MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN 1896-771X 44, s. 223-228, Gliwice 2012 SYMULACJE KINEMATYCZNO - DYNAMICZNE DZIAŁANIA WAGONU Z OBROTOWĄ PLATFORMĄ DO PRZEWOZÓW INTERMODALNYCH T. NIEZGODA, W. KRASOŃ, W. BARNAT, M. STANKIEWICZ Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Wojskowa Akademia Techniczna e-mail: tniezgoda@wat.edu.p, wkrason@wat.edu.pl, wbarnat@wat.edu.pl, mstankiewicz@wat.edu.pl Streszczenie. W pracy przedstawiono wagon kolejowy z płaską i nisko umieszczoną obrotową platformą. Konstrukcja ta może być używana do transportu różnego typu pojazdów, takich jak ciągniki, ciężarówki, przyczepy, naczepy i kontenery. Zbudowano model wagonu składający się z wózków, części nadwózkowej oraz platformy obrotowej. Model ten wykonano z brył sztywnych połączonych odpowiednimi więzami. Analizy kinematyczno dynamiczne wagonu wykonano w programie MSC Adams [4,5]. Symulowano oddziaływanie poszczególnych elementów modelu w czasie jazdy wagonu z uwzględnieniem różnych wariantów obciążeń zewnętrznych. 1. WSTĘP W naszym kraju nie wdrożono dotychczas systemu do transportu kombinowanego. W europejskim transporcie kolejowym wdrażano w ostatnich latach systemy kombinowane oparte na przeładunku pionowym, poziomym lub innych [1]. W Wojskowej Akademii Technicznej w Katedrze Mechaniki i Informatyki Stosowanej powstał projekt wagonu do przewozu kombinowanego z obrotową platformą niskopodłogową, która stwarza możliwość łatwego i szybkiego autonomicznego załadunku, a następnie przewozu i autonomicznego rozładunku naczep samochodów ciężarowych typu TIR bez konieczności inwestowania w rozwój infrastruktury dodatkowej (szczególnie peronu). W projekcie wagonu specjalnego do transportu intermodalnego przyjęto następujące założenia konstrukcyjne: - masa naczepy z ładunkiem do 40 T, masa własna wagonu do 45 T, - spełnienie wymogów skrajni kolejowej GB 1, - nisko osadzona, obrotowa platforma ładunkowa do autonomicznego załadunku - rozładunku, umożliwiająca indywidualny załadunek rozładunek każdego wagonu, - zastosowanie standardowych dwuosiowych wózków typu Y25 o dopuszczalnym nacisku na oś 22.5 tony.
224 T. NIEZGODA, W. KRASOŃ, W. BARNAT, M. STANKIEWICZ Rys.1. Wstępna koncepcja konstrukcji wagonu model w skali 1:14 W wyniku prac konstrukcyjnych opracowano prototypową wersję wagonu (rys. 2). Wprowadzono w niej następujące zmiany konstrukcyjne (w odniesieniu do koncepcji wstępnej wagonu z platformą obracaną siłownikami zamontowanymi w burtach [2]- rys. 1): - zmieniono mechanizm obrotu platformy nadwozia wraz z węzłem centralnym, - zmodyfikowano zamki łączące nadwozie z częścią nadwózkową ramy wagonu, - zmieniono platformę obrotową nadwozia (wysokość i ażurowa konstrukcja burt, budowa łożyska obrotu), - zmodyfikowano konstrukcję części nadwózkowej ramy-ostoi wraz z bieżnią prowadzącą ruchomej platformy obrotowej. Wizualizację kompletnego wagonu według dokumentacji 3D