко, А.Н. Колмогорова, В.С. Пугачева, П.С. Краснощекова, В.Т. Кармано ва, Н.С. Северцева, А.Н. Катулева и других ученых, которые заложили основы по нимания смысла терминов "операция", "эффективность", "неопределенность", "ре шение", "надежность" и помогли разработке важных фундаментальных разделов анализа конфликтных ситуаций, оптимизационных проблем принятия решений, а также математической теории надежности и безопасности.

Понятие безопасности должно иметь единое понимание. При разработке этого понятия необходимо иметь подход, основанный на системном анализе, исследова нии операций и раскрывающий комплекс факторов, ситуаций, причин, поддающих ся доказательству, формализации, моделированию и оптимизации.

Областью исследования в настоящей диссертации являются теоретические ос новы безопасности и компьютерные методы исследования транспортных динамиче ских систем (1)–(3) и задач эффективного прогнозирования их функционирования с количественной оценкой показателей их динамической безопасности.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка численно аналитических и компьютерных методов исследования безопасности, устойчивости поведения в чрезвычайных ситуациях неавтономных транспортных динамических систем с различными типами возмущающих процессов для обеспечения безопасных режимов функционирования и прогнозирования динамики проектируемых транс портных систем различного назначения. Целью работы является также реализация единого подхода в исследовании безопасности движения различных классов транс портных динамических систем, задаваемых дифференциальными уравнениями Ла гранжа второго порядка, а также разработки пакета программ компьютерной реали зации разработанных в диссертации конструктивных методов, открывающих новые возможности для исследования поведения транспортных динамических систем и их управлением в чрезвычайных ситуациях.

Целью диссертации

является также развитие математических методов систем ной безопасности, используемых при проектировании, отработке и эксплуатации сложных технических систем различного назначения, которые могут быть полезны при исследовании социальных, экономических, социально-политических, военных и других проблем принятия решений.

Методы исследования. В диссертации широко использованы методы теории безопасности, системного анализа, качественной теории дифференциальных уравне ний, теории устойчивости движения, теории вероятностей, аналитической механики. В диссертации на основе развития первого метода А.М. Ляпунова и компьютерного моделирования предложен универсальный способ исследования влияния парамет ров диссипации и жесткости, инерционных параметров, а также геометрических па раметров проектируемого экипажа на устойчивость движения транспортных дина мических систем, разработано соответствующее программное обеспечение.

Научная новизна диссертации заключается в следующем. Проведен анализ со стояния безопасности движения на железных на дорогах РФ за период с 1992 по годы и разработаны предложения по повышению безопасности эксплуатации желез нодорожных систем в чрезвычайных ситуациях. Развиты методы исследования ус тойчивости по Ляпунову состояний равновесия решений уравнений движения транспортных динамических систем, задаваемых обыкновенными многомерными нелинейными дифференциальными уравнениями. Разработанные в диссертации ме тоды построения предельных циклов уравнений движения железнодорожной колес ной пары и проведенный анализ устойчивости предельных циклов позволяют выра ботать рекомендации по использованию технических характеристик, обеспечиваю щих безопасные режимы функционирования систем железнодорожного транспорта в чрезвычайных ситуациях. Условия существования устойчивых предельных циклов могут служить основой для разработки алгоритмов исследования устойчивости дви жения и использоваться для реализации в виде компьютерных программ. На основе уравнений динамики – уравнений Лагранжа второго рода построены новые диффе ренциальные уравнения движения транспортных динамических систем с учетом различных способов задания неровностей пути с точки зрения обеспечения безопас ности. Предложены методы оценки степени безопасности транспортных динамиче ских систем на количественном уровне, включающие параметры: вероятность безопас ности, вероятность опасности, коэффициент средней опасности, коэффициент безо пасности, стоимость ущерба, время – период безопасности и т.д. Проведено исследо вание вибробезопасности транспортных систем и на его основе предложены форму лы расчета коэффициентов жесткости и показателей демпфирования различных при боров, повышающих безопасность их эксплуатации. Выполненный анализ движения колесных транспортных средств с учетом неровностей пути того или иного профиля и проведенные серии вычислительных экспериментов могут служить основой мето дики по совершенствованию функционирования систем транспорта с точки зрения устойчивости движения, повышения безопасности и комфортабельности передви жения пассажиров и сохранности перевозимых грузов. Расчеты в рамках иллюстри рующих примеров позволили проанализировать влияние роста скорости движения на характер колебаний и безопасность движения колесных транспортных средств, а также оптимизировать параметры элементов и узлов кинематических схем транс портного средства. Результаты об устойчивости решений уравнений движения транс портных динамических систем могут применяться в задачах численного интегрирования дифференциальных уравнений при решении многих прикладных задач. Для оптимиза ции расчета характеристик транспортных динамических систем на основе первого метода Ляпунова предложен универсальный способ исследования влияния парамет ров диссипации и жесткости, инерционных параметров проектируемого экипажа на устойчивость и безопасность движения транспортных динамических систем, разра ботано соответствующее программное обеспечение.

