ПЗ (1221004), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Сила тяги направлена по движению поезда, тормозная сила действует в противоположном направлении. Силы сопротивления, как правило, также действуют против движения. Исключение составляет случай движения по спуску.

По законам механики несколько сил, действующих на точку или механическую систему, можно заменить одной силой, которую в теории тяги поездов называют ускоряющей или равнодействующей силой, которая определяется по формуле

, (1.1)

где F_y – ускоряющая сила, Н;

F_д – равнодействующая сила, Н.

Одновременно три составляющие равнодействующей силы на поезд не действуют, т.к. в один и тот же момент времени не имеет смысла тратить топливо (электроэнергию) на реализацию силы тяги локомотивом и использовать тормозную систему локомотива или вагонов. В зависимости от того, какие силы действуют в данный момент на поезд, различают следующие режимы движения:

- режим тяги, при котором действует сила тяги F_k и силы сопротивления движению W, в котором равнодействующая сила определяется

; (1.2)

- режим выбега (холостого хода), в котором на поезд действует только силы сопротивления движению, в котором равнодействующая сила определяется

; (1.3)

- режим торможения, при котором к силам сопротивления движению прибавляется тормозная сила B_t , в котором равнодействующая сила определяется

. (1.4)

Равнодействующие силу, имеющую отрицательное значение, иногда называют замедляющей силой.

1.3 Контроль продольных сил в поезде

Одна из возможностей контроля продольных сил состоит в том, чтобы идентифицировать применение в каждом конкретном случае концепций реализации тормозных и тяговых режимов. Известной мерой при этом является реализация тормозов разного типа. Различают медленнодействующий тормоз (тип G) и быстродействующий (тип P). Главное различие между этими типами тормозов заключается в длительности процессов торможения. Манипулируя этим параметром, можно понизить величину продольных сил, действующих в поезде.

Другой возможностью ограничения продольных сил может быть, например, двустороннее торможение поездов. Тем самым достигается равномерное распределение тормозных сил. Очень длинносоставные поезда могут вести несколько локомотивов, обеспечивающих необходимую силу тяги. На пример в Европе на железнодорожных участках горного профиля общепринято использование тяги по системе многих единиц. Если локомотивы распределены по составу (например, в голове поезда и в хвосте) и связь между ними осуществляется по радио, имеется возможность включать или отпускать тормоза с обоих концов поезда практически одновременно.

Это упрощает и ускоряет выполнение операций по ведению поезда и в значительной мере уменьшает величину продольных сил.

Альтернативой ограничению максимальной длины грузового поезда с целью уменьшения величины продольных сил может служить такая очевидная мера, как повышение скорости передачи команды на торможение. Поскольку в чисто пневматической системе это физически невозможно, предлагается использовать электрическую передачу информации по всей длине поезда, как, например, принято в тормозных системах пассажирских поездов. Такая технология получила название ECP (пневматическая тормозная система с электронным управлением).

Как с экономической, так и с экологической точек зрения грузовые железнодорожные перевозки считаются наиболее предпочтительными. В связи с этим следует исходить из того, что спрос на перевозки этим видом транспорта в среднесрочной перспективе снова будет расти. Чтобы оптимально использовать имеющуюся инфраструктуру, целесообразно внедрять длинносоставные поезда. Внедрение новых технических систем на подвижном составе не требует больших затрат времени и экономически гораздо эффективнее проектирования и строительства объектов новой инфраструктуры.

2 ОПИСАНИЕ ПРОГРАМНОГО КОМПЛЕКСА «УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ»

2.1 Основные назначения и функции программного комплекса «Универсальный механизм»

Программный комплекс «Универсальный механизм» (ПК УМ) предназначен для автоматизации процесса исследования механических объектов, которые могут быть представлены системой абсолютно твердых или упругих тел, связанных посредством кинематических и силовых элементов. К объектам такого типа относятся, например, автомобиль, локомотив, вагон, различные машины и механизмы.

