PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 71 Transport 29 Miros aw Dusza, Krzysztof Zboi ski Wydzia Transportu Politechnika Warszawska BADANIA WP YWU ZMIAN PARAMETRÓW WYBRANYCH FRAGMENTÓW SZLAKU KOLEJOWEGO NA W ASNO CI RUCHOWE MODELU POJAZDU SZYNOWEGO R kopis dostarczono, listopad 29 Streszczenie: Modernizacja szlaków kolejowych jest priorytetowym zadaniem w a cicieli infrastruktury kolejowej. Czynnikiem wymuszaj cym modernizacj jest stale rosn ca konkurencja ze strony dynamicznie rozwijaj cego si transportu samochodowego i lotniczego. Nowoczesne konstrukcje pojazdów szynowych pozwalaj na zmian parametrów tras, które mo na dokona przy okazji ich modernizacji. Nowoczesny pojazd i dostosowana do jego mo liwo ci trasa to dwa g ówne czynniki techniczne maj ce bezpo redni wp yw na efektywno transportu kolejowego. W niniejszym artykule podj to prób oceny zmian parametrów fragmentów trasy kolejowej na w asno ci ruchowe modelu pojazdu szynowego. Zbadano równie zmiany w asno ci modelu na wybranych fragmentach trasy, wynikaj ce ze zu ycia powierzchni tocznych kó. Parametrem obserwowanym s przemieszczenia poprzeczne atakuj cego zestawu ko owego modelu. Graficzna prezentacja tego parametru w funkcji drogi lub pr dko ci jest form przedstawienia wyników. 1. WST P Decyduj cy wp yw na efektywno transportu kolejowego ma stan infrastruktury. W odniesieniu do transportu pasa erskiego o efektywno ci decyduj g ównie - czas przejazdu danego odcinka i komfort jazdy. Podejmowane dzia ania maj ce na celu zwi kszenie efektywno ci transportu pasa erskiego w pierwszej kolejno ci obejmuj tabor. Czynno ci zwi zane z popraw stanu toru wykonywane s zwykle w krótszym lub d u szym okresie czasu po wprowadzeniu na danym odcinku nowych lub zmodernizowanych pojazdów. Post powanie takie wynika z faktu, e zakup czy modernizacja taboru mo e by zrealizowana w krótszym okresie czasu i mniejszym nak adem rodków w porównaniu z modernizacj trasy kolejowej. Ponadto efekty dzia a widoczne s bezpo rednio po wprowadzeniu nowego taboru (cho nie zawsze odczuwalne), natomiast efekty modernizacji trasy dostrzegane s w mniejszym stopniu.
24 Miros aw Dusza, Krzysztof Zboi ski W roku 26 na trasie kolejowej Kraków Wadowice wprowadzono do eksploatacji tzw.,,poci g Papieski. Jest to zmodernizowany pojazd typu EZT. Pomimo poprawy parametrów ruchowych tego pojazdu, czas przejazdu trasy nie uleg skróceniu. Efekt dzia a przyniós wy cznie biern popraw komfortu (wyposa enie pojazdu w nowe siedzenia, system informacji pasa erskiej i inne elementy wystroju wn trza). W zwi zku z planowan nast pn modernizacj trasy postanowiono zmieni geometri uków poprzez zmniejszenie warto ci promieni i zwi kszenie warto ci przechy ek. Ze wzgl du na po o enie trasy w terenie górzystym nie istnia a mo liwo powi kszenia promieni uków. Z trasy tej wybrano dwa odcinki. Ka dy odcinek sk ada si z toru prostego, krzywych przej ciowych i uku ko owego. Wykonane badania mia y na celu pokazanie wp ywu modernizacji szlaku kolejowego na w asno ci ruchowe modelu pojazdu szynowego [13]. Obserwacji i analizie poddano przemieszczenia poprzeczne atakuj cego zestawu ko owego y p, przedstawione w funkcji drogi pokonywanej przez model. Ponadto wykonano wykresy stateczno ci ruchu przedstawiaj ce zale no warto ci maksymalnych z bezwzgl dnych warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego ( y p max) w funkcji pr dko ci ruchu modelu oraz warto ci mi dzyszczytowe tych przemieszcze (WMS) równie w funkcji pr dko ci ruchu. Zasad tworzenia takich wykresów przedstawiono w [1]. 2. BADANY MODEL Model matematyczny i numeryczny zosta zaczerpni ty z [2, 5]. Jest to model pojazdu szynowego dwuosiowego z jednym stopniem uspr ynowania. Struktura kinematyczna modelu przedstawiona jest na rys. 2.1. Odpowiada ona strukturze wagonu towarowego HSFV1 kolei brytyjskich. Rys. 2.1. Struktura modelu pojazdu
Badania wp ywu zmian parametrów wybranych fragmentów szlaku kolejowego. 25 Model wagonu uzupe niono o poprzecznie i pionowo podatny model toru o strukturze pokazanej na rys. 2.2. Model wagonu i toru s badane cznie, stanowi c dyskretny uk ad pojazd szynowy tor o osiemnastu stopniach swobody. a) m ty k ty t c ty b) y 2b z m t m t k t c t k t c t x r t m t k t c t Rys. 2.2. Struktura modelu toru: a) poprzecznego, b) pionowego Model matematyczny uk adu zbudowano zgodnie z metodyk uogólnionego modelowania dynamiki pojazdów szynowych przedstawion w [5]. Dynamika pojazdu jest w tej metodzie dynamik ruchu wzgl dnego. Oznacza to, e jej opis jest wykonany wzgl dem ruchomych uk adów odniesienia zwi zanych z lini rodkow toru. Do opisu zastosowano formalizm Lagrange a II rodzaju adaptowany do opisu w uk adach ruchomych o postaci: d E E w w QZ QB, 1,,k dt q q... (1) gdzie q, Q Z, Q B, k oznaczaj odpowiednio: wspó rz dne uogólnione ruchu wzgl dnego, uogólnione si y zewn trzne, uogólnione si y pozorne, liczb stopni swobody uk adu, E w energia kinetyczna ruchu wzgl dnego. Równania (1) i sposób wyznaczania si Q B omówiono w [2, 4, 5]. Na nieliniowo równa sk adaj si nieliniowo ci kinematyczne, si y pozorne, nieliniowa geometria kontaktu ko o szyna oraz nieliniowe si y styczne w tym kontakcie, obliczane za pomoc procedury FASTSIM. Przyj to natomiast liniowo si spr ysto ci i t umienia w elementach podatnych.