Практическая значимость. Результаты диссертации могут быть использованы для качественного анализа безопасности транспортных динамических систем и для обеспе чения оптимальных режимов функционирования сложных динамических систем в чрез вычайных ситуациях. Практическая значимость результатов диссертации состоит также в том, что разработанные диссертантом методы и алгоритмы позволили ре шить ряд теоретических и прикладных задач теории устойчивости и безопасности транспортных динамических систем и явились основой для создания пакета про блемно-ориентированных компьютерных программ, содержащего программы рас чета динамических характеристик колесных транспортных средств.

С помощью разработанных диссертантом численно-аналитических методов с точки зрения обеспечения безопасности в чрезвычайных ситуациях исследованы уравнения движения железнодорожного экипажа, изучена устойчивость вертикаль ных колебаний железнодорожного вагона и автомобильного транспортного средст ва.

Результаты диссертации, касающиеся устойчивости и управления систем же лезнодорожного транспорта, могут найти применение при решении задач снижения износа гребней колес, снижения износа рельсов, задач оптимизации критических скоростей движения железнодорожного подвижного состава.

В диссертационной работе получен ряд результатов, которые составляют осно ву практической методики для оптимизации характеристик и оценки безопасности движения колесных транспортных средств и для управления движением в условиях высоких скоростей. В этих методиках существенную роль играют методы исследования устойчивости движения транспортных динамических систем на основе использования первого метода Ляпунова. Отметим, что предложенные алгоритмы могут быть реализо ваны в виде компьютерных программ в одной из сред программирования, что позволяет широко использовать их при решении многочисленных технических задач, связанных с разработкой и внедрением новых технических средств и технологических процессов.

Изучаемые в настоящей диссертации многомерные дифференциальные уравне ния движения колесных транспортных средств имеют важное значение в прикладной механике, динамике подвижного состава железнодорожного и автомобильного транспорта, в технической кибернетике и нелинейной динамике.

Реализация результатов. Результаты диссертации могут быть использованы при решении задач качественного и количественного анализа динамических систем естествознания и техники, а также при чтении курсов теории безопасности систем, математического моделирования, системного анализа, теории устойчивости движе ния, теории нелинейных колебаний. Ряд результатов диссертации использован в на учно-исследовательской и опытно-конструкторской работе, проводящейся в Рос сийской открытой академии транспорта, Московском государственном университе те путей сообщения, а также использован при анализе и оценке безопасности дви жения пассажирских поездов в Московско-Курском отделении Московской желез ной дороги филиала ОАО «РЖД».