projektu wykonawczego prototypu wagonu wraz ze wszystkimi instalacjami oraz osprzętem dodatkowym w widoku z platformą ładunkową w położeniu transportowym i po jej obróceniu do pozycji załadowczo-rozładowczej przedstawiono na rys. 2. Rys.2. Wagon w wersji prototypowej z otwartą platformą ładunkową 2. MODEL NUMERYCZNY 3D WAGONU PRZYGOTOWANY DO ANALIZ MULTIBODY Do analiz multibody wykonanych programem MSC Adams [3] wykorzystano model numeryczny wagonu i naczepy z ładunkiem. Zbudowano go z brył sztywnych na podstawie dokumentacji konstrukcyjnej. Uwzględniono w nim główne podzespoły wykonawcze wagonu i połączenia kontaktowe pomiędzy nimi (rys. 3). Rys.3. Schemat złożeniowy modelu numerycznego 3D wagonu
SYMULACJE KINEMATYCZNO - DYNAMICZNE DZIAŁANIA WAGONU Z OBROTOWĄ 225 3. WARUNKI BRZEGOWE I POCZĄTKOWE W MODELU 3D. W modelu wózka i ramy wprowadzono następujące pary kinematyczne i więzy (rys 4): - osie wózków posiadają więz odwzorowujący zamocowanie osi w maźnicy i umożliwiający poprawny ruch obrotowy osi wraz z kołem, - pomiędzy kołami wózków a torami zdefiniowano kontakt, - rama-ostoja podparta jest na ślizgach bocznych, a w czopie skrętnym wózka odwzorowano warunki kontaktu umożliwiające współpracę jak w przegubie kulistym, - łoże wózka może wykonywać niezależne ruchy pionowe względem prowadnic maźnic i zestawów jezdnych (oś z kołami) ograniczone przez warunki kontaktów w prowadnicach maźnic i sprężyny o odpowiednich sztywnościach modelujących zawieszenie wózka, - ruch ramy ostoi ograniczony jest przez ślizgi boczne zabudowane na łożu wózka i na belce poprzecznej. Rys.4. Schematy ilustrujące więzy i warunki współpracy (kontakt) w połączeniach podzespołów wózków, ramy ostoi i węzła centralnego Oddzielne pary kinematyczne i więzy zdefiniowano w zamkach łączących burty platformy obrotowej i części nieruchomej ramy-ostoi (rys. 5). Pojedynczy zamek-typu hak zabudowany w burcie platformy łączony jest częścią ramy-ostoi, a jego ruch poprzeczny blokowany jest za pomocą przesuwanego hydraulicznie klina. Pomiędzy klinem a hakiem zastosowano połączenie kontaktowe. W modelu występują cztery zestawy zamków. W modelu z naczepą uwzględniono także kontakty pomiędzy kołami naczepy i płyty dennej platformy ładunkowej. Rys.5. Zamek łączący burty platformy obrotowej i części nieruchomej ramy: 1) klin, 2) hak W symulacjach uwzględniono następujące warunki brzegowo - początkowe: - we wszystkich analizach uwzględniono klasyczną grawitację (ciężar własny wagonu), - wagon porusza się po torze prostym o długości 500m, a następnie wjeżdża na poziomy łuk o promieniu 250m (promień minimalny wg normy PN-EN 13232-1:2004 -[3]) rys. 6a, - ruch wagonu otrzymano poprzez zdefiniowanie odpowiedniej charakterystyki prędkości kątowej na osiach wózków (rys. 7), - na odcinku prostoliniowym toru o długości 500m wagon rozpędza się do prędkości 60km/h, po czym porusza się ze stałą prędkością po łuku (rys. 6).