26 Miros aw Dusza, Krzysztof Zboi ski W modelu zastosowano nominalne jak i cz ciowo zu yte profile kó typu S12 i nominalne zarysy szyn typu UIC6 o rzeczywistym zarysie, co jest jedn z przyczyn nieliniowej geometrii kontaktu. Informacje o geometrii wprowadzane s do modelu poprzez tablice parametrów kontaktowych. S one tworzone za pomoc programu RSGEO ArgeCare. Program ten wymaga danych wej ciowych w postaci zarysów (teoretycznych lub zmierzonych) kó i szyn i na tej podstawie rozwi zuje dwuwymiarowe zagadnienie geometryczne, polegaj ce na poszukiwaniu punktów kontaktu mi dzy zarysami w funkcji ich wzgl dnego przemieszczenia poprzecznego. Ponadto uwzgl dnia zmiany parametrów kontaktowych zwi zane ze zmienno ci k ta nabiegania (obrót wokó osi pionowej). Tor ma standardow szeroko 1435mm i pochylenie szyn 1/4. Badany model nale y do uk adów fizycznych o tzw. sztywnym pobudzeniu. Oznacza to, e okre lenie warto ci krytycznych jego parametrów ruchowych wymaga zadania wymusze pocz tkowych o odpowiedniej warto ci. W badaniach, których wyniki zamieszczono poni ej, wymuszenia pocz tkowe jako przemieszczenia poprzeczne zestawów ko owych o warto ci,45m zadawane by y na oba zestawy ko owe. 3. PARAMETRY BADANYCH TRAS I MODELU POJAZDU Trasy, dla których wykonano badania stanowi fragmenty szlaku kolejowego poddanego modernizacji (podbiciu). Zbadano w asno ci ruchowe modelu pojazdu na ukach i trasach z o onych (tor prosty - krzywa przej ciowa - uk ko owy - krzywa przej ciowa - tor prosty) przed i po modernizacji. Parametry tras zestawione s w tablicy 1. Ponadto na torze prostym okre lano warto ci pr dko ci krytycznej modelu wyposa onego w zarysy kó o ró nym stopniu zu ycia. Badane trasy z o one Przed Krzywa modernizacj przej ciowa uk ko owy L = 16m Trasa 1 L = 1m L = 7m R = 291,6m h =,1235m Trasa 2 L = 1m L = 6m Po modernizacji Krzywa przej ciowa Trasa 1 L = 1m L = 7m Trasa 2 L = 1m L = 6m L = 5m R = 254m h =,113m uk ko owy L = 16m R = 286,4m h =,167m L = 5m R = 249,7m h =,1396m Krzywa przej ciowa L = 7m L = 6m Krzywa przej ciowa L = 7m L = 6m L = 1m L = 1m (lub 23m) L = 1m L = 1m (lub 23m) Tablica 1
Badania wp ywu zmian parametrów wybranych fragmentów szlaku kolejowego. 27 Zastosowano nast puj ce oznaczenia: L d ugo danego odcinka; R promie uku; h przechy ka toru. Na poszczególnych trasach badano model pojazdu posiadaj cy zarys kó typu S12 nazwane - nominalne, mniej zu yte i bardziej zu yte. Wielko i posta zu ycia przedstawia rys. 3.1..1.5 Zarys bardziej zu yty Zarys mniej zu yty S12 -.5 Zarys nominalny -.1 -.15 -.2 -.25 -.3 -.6 -.4 -.2.2.4.6 Rys. 3.1. Badane zarysy kó typu S12 Jak mo na zaobserwowa zu yciu uleg y g ównie powierzchnie toczne kó i uki przej ciowe, zu ycie obrze y jest niewielkie. Wszystkie ko a pojazdu maj jednakow posta zarysów kó. Wraz ze wzrostem zu ycia zarysu na powierzchni tocznej nast puje zmniejszenie warto ci promienia tocznego ko a. Jest to uwzgl dnione w badanym modelu poprzez odj cie od warto ci nominalnej promienia tocznego ko a, warto ci zu ycia na okr gu tocznym ko a. Przyj to, e dla zarysu mniej zu ytego zmniejszenie warto ci promienia tocznego wynosi,1m a dla zarysu bardziej zu ytego,3m. Wykresy przedstawione na rys. 3.2 i 3.3 obrazuj zmian warto ci promieni tocznych ko a prawego r p i lewego r l w funkcji przemieszcze poprzecznych rodka zestawu ko owego. Mo na na nich zaobserwowa ró nice w stosunku do zarysu nominalnego S12, dla którego promienie toczne kó w po o eniu rodkowym zestawu wynosz,375m.