Достоверность полученных результатов основана на корректности постано вок задач, строгом использовании аналитических и качественных методов, на срав нении с результатами, полученными с помощью других методов, на результатах мо делирования в широком диапазоне условий. Все утверждения диссертации обосно ваны, приведены полные обоснования выводов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, список кото рых приведен в конце автореферата. Три работы из этого списка опубликованы в науч ных изданиях, рекомендованных ВАК России.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались:

на XVI Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (PMECS08) в ИПУ РАН (Москва, 2008 г.);

на научно-практической конференции «Инженерные системы–2009» в Рос сийском университете дружбы народов (Москва, 2009 г.);

на XLV всероссийской конференции по проблемам математики, информати ки, физики и химии в Российском университете дружбы народов (Москва, 2009 г.);

на научном семинаре по методам нелинейного анализа Вычислительного цен тра РАН (Москва, 2008 г., 2009 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 150 с., список литературы включает в себя 116 наименований работ отечественных и зарубежных ав торов.

ОБЗОР СОДЕРЖАНИЯ ДИССЕРТАЦИИ В настоящей диссертации дано развитие методов и алгоритмов исследования безопасности движения колесных транспортных средств, задаваемых обыкновенны ми многомерными нелинейными дифференциальными уравнениями с учетом неров ностей пути в чрезвычайных ситуациях, а также создан пакет проблемно ориентированных программ для исследования безопасности движения колесных транспортных средств. С помощью названных методов изучаются качественные, асимптотические и количественные характеристики транспортных динамических сис тем типов (1)(3). Предложены оценки безопасности на количественном уровне.

Во Введении содержится обоснование актуальности темы диссертации и харак теристика области исследований. Дан обзор и сравнительный анализ научных ре зультатов, относящихся к теме диссертации, приведены основные цели и задачи ис следований, охарактеризованы методы решения задач, основные результаты, отме чены их научная новизна и практическая ценность. Приведено краткое содержание работы, а также представлена общая характеристика диссертации.

Первая глава «Уравнения движения и теоретические аспекты безопасности транспортных динамических систем» диссертации посвящена построению на основе уравнений динамики Лагранжа второго рода обыкновенных многомерных нелиней ных дифференциальных уравнений движения транспортных динамических систем с точки зрения обеспечения безопасности движения в чрезвычайных ситуациях. В этой главе проведен также анализ состояния безопасности движения на железных дорогах России за период с 1992 по 2007 годы и охарактеризованы существующие методы повышения безопасности движения и предупреждения аварийности на сети железных дорог. Для оценки безопасности движения транспортных динамических систем ис пользуется устойчивость по Ляпунову состояний равновесия динамических систем, которую следует рассматривать как составляющую безопасности движения. Изучена устойчивость периодических движений железнодорожной колесной пары и разра ботаны рекомендации по использованию технических характеристик, обеспечиваю щих безопасные режимы функционирования систем железнодорожного транспорта в чрезвычайных ситуациях.

Пусть уравнение движения железнодорожной колесной пары, выраженное че рез вектор x = (I r, T, I v, K ) фазовых переменных, имеет вид х = f (x, p, t), (4) где f – дифференцируемое векторное поле такое, что f : TMPI TM, где TM = MR6 – фазовое пространство, P – пространство параметров, I R – временной интервал. Траектория : (0, ) TM уравнения (4) с начальной точкой TM в ка ждый момент времени t задается однозначно начальной задачей x(0) =.

x (t) = f (x(t), p, t), (5) Показано, что если матрица монодромии M(v) имеет n собственных значений i(v), i = 1, 2,..., n, одно из этих значений равно единице, например, n(v) = 1, и если модули всех остальных n – 1 собственных значений меньше 1, то цикл орбитально устойчив. Если имеется собственное число, по модулю большее 1, то цикл орби тально неустойчив. Кроме того, рассмотрен вопрос о потере орбитальной устойчи вости при изменении скорости. В самом деле, если мультипликаторы периодическо го решения задачи (5) представляют функции скорости v и v v0, то мультипликато ры 2(v), 3(v),..., n(v) лежат внутри единичного круга 1(v) l. Это означает, что периодическое решение является орбитально устойчивым. Установлено, что при изменении скорости потеря устойчивости происходит в том случае, если один из мультипликаторов покидает единичный круг, что в общем случае может произойти одним из трех способов: а) один из мультипликаторов пересекает единичную ок ружность в точке +1;