226 T. NIEZGODA, W. KRASOŃ, W. BARNAT, M. STANKIEWICZ Rys.6. a) Schemat testowego odcinka toru, b) model wagonu z naczepą Rys.7. a) Faza rozpędzania wagonu, maksymalną ustaloną prędkość 36rad/s osiągnięto po upływie czasu 20 sekund, b) zmiana prędkości liniowej wagonu w czasie symulacji (maksymalna prędkość ruchu ustalonego 60km/h) 4. WYNIKI ANALIZY Analizy numeryczne wykonane w programie MSC Adams składały się z kilku następujących po sobie faz. Do 6. sekundy symulacji trwa wstępna faza rozpędzania, w której wagon wraz z naczepą rusza z miejsca oraz następuje identyfikacja kontaktu wszystkich współpracujących ze sobą par kinematycznych. Od 6. sekundy następuje wzrost przyspieszenia wagonu, co powoduje zwiększenie wartości sił kontaktowych pomiędzy poszczególnymi elementami konstrukcji. Faza rozpędzania trwa do 20. sekundy symulacji, po której wagon porusza się z maksymalną ustaloną prędkością (60km/h) i wjeżdża w zakręt o promieniu 250 m. Całą symulację z uwagi na ograniczenia sprzętowe (potrzeba dużej ilości pamięci obliczeniowej) zakończono w 35. sekundzie trwania ruchu. W tym czasie wagon mija ćwiartkę pokonywanego łuku. Na podstawie wyników analiz określono zmiany w czasie wartości sił kontaktowych w poszczególnych parach: koło-szyna (rejestrowano wartości sil na wszystkich kołach), klin-hak (zamek blokujący), wózek-ostoja, platforma obrotowa ostoja. Analizowano także zmiany przyspieszeń naczepy znajdującej się na wagonie. Wartości zarówno sił kontaktowych jak i przyspieszeń rejestrowano w czasie trwania całej symulacji. Zauważono, że w pierwszej fazie symulacji, w której model zaczyna ruch z niewielkim przyspieszeniem, siły kontaktowe są małe. Natomiast po przejściu w drugą fazę symulacji, w której występuje znaczący wzrost prędkości, następuje zwiększenie wartości sił kontaktu spowodowane odpowiedzią dynamiczną konstrukcji zamodelowanej w postaci brył sztywnych. Na wykresach pionową czarną linią zaznaczono granicę pomiędzy fazą pierwsza a drugą symulacji. Na rys. 8. przedstawiono zmiany wypadkowej siły kontaktu występującej w centralnym węźle obrotu platformy podczas symulacji, w której nie uwzględniono modelu naczepy. Uśredniając wyniki otrzymane podczas jazdy po łuku toru (od 20s do 35s symulacji), zauważono, że wartość uśrednionej siły kontaktu w tym wariancie wynosi około 100kN, co odpowiada ciężarowi własnemu platformy obrotowej. Na rys. 9. przedstawiono zmiany wypadkowej siły kontaktu rejestrowanej w węźle centralnym obrotu platformy dla symulacji, w której uwzględniono obciążenie naczepą o masie 40 ton. Stwierdzono, że wartość uśrednionej siły kontaktu zwiększyła się do około 500kN, co odpowiada ciężarowi platformy obrotowej wraz z transportowanym ładunkiem.
SYMULACJE KINEMATYCZNO - DYNAMICZNE DZIAŁANIA WAGONU Z OBROTOWĄ 227 Rys.8. Zmiana wypadkowej siły kontaktu w centralnym węźle obrotu- symulacja bez naczepy Rys.9. Zmiana wypadkowej siły kontaktu w centralnym węźle obrotu - symulacja z naczepą Rys.10. Zmiana w czasie sił kontaktu w zamku burtowym lewym znajdującym się za naczepą Rys.11. Zmiana w czasie sił kontaktu w zamku burtowym prawym znajdującym się za naczepą Na rys. 10 i 11 przedstawiono zmiany wypadkowej siły kontaktu występującej w zamkach burtowych znajdujących się za naczepą (tylna część platformy obrotowej). Stwierdzono, że siły w zamkach zmieniają się znacząco, ale po uśrednieniu oscylują względem wartości około 100kN. Sytuacja ta wynika z dynamicznego charakteru symulacji, w której współpracujące elementy wielokrotnie zderzają się oraz z faktu, iż do analiz wykorzystane są bryły sztywne o zastępczych charakterystykach sprężystości. Współpracujące elementy muszą być idealnie ze sobą dopasowane i odpowiednio dokładnie zlokalizowane względem siebie. Z tego powodu wyniki tych symulacji mogą posłużyć jedynie do szacunkowej oceny sił, jakie mogą wystąpić w poszczególnych połączeniach elementów (w parach kinematycznych). Aby uzyskać dokładniejsze wartości sił, należy wykonać analizy z wykorzystaniem modeli odkształcalnych.