28 Miros aw Dusza, Krzysztof Zboi ski.4.398.396 r p r l.394.392 Zarys S12 mniej zu yty.39.388 r p, r l;.386.384.382.38.378.376 Zarys S12 nominalny Zarys S12 nominalny.374.372.37 -.8 -.4.4.8 y p; Rys. 3.2. Promienie toczne r p ko a prawego i r l ko a lewego dla zarysu S12 mniej zu ytego w funkcji przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego.4.398.396 r p Zarys S12 bardziej zu yty r l.394.392.39.388 r p, r l ;.386.384.382.38.378.376 Zarys S12 nominalny Zarys S12 nominalny.374.372.37 -.8 -.4.4.8 y p ; Rys. 3.3. Promienie toczne r p ko a prawego i r l ko a lewego dla zarysu S12 bardziej zu ytego w funkcji przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego
Badania wp ywu zmian parametrów wybranych fragmentów szlaku kolejowego. 29 Dla poszczególnych zarysów policzono ekwiwal tn sto kowato e w zakresie przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego y p od,9m do,9m wg zale no ci: tg e 1 2 rp rl y p gdzie: r p, r l promienie toczne ko a prawego i lewego; y p przemieszczenia poprzeczne rodka zestawu ko owego z po o enia rodkowego; - k t wierzcho kowy sto ka zarysu ko a. Wyniki oblicze przedstawiono na rys. 3.4 i 3.5. 3 2.8 2.6 Zarys S12 mniej zu yty 2.4 2.2 2 1.8 tg 1.6 1.4 1.2 1 Zarys S12 nominalny.8.6.4.2 -.8 -.4.4.8 yp; Rys. 3.4. Ekwiwalentna sto kowato dla zarysu S12 mniej zu ytego
3 Miros aw Dusza, Krzysztof Zboi ski 3 2.8 Zarys S12 bardziej zu yty 2.6 2.4 2.2 2 1.8 tg 1.6 1.4 1.2 1 Zarys S12 nominalny.8.6.4.2 -.8 -.4.4.8 yp; Rys. 3.5. Ekwiwalentna sto kowato dla zarysu S12 bardziej zu ytego 4. WYNIKI BADA Badania rozpocz to od wyznaczenia warto ci pr dko ci krytycznej (v n ) modelu z nominalnymi zarysami kó S12 i szyn UIC6. Pr dko krytyczna okre lana jest na torze prostym i w tym przypadku wynosi 41m/s (rys. 4.1 i 4.2). Oznacza to, e dla pr dko ci ruchu mniejszych od tej warto ci wyst puj wy cznie rozwi zania stateczne stacjonarne WMS= i zestawy ko owe po wytr ceniu z po o enia równowagi wymuszeniami pocz tkowymi w miar pokonywania drogi ustawiaj si centralnie w torze y p max =. Przy pr dko ci 41m/s nast puje bifurkacja rozwi za do statecznych okresowych o charakterze cyklu granicznego. W pocz tkowym zakresie tego obszaru (do pr dko ci 46m/s) mo na zauwa y wzrost warto ci przemieszcze i WMS, po czym nast puje stabilizacja y p max na poziomie ok.,48m i WMS ok.,96m a do pr dko ci wykolejenia 2m/s. Kolejn badan tras by uk ko owy z trasy 1 (tablica 1), przed modernizacj (podbiciem) o promieniu R=291,6m i przechy ce h=,1235m a nast pnie po modernizacji, w wyniku której promie zmniejszy si do R=286,4m i przechy ka wzros a do h=,167m.