б) один из мультипликаторов пересекает единичную окруж ность в точке –1;

в) пара комплексно-сопряженных мультипликаторов пересекает единичную окружность в точках l±i, 2/n, n = 1, 2, 3, 4. Показано, что в случае а) происходит бифуркация рождения или исчезновения пары периодических решений, в случае б) имеет место бифуркация удвоения периода, а в случае в) возникает ин вариантный тор. В случае, когда уравнение (5) обладает симметрией, то при условии а) может произойти бифуркация с потерей симметрии.

Дана характеристика неровностей пути, используемая при исследовании безо пасного движения колесных транспортных средств в чрезвычайных ситуациях.

Предложены оценки безопасности на количественном уровне. К количественной оценке безопасности следует отнести такие параметры, как вероятность безопасно сти, вероятность опасности, стоимость ущерба и время – период безопасности. Рас смотрена двумерная случайная величина = (1, 2), где 1 = t – случайная наработка транспортного средства на отказ, 2 = с – случайная величина ущерба, к которому приводит отказ. Предполагается, что известна функция распределения F() = F(t,с) вероятности того, что отказ появится за время t, и величина ущерба при этом не пре высит величину с. Очевидно, что F(0, 0) = 0. Функция F1(t,с) = 1 – F(t,с) является функцией вероятности безопасной работы и указывает на вероятность того, что за время t не произойдет отказ и величина ущерба не будет менее с.

Если F(t,с) дифференцируема по каждому из своих аргументов, то для характе ристики безопасности отказов можно использовать функцию плотности 2 F1 ( t,c ) f ( t,c ) = f ( t,c ) dtdc = 1.

, t c Рассмотрены следующие количественные оценки безопасности: средняя нара ботка на отказ T = tdt f ( t,c ) dc, 0 средний ущерб от отказа C = cdc f ( t,c ) dt, 0 коэффициент средней опасности cdc f ( t,c ) dt C 0 D= =, T tdt f ( t,c ) dc 0 коэффициент безопасности транспортного средства 1 T U= =.

1+ D T + C Значения коэффициента безопасности лежат в диапазоне (0, 1). Значения U, близкие к единице, имеют наиболее безопасные транспортные средства, в которых отказы, при водящие к значительному ущербу, маловероятны: T U = limU = 1.

lim C Проведено изучение вибробезопасности транспортных систем и на его основе проанализированы формулы расчета коэффициентов жесткости и показателей демп фирования различных приборов, эксплуатируемых в вагонах. Пусть согласно прин ципа Даламбера процесс колебаний амортизируемого объекта описывается диффе ренциальным уравнением mz1 + c ( z1 z k ) = 0, (6) где z1 – перемещение амортизируемого объекта (прибора) с массой т, zк(t) – верти кальные перемещения кузова колесного транспортного средства в месте расположе ния прибора, с – жесткость упругих элементов. При наличии демпферов в системе ам плитуды колебаний при возмущениях с любой частотой будут ограниченными. Коэф 1 1 c фициент передачи = = 1 ( v 2 =, r = ) при условии r = = 1 2 / v 2 1 r 2 m v и r = 2. В промежутке между этими значениями амплитуды колебаний растут. В зарезонансной зоне (r 2 ) значение 1, однако с увеличением коэффициент пе редачи и амплитуды колебаний z1 увеличиваются.

Результаты первой главы служат теоретической основой для исследования транспортных динамических систем нелинейной механики.