228 T. NIEZGODA, W. KRASOŃ, W. BARNAT, M. STANKIEWICZ 5. PODSUMOWANIE Wyniki przedstawione w pracy odpowiadają symulacji przejazdu wagonu po torze testowym ze stałą prędkością dopuszczalną dla tego typu konstrukcji. Siły kontaktowe występujące w połączeniach poszczególnych elementów konstrukcji zmieniają się niejednorodnie. Przyczyną tego mogą być uproszczenia przyjęte w nieodkształcalnych modelach tej złożonej konstrukcji. Zaprezentowane zmiany sił reakcji w poszczególnych parach kinematycznych układu nie uwzględniają możliwości adaptacyjnych rzeczywistego układu odkształcalnego platformy obrotowej i ramy wagonu. Prezentowany w opracowaniu wagon do przewozu naczep jest konstrukcją oryginalną, chronioną krajowymi i zagranicznymi zgłoszeniami patentowymi. W Laboratorium Wytrzymałości KMiIS WAT wykonano także próby stanowiskowe, w których badano wytrzymałość wydzielonego złącza burtowego platformy ładunkowej wagonu. Badania te potwierdziły poprawność działania i bezpieczeństwo pracy tego podzespołu w zakresie obciążeń określonych na podstawie wyników zaprezentowanej analizy. Kompleksowe badania wytrzymałości zaproponowanego układu konstrukcyjnego wagonu będą możliwe po zbudowaniu kompletnego prototypu w skali rzeczywistej. Wyniki takich badań będą mogły stanowić podstawę do ostatecznej weryfikacji otrzymanych w procesie projektowania wyników badań, w tym także prezentowanych w niniejszym opracowaniu symulacji multibody. LITERATURA 1. Kwaśniowski S., Nowakowski T., Zając M.: Transport intermodalny w sieciach logistycznych. Wrocław: Ofic. Wyd. Pol. Wrocł., 2008. 2. Sławiński G., Krasoń W., Niezgoda T., Barnat W.: Badania numeryczne mechanizmu obrotu nadwozia wagonu platformy kolejowej do przewozu samochodów ciężarowych. Problemy Kolejnictwa 2011, 153, s. 137-146. 3. Polska Norma PN-EN 13232: Kolejnictwo-tor-rozjazdy i skrzyżowania, 2004. 4. Baier A., Jamroziak K., Majzner M.: Analiza ruchu wagonu kolejowego po torze krzywoliniowym. Zesz. Nauk. WSOWL 2010, nr 4 (158), s. 15-28. 5. Matej J., Piotrowski J.: Modeling and safety examination of the long bimodal train on curved track using Adams/Rail, 2012 KINEMATIC DYNAMIC SIMULATIONS OF WORKING OF RAILWAY WAGON WITH ROTATABLE LOADING FLOOR FOR INTERMODAL TRANSPORT Summary. The railway wagon with a rotatable, low and flat loading floor was presented in the paper. Such structure can be used for transporting various types of vehicles, such as tractors, trucks, trailers, semitrailers, cargo containers. The model of a railway wagon consisted of standard carriages, undercarriages, and a rotatable loading floor was developed. The model was built of rigid solids. The kinematic dynamic analyses were performed in MSC Adams program. Interactions of particle parts of the model were simulated during railway wagon moving with consideration to different external loads. Reactions in sections connecting moving parts of the rotatable loading floor with carriages were tested