Badania wp ywu zmian parametrów wybranych fragmentów szlaku kolejowego. 31 Badania rozpocz to od pr dko ci 1m/s (36km/h). Jak mo na zauwa y warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego rosn wraz ze wzrostem pr dko ci ruchu od ok.,3m do ok.,65m. Jest to efektem niezrównowa enia si dzia aj cych w p aszczy nie poziomej modelu. Ró nice warto ci przemieszcze dla stanu przed i po modernizacji s bardzo ma e. na uku przed modernizacj pojawia si przy pr dko ci 39m/s, natomiast po modernizacji przy 4m/s. Oznacza to, e na tej trasie nie ma mo liwo ci ruchu z pr dko ci wi ksz od krytycznej. Wyst puj wy cznie rozwi zania stateczne stacjonarne (WMS=). y p max;.7.6.5.4.3.2.1 (R=291.6m, h=.1235m) Tor prosty (39m/s) (4m/s) (R=286.4m, h=.167m) Pr dko krytyczna (41m/s) S12/UIC6. T-1 (2m/s) 4 8 12 16 2 Rys. 4.1. Warto ci maksymalne z bezwzgl dnych warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego modelu z nominalnymi zarysami kó i szyn ( uk z trasy 1) WMS;.1.8.6.4.2 Przed podbiciem (R=291.6m, h=.1235m) Po podbiciu (R=286.4m, h=.167m) Pr dko krytyczna (41m/s) S12/UIC6. T1 (39m/s przed podbiciem 4m/s po podbiciu) 4 8 12 16 2 Rys. 4.2. Warto ci mi dzyszczytowe przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego modelu z nominalnymi zarysami kó i szyn ( uk z trasy 1) Nast pn badan tras by uk ko owy z trasy 2 o promieniu R=254m i przechy ce h=,113m przed modernizacj oraz promieniu R=249,7m i przechy ce h=,1396m po modernizacji. Tutaj równie badania rozpocz to od pr dko ci 1m/s (rys. 4.3 i 4.4). y p max;.7.6.5.4.3.2.1 (R=254m, h=.113m) (35m/s) (36m/s) (R=249.7m, h=.1396m) Pr dko krytyczna (41m/s) S12/UIC6. 4 8 12 16 2 T-2 (2m/s) Rys. 4.3. Warto ci maksymalne z bezwzgl dnych warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego modelu z nominalnymi zarysami kó i szyn ( uk z trasy 2) WMS;.1.8.6.4.2 Przed podbiciem (R=254m, h=.113m) Po podbiciu (R=249.7m, h=.1396m) (35m/s przed podbiciem 36m/s po podbiciu) Pr dko krytyczna (41m/s) S12/UIC6. T2 4 8 12 16 2 Rys. 4.4. Warto ci mi dzyszczytowe przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego modelu z nominalnym zarysami kó i szyn ( uk z trasy 2)
32 Miros aw Dusza, Krzysztof Zboi ski Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego narastaj wraz ze wzrostem pr dko ci ruchu od ok.,3m do ok.,62m przy pr dko ci wykolejenia, która przed modernizacj wynosi 35m/s a po modernizacji 36m/s. Równie na tej trasie nie ma mo liwo ci ruchu z pr dko ci wi ksz od krytycznej. Wyst puj wy cznie rozwi zania stateczne stacjonarne (WMS=). Jak mo na zauwa y modernizacja ma niewielki wp yw na warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego, jednak e jest to wp yw pozytywny gdy warto ci przemieszcze uleg y zmniejszeniu. Kolejnym badanym przypadkiem jest model z cz ciowo zu ytymi zarysami kó typu S12, nazwanymi,,mniej zu yty. Pr dko krytyczna wyznaczona na torze prostym ma tutaj warto 37,5m/s (rys. 4.5 i 4.6). Dla pr dko ci mniejszych wyst puj wy cznie rozwi zania stateczne stacjonarne (WMS=), dla wi kszych wy cznie stateczne okresowe o od ok.,3m do ok.,62m przy pr dko ci wykolejenia, która przed modernizacj wynosi 35m/s a po modernizacji 36m/s. Równie na tej trasie nie ma mo liwo ci ruchu z pr dko ci wi ksz od krytycznej. Wyst puj wy cznie rozwi zania stateczne stacjonarne (WMS=). Jak mo na zauwa y modernizacja ma niewielki wp yw na warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego, jednak e jest to wp yw pozytywny gdy warto ci przemieszcze uleg y zmniejszeniu w charakterze cyklu granicznego. pojawia si przy pr dko ci 9m/s. Nast pnie wykonano symulacje ruchu na uku ko owym z trasy 1, przed modernizacj (R=291,6m i h=,1235m) i po modernizacji (R=286,4m i h=,167m). y p max;.5.4.3.2.1 (R=291.6m, h=.1235m) (R=286.4m, h=.167m) S12 mniej zu yty/uic6. T-1 (37m/s) Pr dko krytyczna (37,5m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 WMS;.1.8.6.4.2 (R=291.6m, h=.1235m) (R=286.4m, h=.167m) S12 mniej zu yty/uic6 T1 Pr dko krytyczna (37,5m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Rys. 4.5. Warto ci maksymalne z bezwzgl dnych warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego modelu z mniej zu ytymi zarysami kó i nominalnymi zarysami szyn ( uk z trasy 1) Rys. 4.6. Warto ci mi dzyszczytowe przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego modelu z mniej zu ytymi zarysami kó i nominalnymi zarysami szyn ( uk z trasy 1) Rozpocz to od pr dko ci 1m/s, przy której przemieszczenia poprzeczne zestawu maj warto ok.,12...,14m. S wi c o ok.,16m mniejsze ni na tej samej trasie w modelu z nominalnymi zarysami kó. Ró nica ta widoczna jest w ca ym zakresie mo liwych pr dko ci ruchu. Wyst puj wy cznie rozwi zania stateczne stacjonarne (WMS=). Tutaj równie modernizacja toru nie ma znacz cego wp ywu na warto ci