Во второй главе «Уравнения движения колесных транспортных средств с уче том неровностей пути» рассмотрены уравнения (1)–(3) движения колесных транс портных средств с учетом различных способов задания профилей неровностей пути.

В частности, проведено исследование решений уравнения вертикальных колебаний при движении железнодорожного вагона с учетом заданного профиля неровностей пути, а также решений уравнения вертикальных колебаний при движении автомо бильного транспортного средства с учетом неровностей пути заданной формы и не ровностей пути, имеющих случайный характер и определяемых известными спек тральными плотностями и взаимными спектральными плотностями кинематических возмущений. Здесь же приведены формулы расчета кинетической Т, потенциальной П энергий и диссипативной функции Ф узлов кинематических схем колесных транспортных средств. Например, для вагона:

( ) 13 = mi zi + I i i mi zi, 2 2 2 i=1 2 i = где mi, I i – масса и момент инерции массы i-ro тела;

zi, i – обобщенные скорости 18 i-ro тела;

= i, = i, i =1 i = 1 k1 ( z4 q1 ) 2, 1 = h1 ( z4 q1 ) 2, 1 = 2 где ki, hi – коэффициенты жесткости и демпфирования i-ro элемента.

Предложенные в главе 2 на основе уравнения Лагранжа второго рода уравнения (1)–(3) движения изучаемых колесных транспортных средств с учетом неровностей пути различного характера позволяют с помощью разработанного в диссертации па кета прикладных программ исследовать и оптимизировать динамические характери стики движения колесных транспортных средств с целью повышения устойчивости, комфортабельности и безопасности их движения в чрезвычайных ситуациях.

Третья глава диссертации «Исследование безопасности движения и оптими зация динамических характеристик колесных транспортных средств с учетом не ровностей пути» посвящена исследованию безопасности движения и оптимизации динамических характеристик колесных транспортных средств с учетом неровно стей пути. В частности, проведено численное изучение колебаний железнодорож ного вагона в вертикальной плоскости при его движении по неровному пути с за данной формой неровностей. Сделаны расчеты характеристик вертикальных коле баний вагона для различных значений скоростей движения. Проанализировано влияние роста скорости на характер колебаний и безопасность движения вагона.

Выполнена оптимизация динамических характеристик узлов подвески кузова ваго на, позволяющая повысить безопасность движения железнодорожного вагона при высокоскоростном движении.

Пусть железнодорожный вагон, состоящий из кузова и двух рам тележек с под буксовым подвешиванием, кинематическая схема которого изображена на рис. 3, движется вдоль железнодорожного полотна. Рассмотрим вертикальные колебания вагона на стыках железнодорожной колеи, определяемых аналитическим выражени ем вида 1 q4 = a1 sin t + a2sin t, 2 где a1 и a2 амплитуды неровностей пути, частота воздействия стыков пути на вагон, v скорость движения вагона, lр длина рельса железнодорожного пути, причем = 2l p 1 v.

Рис. 3. Основные компоненты кинематической схемы железнодорожного вагона Закон движения вагона в вертикальной плоскости записывается в виде:

d T = Qi (t ), + + (7) dt qi qi qi qi где М, С, К – соответственно матрицы масс, демпфирования, жесткости, Q(t) – век тор обобщенных сил, z – вектор обобщенных координат, z = ( z1, 1,z2, 2, z3, 3, z4, z5, z6, z7 ), zi, i – обобщенные перемещения i-го тела.

T Требуется: а) определить величину перемещений, линейных ускорений, углов поворота, угловых ускорений концентрированной первой массы (кузова) вагона от времени t для высокоскоростного движения v = 240, 280 и 320 км/ч, б) оптимизиро вать характеристики силовых элементов кинематической схемы вагона.

Результаты математического моделирования показывает, что графики зависи мостей перемещения и ускорения концентрированной массы кузова вагона от вре мени имеют вид, представленный на рис. 3,4 (толщина линий на рисунках увеличи вается для возрастающих значений скорости).