Возможности комплекса УМ распространяются на большую часть систем, являющихся объектом применения методов теоретической и прикладной механики. С использованием УМ решаются прямые и обратные задачи кинематики, динамики и управления. Механическая система может быть как плоской, так и пространственной. Практически отсутствуют ограничения на число тел в системе.

УМ широко использует современные методы компьютерной графики как для анимационного представления движения в процессе численного решения уравнения, так и при обработке результатов. При визуальном вводе объекта отдельные его элементы помещаются в окно конструирования и переносятся в нем с помощью мыши. В УМ эти возможности отсутствуют, поскольку используется параметризация большинства элементов, в том числе их размеры и положения, то есть задание соответствующих значений не в численной форме, а выражениями. Параметризация данных является мощным инструментом, позволяющим упростить процесс изменения значений величин и выполнить их оптимизацию. Вместе с тем, параметризация препятствует визуальному вводу данных.

Уравнения движения объекта выводятся специальным модулем программы в символьной или численной форме. Для некоторых задач объем уравнений настолько велик, что не только невозможно получить уравнения «вручную», но и смотреть на них особого смысла нет. Таким образом, пользователь комплекса лишь описывает систему по определенным несложным правилам, а все остальное делается автоматически.

2.2 Структура и конфигурация программного комплекса УМ

Комплекс УМ состоит из двух автономных программ – программа описания объектов (UM Input) и программа численного анализа движения (UM Simulation). Связь между ними осуществляется через внешние файлы.

UM Input – программа описание структуры и параметров модели. Программа описания – многопроектная среда, т.е. в ней возможно одновременно работать с несколькими моделями. Пример собранного маятника в программе UM Input приведен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Собранный маятник в UM Input

UM Simulation предназначена для выполнения численного интегрирование уравнения с параллельным отображением результатов в виде анимации и графиков. UM Simulation может использоваться автономно от комплекса при наличии набора задач, предварительно подготовленных пользователем. Пример моделирования движения маятника в программе UM Simulation представлен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Моделирование движение маятника в UM Simulation

Программный комплекс УМ включает в себя ядро и ряд следующих модулей:

- UM Base – ядро системы, минимальная конфигурация программы, модули описания модели, синтеза уравнений, моделирования движения механических систем и линейного анализа в общей постановке, которое включает в себя дополнительные инструменты:

1) Control panel – дополнительный инструмент для интерактивного управления моделями;

2) Training ground – дополнительный инструмент для построения виртуальных полигонов, используется для моделирования гусеничных машин и роботов;

- UM Subsystems – дополнительный интегрированный модуль для моделирования механических систем с большим числом степеней свободы;

- UM Automotive – дополнительный модуль для моделирования динамики автомобиля;

- UM Caterpillar – дополнительный модуль для моделирования гусеничных экипажей.

- UM Loco – дополнительный интегрированный модуль, предоставляющий специальные инструменты и возможности для моделирования рельсовых экипажей;

- UM Experiments – дополнительный модуль многовариантных расчетов;

- UM Cluster – служба распределенных вычислений – расширяет функциональность модуля многовариантных расчетов, которая позволяет проводить параллельные расчеты на многих компьютерах с обменом данными по локальной или глобальной сети;

- UM FEM – дополнительный модуль для описания моделей, включающих как абсолютно твердые, так и упругие тела;

- UM Control – интерфейс с Matlab/Simulink и библиотеками пользователя, которая позволяет интегрировать схемы, созданные в Matlab/Simulink в модели механических систем УМ и наоборот. Включает следующие инструменты:

1) User – defined routines – обеспечивает импорт в УМ динамических библиотек (DLL) откомпилированных с помощью любого компилятора. Библиотеки описывают математические модели сил или системы управления;