Badania wp ywu zmian parametrów wybranych fragmentów szlaku kolejowego. 33 przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego. Jednak e zmniejszenie warto ci przemieszcze jest zjawiskiem pozytywnym. Zarówno przed jak i po modernizacji pr dko wykolejenia wynosi 37m/s, a wi c równie ruch z pr dko ci wi ksz od krytycznej jest niemo liwy. Analogicznie na uku trasy 2 (rys. 4.7 i 4.8), przed modernizacj (R=254m i h=,113m) i po modernizacji (R=249,7m i h=,1396m), przemieszczenia maj zbli one warto ci i s o ok.,12...,14m mniejsze ni w modelu z nominalnymi zarysami (rys. 4.3 i 4.4). Wyst puj wy cznie rozwi zania stateczne stacjonarne (WMS=). Pr dko wykolejenia w obu przypadkach wynosi 35m/s. y p max;.5.4.3.2.1 (R=254m, h=.113m) (R=249.7m, h=.1396m) S12 mniej zu yty/uic6. T-2 (35m/s) Pr dko krytyczna (37,5m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 WMS;.1.8.6.4.2 (R=254m, h=.113m) (R=249.7m, h=.1396m) S12 mniej zu yty/uic6 T2 Pr dko krytyczna (37,5m/s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Rys. 4.8. Warto ci mi dzyszczytowe przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego modelu z mniej zu ytymi zarysami kó i nominalnymi zarysami szyn ( uk z trasy 2) Ostatnim badanym zarysem kó jest zarys S12 nazwany,,bardziej zu yty. Rozpocz to od okre lenia warto ci pr dko ci krytycznej na torze prostym. Okazuje si, e y p ; Rys. 4.7. Warto ci maksymalne z bezwzgl dnych warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego modelu z mniej zu ytymi zarysami kó i nominalnymi zarysami szyn ( uk z trasy 2).1.5 -.5 -.1 1 2 3 4 5 Rys. 4.9. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu z bardziej zu ytymi zarysami kó S12 dla pr dko ci ruchu 4m/s 4m/s charakterystyczn cech modelu z tak zu ytymi zarysami kó s rozwi zania stateczne okresowe o charakterze cyklu granicznego w ca ym zakresie mo liwych pr dko ci ruchu. Przyk ad takich rozwi za (w funkcji drogi) dla pr dko ci ruchu 4 m/s (14,4km/h) zamieszczono na rys. 4.9. Dla pr dko ci mniejszych od krytycznej, przemieszczenia maj WMS ok.,2m i zmieniaj si nieznacznie w raz ze wzrostem pr dko ci ruchu (rys. 4.1 i 4.11). Przy pr dko ci krytycznej 38m/s nast puje skokowa zmiana warto ci przemieszcze i WMS (do ok.,5m), które nast pnie rosn nieznacznie wraz ze
34 Miros aw Dusza, Krzysztof Zboi ski wzrostem pr dko ci ruchu. Pr dko wykolejenia wynosi 11 m/s. Tak jak dla poprzednich zarysów zbadano w asno ci ruchowe modelu na uku trasy 1 przed modernizacj (R=291,6m i h=,1235m) i po modernizacji (R=286,4m i h=,167m). W ca ym zakresie mo liwych pr dko ci ruchu wyst puj rozwi zania stateczne stacjonarne (WMS=). Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego s o ok.,2m mniejsze od tych dla nominalnych zarysów i nieco mniejsze od przemieszcze dla poprzednio badanych zarysów. Równie tutaj modernizacja trasy ma niewielki lecz pozytywny wp ywu na badane w asno ci modelu. Pr dko wykolejenia w obu przypadkach wynosi 39m/s. Jest wi c o 1m/s y p max;.5.4.3.2.1 (R=291.6m, h=.1235m) (R=286.4m, h=.167m) (39m/s) S12 bardziej zu yty/uic6. T-1 Pr dko krytyczna (38m/s) (11m/s) 2 4 6 8 1 Rys. 4.1. Warto ci maksymalne z bezwzgl dnych warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego modelu z bardziej zu ytymi zarysami kó i nominalnymi zarysami szyn ( uk z trasy 1) WMS;.6.5.4.3.2.1 (R=291.6m, h=.1235m) (R=286.4m, h=.167m) (39m/s) S12 bardziej zu yty/uic6 T1 (11m/s) Pr dko krytyczna (38m/s) 2 4 6 8 1 Rys. 4.11. Warto ci mi dzyszczytowe przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego modelu z bardziej zu ytymi zarysami kó i nominalnymi zarysami szyn ( uk z trasy 1) wi ksza od pr dko ci krytycznej, jednak wyst puj wy cznie rozwi zania stateczne stacjonarne. Wyniki uzyskane z bada na uku trasy 2 przed modernizacj (R=254m i h=,113m) i po modernizacji (R=249,7m i h=,1396m) zamieszczono na rys. 4.12 i 4.13. y p max;.5.4.3.2.1 (R=254m, h=.113m) (R=249.7m, h=.1396m) (35m/s) (36m/s) S12 bardziej zu yty/uic6. T-2 Pr dko krytyczna (38m/s) (11m/s) 2 4 6 8 1 Rys. 4.12. Warto ci maksymalne z bezwzgl dnych warto ci przemieszcze zu ytymi poprzecznych zarysami. zestawu ko owego modelu z bardziej zu ytymi zarysami kó i nominalnymi zarysami szyn ( uk z trasy 2) WMS;.6.5.4.3.2 (R=254m, h=.113m).1 (R=249.7m, h=.1396m) S12 bardziej zu yty/uic6. T2 Pr dko krytyczna (38m/s) (35m/s przed podbiciem 36m/s po podbiciu) 2 4 6 8 1 Rys. 4.13. Warto ci mi dzyszczytowe przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego modelu z bardziej zu ytymi zarysami kó i nominalnymi zarysami szyn ( uk z trasy 2)
Badania wp ywu zmian parametrów wybranych fragmentów szlaku kolejowego. 35 Tutaj równie przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego s o ok.,2m mniejsze ni w modelu z nominalnymi zarysami kó i ok.,6m mniejsze ni w modelu z,,mniej zu ytymi zarysami. Równie w ca ym zakresie mo liwych pr dko ci ruchu wyst puj rozwi zania stateczne stacjonarne. Pr dko wykolejenia wynosi 35m/s przed modernizacj i 36m/s po modernizacji. Tak wi c równie tutaj ruch z pr dko ci wi ksz od krytycznej jest niemo liwy. Kolejny etap bada zawiera prób okre lenia w asno ci ruchowych modelu na trasach z o onych wg tablicy 1. Porównano warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego dla ró nych pr dko ci ruchu przed i po modernizacji trasy. W ka dym przypadku na zestawy ko owe nak adane by y wymuszenia pocz tkowe. Rozpocz to od modelu z,,mniej zu ytymi zarysami kó. Wykresy na rysunkach 4.14-4.17 przedstawiaj warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego na trasie 1, przed i po modernizacji dla pr dko ci ruchu kolejno: 5, 6, 7 i 8km/h. Pierwsze 1m trasy to tor prosty. Mo na zauwa y, e po wytr ceniu z po o enia równowagi wymuszeniami pocz tkowymi zestaw ko owy ustawia si centralnie w torze. Nast pnie rozpoczyna si krzywa przej ciowa o d ugo ci 7m i dalej uk ko owy o d ugo ci 16m. Tutaj dopiero zauwa alne s ró nice w warto ciach przemieszcze przed i po modernizacji. S jednak niewielkie ok.,2m. Dalej krzywa przej ciowa 7m i tor prosty 1m..3 S12 mniej zu yty/uic6 5 km/h.3 S12 mniej zu yty/uic6 6 km/h.2.2 y p ;.1 y p ;.1 -.1 -.2 1 2 3 4 5 -.1 -.2 1 2 3 4 5 Rys. 4.14. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 1 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 5km/h Rys. 4.15. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 1 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 6km/h W miar zwi kszania pr dko ci ruchu rosn warto ci przemieszcze na uku, jednak ró nice mi dzy stanem przed modernizacj i po modernizacji pozostaj na zbli onym poziomie. Analogiczne symulacje wykonano na trasie 2. Wyniki dla kolejno zwi kszanych pr dko ci ruchu zestawione s na rys. 4.18... 4.21. Pierwszy odcinek trasy to tor prosty o d ugo ci 1m. Nast pnie krzywa przej ciowa 6m i uk ko owy o d ugo ci 5m. W tym przypadku równie przemieszczenia po modernizacji s nieznacznie mniejsze ni przed modernizacj. Dalsza cz trasy to krzywa przej ciowa 6m i tor prosty 1m.
36 Miros aw Dusza, Krzysztof Zboi ski.3 S12 mniej zu yty/uic6 7 km/h.3 S12 mniej zu yty/uic6 8 km/h.2.2.1.1 y p ; -.1 -.2 -.3 1 2 3 4 5 y p ; -.1 -.2 -.3 1 2 3 4 5 Rys. 4.16. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 1 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 7km/h Rys. 4.17. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 1 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 8km/h.3 S12 mniej zu yty/uic6 5 km/h.3 S12 mniej zu yty/uic6 6 km/h.2.2.1.1 y p ; -.1 y p ; -.1 -.2 -.2 -.3 1 2 3 4 -.3 1 2 3 4 Rys. 4.18. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 2 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 5km/h Rys. 4.19. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 2 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 6km/h Model z,,bardziej zu ytymi zarysami kó S12 charakteryzowa si rozwi zaniami statecznymi okresowymi o charakterze cykli granicznych w ca ym zakresie mo liwych pr dko ci ruchu na torze prostym. Wyniki bada na trasie 1 dla kolejno zwi kszanych pr dko ci ruchu zestawione s na rysunkach 4.22-4.25. Pierwszy odcinek to tor prosty 1m, gdzie po wytr ceniu z po o enia równowagi zestaw ko owy przemieszcza si cyklicznie wokó po o enia rodkowego w torze z amplitud ok.,2m.