Рис.3. Зависимость перемещения от времени Рис.4. Зависимость ускорения от времени кузова вагона для v = 240, 280 и 320 км/ч кузова вагона для v = 240, 280 и 320 км/ч Перемещение кузова вагона невелико и составляет примерно 3–4 мм. Однако, максимальная амплитуда изменения линейного ускорения примерно равна 0,8 g, что достаточно близко к 1,0 g. Поэтому при проектировании железнодорожного экипа жа следует иметь в виду, что сила реакции неровностей пути, воздействующая на экипаж, может сравняться или даже превзойти вес экипажа. В самом деле, это явле ние чревато разгрузкой колесных тележек и может привести к сходу тележки с же лезнодорожной колеи и создать чрезвычайную ситуацию. Кроме того, кузов под вержен высокочастотным вибрациям. Расчеты показывают, что для снижения мак симальной амплитуды линейного ускорения и устранения высокочастотных вибра ций необходимо оптимизировать работу демпфирующих и силовых элементов ки нематической схемы вагона и установить следующие значения коэффициентов Нc демпфирования h7 = h9 = h16 = h18 = 4,76103. В результате получены графики м перемещений и линейных ускорений кузова вагона, представленные на рис. 5. Ре зультаты вычислительного эксперимента показали, что вертикальное перемещение кузова вагона немного увеличилось и стало существенно более плавным, но одно временно значительно уменьшилась амплитуда вертикального ускорения, хотя его частота и осталась прежней.

В главе выполнено также численное моделирование колебаний автомобильного транспортного средства в вертикальной плоскости при его движении по неровному пути с профилем неровностей, заданных посредством кусочно-линейной аппрокси мации. Сделаны расчеты характеристик вертикальных колебаний транспортного средства для различных значений скоростей движения. Проанализировано влияние роста скорости на характер колебаний, безопасность и комфортабельность движения транспортного средства, изучены вопросы оптимизации динамических характери стик для повышения безопасности движения колесного транспортного средства по заданному профилю неровностей пути и с заданной скоростью движения. Выполне на оптимизация динамических параметров узлов пневматической подвески сиденья водителя, кабины и рамы транспортного средства, позволяющая повысить безопас ность его движения.

Рис.5. Результаты оптимизации динамических параметров подвески вагона Рассмотрено движение в вертикальной плоскости автомобильного транспорт ного средства, состоящего из шасси, кузова, кабины, сиденья водителя, подвески и шин, кинематическая схема которого представлена на рис. 6, через препятствие заданного профиля (рис.7), аппроксимируемого следующим выражением:

z Рис. 6. Основные компоненты кинематической схемы автомобильного транспортного средства q ( x ) = N i 1 ( x ) qi 1 + N i ( x ) qi, где N i 1, N i высота неровностей дороги в точках i1 и i соответственно:

x x x xi N i 1 ( x ) = i, Ni ( x ) =.

xi xi 1 xi xi Рис. 7. Профиль неровностей дороги Общая система уравнений движения данного транспортного средства имеет вид:

Mz + Cz + Kz = Q, (8) где М, С, К – соответственно матрицы масс, демпфирования, жесткости, Q – вектор обобщенных сил, z – вектор обобщенных координат, равный ( ) zT = z1, 1, z2, 2, z3, 3, z4, z5, z6, z7, z8, z9, z10, z11, z12, z13, z14, zi, i – обобщенные перемещения i-го тела.

Проведенные с помощью программы 1 расчеты показывают, что собственная частота 9 = frequency[12] = 6.649136e-010.66 Hz колебаний сиденья водителя со ответствует зоне комфортабельного передвижения. Тем не менее, при движении ав томобильного транспортного средства через указанную неровность со скоростью v = 100 км/ч имеем зависимости следующего вида (толщина линий на рис. 8,9 увеличи вается с ростом номера zi и zi ).