2) Matlab Import – обеспечивает экспорт моделей Matlab/Simulink в виде

динамических библиотек (DLL) и их подключение к моделям УМ. Моделирование гибридной модели выполняется в среде Универсального механизма;

3) CoSimulation – обеспечивает импорт моделей УМ вмодели Matlab/Simulink в виде S-Functions. Моделирование гибридной модели выполняется в среде Matlab/Simulink;

4) Block Editor – дает возможность пользователю описывать произвольные модели в виде структурных схем и подключать эти модели к динамическим моделям УМ. В виде структурных схем можно, например, описать модель системы управления или модель силового элемента. Block Editor во многом аналогичен импорту моделей из Matlab/Simulink с помощью инструмента Matlab Import.

- UM CAD interfaces – импорт графики и инерционных параметров твердых тел из таких программных продуктов как Компас, SolidWorks и Autodesk Inventor;

- UM Train и UM Train 3D – дополнительные модули для расчета продольной динамики поезда, в том числе в трехмерной постановке;

- UM Rail\Wheel Wear – дополнительный модуль для прогнозирования износа профиля железнодорожного колеса;

- UM Durability - дополнительный модуль для оценки усталостной долговечности элементов конструкции, включая специализированные методики локомотиво и вагоностроения в виде дополнительных инструментов UM Durability/Loco и UM Durability/Carriage;

- UM 3D Contact - дополнительный модуль для моделирования произвольных контактных взаимодействий между выпуклыми телами [3].

Из перечисленных модулей, входящих в ПК УМ, для имитационного моделирования продольной динамики поезда понадобится модуль UM Train. В рамках ПК УМ, данный модуль полностью автоматизирует процесс создания модели поезда и анализ полученных результатов, а также позволит рассчитать продольную динамику состава в режимах выбега, тяги и торможения на пути любой конфигурации.

3 СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ПОЕЗДА В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ «УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ»

3.1 Мастер создания модели поезда

Первым шагом для создания модели поезда необходимо, используя меню Инструменты в автономной программе UM Input, выбрать Создание модели поезда. Внешний вид окна мастера создания модели поезда приведён на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Мастер создания модели поезда

Используя окно создании модели поезда, исследователь указывает необходимое количество единиц подвижного состава. В соответствующих закладках баз данных в правой части мастера выбираются необходимые вагоны, межвагонные соединения и локомотивы.

После создания модели поезда необходимо либо открыть её в новом объекте, либо сохранить. Внешний вид собранной модели в автономной программе UM Input показан на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Собранная модель состава в UM Input

Для того чтобы произвести необходимые изменения с собранной моделью её необходимо открыть в программе ввода UM Input .

3.2 Элементы модели экипажа для добавления её в базу данных

База данных программного комплекса «Универсальный механизм» (ПК УМ) может быть дополнена моделью любого экипажа. Для этого необходимо создать графический образ экипажа, задать обязательные параметры ( массу экипажа, длину по осям автосцепок и т.д.), тяговые характеристики для ло-комотивов, а также при необходимости силы, специфичные для данного экипажа. Каждая единица подвижного состава в терминах ПК УМ представляет собой подсистему, которая может быть моделью любой сложности.

Каталог баз данных ПК УМ представляет следующие подкаталоги:

- Absorbers – каталог для хранения моделей межвагонных соединения;

- Brakes – каталог для хранения моделей тормозных систем;

- Cars – каталог для хранения моделей вагонов;

- Liquid – каталог для хранения моделей наливных цистерн;

- Locomotives – каталог для хранения моделей локомотивов;

- Resistance – каталог для хранения моделей сил основного сопротивления движению.

В таблице 3.1 приведем список обязательных элементов модели экипажа, который добавляется в базу данных экипажей и используется в Мастере создания поезда.

Таблица 3.1 – Обязательные элементы модели экипажа

При создании новых моделей экипажей необходимо следить за тем, чтобы в них присутствовали все обязательные элементы и правильно использовались.

Характеристики

Список файлов ВКР