Badania wp ywu zmian parametrów wybranych fragmentów szlaku kolejowego. 37.3 S12 mniej zu yty/uic6 7 km/h.3 S12 mniej zu yty/uic6 8 km/h.2.2 y p ;.1 -.1 -.2 -.3 1 2 3 4 Rys. 4.2. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 2 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 7km/h y p ;.1 -.1 -.2 -.3 1 2 3 4 Rys. 4.21. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 2 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 8km/h Nast pnie zaczyna si krzywa przej ciowa o d ugo ci 7m, na której rozwi zania stateczne okresowe przechodz w stateczne stacjonarne. Taki charakter rozwi za utrzymuje si na uku ko owym o d ugo ci 16m i kolejnej krzywej przej ciowej o d ugo ci 7m. Wjazd na odcinek toru prostego powoduje ponowne przej cie do rozwi za statecznych okresowych o charakterze cyklu granicznego, które utrzymuj si do ko ca badanej trasy. Aby pokaza tendencje rozwi za w dalszej cz ci trasy wyd u ono odcinek toru prostego do 2 (23)m..2 S12 bardziej zu yty/uic6 5 km/h.2 S12 bardziej zu yty/uic6 6 km/h.1.1 y p ; y p ; -.1 -.2 1 2 3 4 5 6 -.1 -.2 1 2 3 4 5 6 Rys. 4.22. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 1 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 5km/h(zarysy kó S12 bardziej zu yte) Rys. 4.23. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 1 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 6km/h(zarysy kó S12 bardziej zu yte)
38 Miros aw Dusza, Krzysztof Zboi ski.2 S12 bardziej zu yty/uic6 7 km/h.2 S12 bardziej zu yty/uic6 8 km/h.1.1 y p ; y p ; -.1 -.2 1 2 3 4 5 6 Rys. 4.24. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 1 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 7km/h(zarysy kó S12 bardziej zu yte) -.1 -.2 1 2 3 4 5 6 Rys. 4.25. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 1 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 8km/h (zarysy kó S12 bardziej zu yte) Jak mo na zauwa y w miar zwi kszania pr dko ci ruchu rosn warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego na uku. S jednak nieco mniejsze ni dla modelu z,,mniej zu ytymi zarysami na tej samej trasie przy analogicznych pr dko ciach. Nieznacznie wzrasta równie amplituda przemieszcze na torze prostym wraz ze wzrostem pr dko ci ruchu. Jednak e ró nice amplitud na torze prostym przed i po modernizacji s znikome. Równie w tym przypadku modernizacja toru spowodowa a niewielkie zmniejszenie warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego w uku. Analogiczne symulacje wykonano na trasie 2. Wyniki zestawiono na rysunkach 4.26-4.29. Tutaj równie na torze prostym (pierwsze 1m) wyst puj rozwi zania stateczne okresowe, które przechodz w stateczne stacjonarne na krzywej przej ciowej o d ugo ci 6m..2 S12 bardziej zu yty/uic6 5 km/h.2 S12 bardziej zu yty/uic6 6 km/h.1.1 y p ; y p ; -.1 -.1 -.2 1 2 3 4 5 Rys. 4.26. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 2 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 5km/h (zarysy kó S12 bardziej zu yte) -.2 1 2 3 4 5 Rys. 4.27. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 2 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 6km/h (zarysy kó S12 bardziej zu yte)
Badania wp ywu zmian parametrów wybranych fragmentów szlaku kolejowego. 39.2 S12 bardziej zu yty/uic6 7 km/h.2 S12 bardziej zu yty/uic6 8 km/h.1.1 y p ; -.1 -.2 y p ; -.1 -.2 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Rys. 4.28. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 2 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 7 km/h (zarysy kó S12 bardziej zu yte) Rys. 4.29. Przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego modelu na trasie 2 (z o onej) przy pr dko ci ruchu 8 km/h (zarysy kó S12 bardziej zu yte) Taki charakter rozwi za utrzymuje si na uku ko owym o d ugo ci 5m i nast puj cej po min krzywej przej ciowej o d ugo ci 6m. Wjazd na tor prosty powoduje ponowne przej cie do rozwi za statecznych okresowych o charakterze cyklu granicznego. Tak jak na poprzedniej trasie, przemieszczenia poprzeczne zestawu ko owego na uku narastaj wraz ze wzrostem pr dko ci ruchu, s jednak nieco mniejsze ni dla modelu z,,mniej zu ytymi zarysami. Równie w tym przypadku mo na zauwa y, e modernizacja toru w niewielkim stopniu zmniejszy a warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego na uku. 5. PODSUMOWANIE Powi kszenie przechy ki toru w ukach jest naturalnym czynnikiem modernizacyjnym w d eniu do zwi kszenia pr dko ci ruchu. Wp ywa równie na popraw parametrów bezpiecze stwa i komfortu jazdy. Nale y jednak pami ta, e na trasie mog porusza si poci gi towarowe z mniejszymi pr dko ciami. W tym przypadku nadmierne warto ci przechy ek mog wp ywa niekorzystnie zarówno na pojazdy jak i tor. W wietle badanych parametrów, modernizacja toru spowodowa a niewielkie zmniejszenie warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego w ukach, co jest zjawiskiem korzystnym. Zu ycie zarysów kó ma wp yw na w asno ci ruchowe modelu. Nie mo na jednak stwierdzi jednoznacznie, czy jest to wp yw pozytywny czy negatywny. Pozytywnym wp ywem jest zmniejszanie warto ci przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego wraz ze wzrostem zu ycia zarysu. Negatywny wp yw, to wyst powanie rozwi za statecznych okresowych na torze prostym w ca ym zakresie mo liwych pr dko ci ruchu. Oznacza to, e zestawy ko owe z tak zu ytymi zarysami staj si generatorami drga samowzbudnych.