Однако максимальные амплитуды перемещения z9 и ускорения zi сиденья води теля весьма значительны: z9 0.54 м, z9 22 м/с2 2.2g. Кроме того, для скоро сти v = 100 км/ч в начальный момент появляются сильные вибрации сиденья водите ля. Очевидно, управление транспортным средством в таких условиях может при вести к чрезвычайной ситуации.

Для устранения указанных недостатков посредством численно-аналитических расчетов выполнена оптимизация динамических параметров узлов пневматической Рис. 8. Зависимость перемещения от времени Рис. 9. Зависимость ускорения времени от узлов ТС для v = 100 км/ч узлов ТС для v = 100 км/ч подвески сиденья водителя, кабины и рамы автомобильного транспортного средства, позволяющая повысить безопасность его движения. В результате оптимизации ам плитуда z9 уменьшена примерно в два раза, существенно снижена амплитуда z9, практически устранены вибрации и ускорен процесс затухания колебаний сиденья водителя. Результаты виртуальных экспериментов представлены на рис. 10.

Рис.10. Результаты моделирования после оптимизации параметров подвески ТС Колебания автомобильного транспортного средства при движении по неровно му пути имеют случайный характер. Практический интерес представляет получение характеристик стационарных случайных колебаний колесного транспортного сред ства при движении его с постоянной скоростью по неровному пути. По результатам исследования движения автомобильного транспортного средства с заданной спек тральной плотностью неровностей выполнен анализ средних квадратичных ускоре ний шасси, кабины и сиденья водителя и определены соответствующие значения скоростей движения, при которых могут наступать чрезвычайные ситуации.

Проведенный в диссертации анализ движения колесных транспортных средств с учетом неровностей пути того или иного профиля и выполненные серии вычисли тельных экспериментов могут служить основой методики по совершенствованию функционирования систем транспорта с точки зрения устойчивости движения, по вышения безопасности и комфортабельности передвижения пассажиров и сохран ности перевозимых грузов. Расчеты в рамках иллюстрирующих примеров позволили проанализировать влияние роста скорости движения на характер колебаний и безо пасность движения транспортного средства в чрезвычайных ситуациях, а также оп тимизировать параметры элементов и узлов кинематической схемы транспортного средства.

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертации.

Приложение к диссертации содержит написанный в интегрированной матема тической среде Maple пакет проблемно-ориентированных компьютерных программ, состоящий из четырех программ: программы 1 для расчета собственных частот ко лебаний, перемещений, скоростей и ускорений перемещений узлов автомобильного транспортного средства при движении по заданному профилю неровностей пути;

программы 2 для определения характеристик случайных колебаний автомобильного транспортного средства при движении по пути, поверхность которого имеет слу чайную последовательность выступов и впадин;

программы 3 для вычисления соб ственных частот колебаний, перемещений, скоростей и ускорений перемещений элементов железнодорожного вагона в вертикальной плоскости при его движении по неровному железнодорожному пути и, наконец, программы графической иллю страции расчетов, выполненных с помощью программ 1, 2 и 3 соответственно.

Строки с командами программ пронумерованы в порядке возрастания. Текст про граммы 1 содержится в строках с номерами: 1172, программы 2 в строках:

173326, программы 3 в строках: 327467. Запуск программ 1, 2 и 3 осуществляет ся соответственно в строках с номерами: 158, 317 и 450.

При необходимости с помощью программы, программные модули которой при ведены в строках 1–83, возможно произвести графическую иллюстрацию расчетов, выполненных с помощью программ 1, 2 и 3 соответственно. Запуск графических подпрограмм осуществляется соответственно в строках 1, 45, 57.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ На защиту выносятся следующие результаты:

– разработка уравнений движения изучаемых транспортных динамических сис тем в условиях чрезвычайных ситуаций, с учетом разного характера неровностей пути и широкого диапазона скоростей движения;

– разработка рекомендаций и создание базы для методики по совершенствова нию функционирования систем транспорта с точки зрения устойчивости движения, повышения безопасности и комфортабельности передвижения пассажиров и со хранности перевозимых грузов;

– разработка универсального компьютерного способа определения влияния ди намических характеристик колесных транспортных средств на устойчивость и без аварийность их движения;

– исследование устойчивости периодических движений железнодорожной ко лесной пары и разработка рекомендаций по использованию технических характе ристик, обеспечивающих безопасные режимы функционирования систем железно дорожного транспорта в чрезвычайных ситуациях;

– получение оценок безопасности на количественном уровне, таких как вероят ность безопасности, вероятность опасности, коэффициент средней опасности, коэф фициент безопасности, стоимость ущерба и время – период безопасности;

– проведение серии вычислительных экспериментов по анализу безопасности движения и оптимизации динамических характеристик колесных транспортных средств с учетом заданных видов неровностей пути, позволившей дать рекоменда ции по улучшению функционирования транспортных систем с точки зрения устой чивости, безопасности, комфортабельности, в том числе для высокоскоростного движения;

Нc – расчет значений h7 = h9 = h16 = h18 = 4,76103 коэффициентов демпфиро м вания, необходимых для снижения максимальной амплитуды линейного ускорения и устранения высокочастотных вибраций вагона;

разработка в результате оптимиза ции динамических параметров узлов пневматической подвески сиденья водителя, ка бины и рамы автомобильного транспортного средства рекомендаций, позволяющих существенно снизить амплитуды колебаний и ускорений колебаний сиденья водите ля, а также практически устранить вибрации и ускорить процесс затухания колеба ний сиденья водителя;

– разработка в интегрированной математической среде Maple пакета проблем но-ориентированных программ для исследования и оптимизации динамических ха рактеристик движения колесных транспортных средств с целью повышения устой чивости, комфортабельности и безопасности движения.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

а) в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Иванова Ю.А., Голечков Ю.И., Дружинина О.В. О моделировании безопасного движения железнодорожного вагона по неровному пути // Транспорт: наука, техника, управление. 2009. № 2. С. 68.

2. Дружинина О.В., Голечков Ю.И., Иванова Ю.А. Исследование периодических движений железнодорожной колесной пары // Транспорт: наука, техника, управление. 2009. № 4. С. 2631.

3. Иванова Ю.А., Голечков Ю.И., Дружинина О.В. Моделирование высокоскоро стного движения динамических транспортных систем // Наукоемкие техноло гии. 2009. Т.10. № 3. С. 39.

б) публикации в других научных изданиях:

4. Голечков Ю.И., Иванова Ю.А. О безопасности движения колесного транспорт ного средства по пути с заданным профилем неровностей // Избранные вопро сы современного естествознания. Межвуз. сб. научн. трудов. М.: МИИТ, 2009.

С. 127–131.

5. Дружинина О.В., Иванова Ю.А., Масина О.Н. О совершенствовании математи ческих моделей безопасности транспортных систем // Вопросы теории безо пасности и устойчивости систем. Вып.11. М.: ВЦ РАН, 2009. С. 6168.

6. Иванова Ю.А., Голечков Ю.И. Изучение устойчивости и безопасности транс портных систем при движении по неровному пути // Материалы 16-й Между народной конф. «Проблемы управления безопасностью сложных систем». М.:

ИПУ РАН, 2008. С. 271274.

7. Иванова Ю.А. Исследование динамики колесного транспортного средства при движении по пути с заданной формой неровностей //Тез. докладов научно практической конф. «Инженерные системы–2009». М.: РУДН, 2009. С. 24.

8. Иванова Ю.А. Моделирование движения колесного транспортного средства по пути с заданной формой неровностей // Тез. докладов XLV всероссийской конф. по проблемам математики, информатики, физики и химии. М.: РУДН, 2009. С. 2122.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.