4 Miros aw Dusza, Krzysztof Zboi ski Niew tpliwie negatywny wp yw ma równie gwa towny wzrost ekwiwalentnej sto kowato ci w zakresie przemieszcze poprzecznych zestawu ko owego wi kszych od,15 m (rys. 3.4 i 3.5). Wzrost warto ci ekwiwalentnej sto kowato ci prowadzi do zmniejszenia warto ci pr dko ci odpowiadaj cej cz sto ci krytycznej [12]. W zwi zku z tym im wi ksza jest ekwiwalentna sto kowato tym mniejsza dopuszczalna warto ci pr dko ci ruchu pojazdu. Bibliografia 1. Dusza M.: Badania symulacyjne stateczno ci ruchu pojazdu szynowego w uku z uwzgl dnieniem wp ywu zmian wybranych parametrów uk adu, Praca doktorska, Politechnika Warszawska, Warszawa, 25. 2. Kisilowski J., red.: Dynamika uk adu mechanicznego pojazd szynowy tor, PWN, Warszawa, 1991. 3. Zboi ski K.: Dynamical investigation of railway vehicles on a curved track, European Journal of Mechanics, Part A Solids, vol. 17, no. 6: 11-12, 1998. 4. Zboi ski K.: Importance of imaginary forces and kinematic type nonlinearities for description of railway vehicle dynamics, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, part F, Journal of Rail and Rapid Transit, vol. 213, F3: 199-21, 1999. 5. Zboi ski K.: Metodyka modelowania dynamiki pojazdów szynowych z uwzgl dnieniem zadanego ruchu unoszenia i jej zastosowania, Prace Naukowe Transport, z. 43, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2. 6. Zboi ski K., Dusza M.: Symulacyjne badania dynamiki pojazdów szynowych w torze zakrzywionym, Materia y XV Konferencji Pojazdy Szynowe, tom 2: 343-352, Politechnika Wroc awska, 22. 7. Zboi ski K., Dusza M.: Komputerowe badania wp ywu przechy ki toru na stateczno pojazdu szynowego w uku, Zeszyty Naukowe Politechniki l skiej, Transport, Zeszyt 49, str. 295-34, Gliwice 23. 8. Zboi ski K., Dusza M.: Analysis and method of the analysis of non-linear lateral stability of railway vehicles in curved track, Proceedings of 18th IAVSD Symposium, Kanagawa 23, suplement do Vehicle System Dynamics vol. 41: 222-231, 24. 9. Dusza M., Zboi ski K.: Badania stateczno ci ruchu pojazdu szynowego w torze zakrzywionym metod symulacji komputerowej. Kwartalnik naukowo techniczny Pojazdy Szynowe nr 2/24, str. 28 34. 1. Zboi ski K., Dusza M.: Development of the method and analysis for non-linear lateral stability of railway vehicles in a curved track, Proceedings of 19th IAVSD Symposium, Mediolan 25, suplement do Vehicle System Dynamics vol. 44: 147-157, 26. 11. Zboi ski K., Dusza M.: Analysis of lateral stability of a railway vehicle model in the context of different values of rail inclination, Proceedings of 1th VSDIA Conference, Budapest 26. 12. Soba M.: Ekwiwalentna sto kowato styku ko o-szyna i jej znaczenie we wspó czesnej analizie w asno ci dynamicznych pojazdu szynowego. Instytut Pojazdów Szynowych Tabor. Kwartalnik naukowo techniczny Pojazdy Szynowe nr 1/25, str. 3-39, Pozna 25. 13. Praca zbiorowa pod kier. A. Chudzikiewicza, Zwi kszenie pr dko ci poci gów na ukach o ma ych promieniach, Projekt EUREKA, E! TOSIN, 27-29, Wydzia Transportu PW. STUDIES OF INFLUENCE OF CHANGING THE PARAMETERS OF RAILWAY ROUTE SELECTED SECTIONS ON RAIL VEHICLE RIDE PROPERTIES Summary: Modernisation of railway routes is a priority task for the railway infrastructure owners. The factor forcing modernisation is constantly growing competition from motor and aerial transport being in dynamical development. Modern designs of rail vehicles make it possible to change parameters of the routes, what can be made during their modernisation. The modern vehicle and the route adapted to vehicle capabilities are two main technical factors that have got direct influence on the effectiveness of railway transport. In the present
Badania wp ywu zmian parametrów wybranych fragmentów szlaku kolejowego. 41 article the effort was undertaken to asses influence of parameters change for the selected fragments of the railway route on ride properties of the railway vehicle model. Change in vehicle properties for the selected sections of the route were also studied, which arise from wear of the wheel rolling surface. Leading wheelset s lateral displacements is observed and analysed parameter of vehicle track system. Diagrams of this parameter versus distance or velocity are the forms of results presentation. Keywords: railway vehicle, railway route, track superelevation, equivalent conicity Recenzent: Andrzej Chudzikiewicz