Modele mecanice in dinamica vehiculelor feroviare

PREFATA

Tratatul „Modele mecanice in dinamica vehiculelor feroviare” reprezinta o noutate in domeniul mecanicii aplicate. Are la baza tratatul „Dinamica vehiculelor feroviare”, disciplina fundamentala a specializarii in domeniul materialului rulant de cale ferata completat cu cele mai recente cunostinte de modelare mecanica si matematica a fenomenelor specifice vehiculelor feroviare.

Scopul acestui tratat este de a face cunoscute problemele stiintifice legate de interactiunea vehicul - cale de rulare, bazate pe cunostinte din domeniul mecanicii teoretice, a teoriei vibratiilor si a tribologiei. Lucrarea prezinta cele mai relevante dezvoltari teoretice si totodata furnizeaza si concluzii care stau la baza determinarii sigurantei ghidarii si a stabilitatii in mers, necesare in principal pentru conceptia aparatelor de rulare si a sistemului de suspensie a vehiculelor.

Date fiind considerentele de siguranta ghidarii care trebuie sa predomine in transportul feroviar, rezultatele cercetarilor teoretice si experimentale un se aplica decat dupa o foarte severa si, de multe ori, indelungata experimentare si verificare. Ca urmare, multe din rezultatele cercetarilor se publica in lucrarile de specialitate cu intarziere si sunt in general cunoscute de un numar restrans de specialisti. De aceea, elaborarea acestui tratat, in care se dezvolta sistematic problemele fundamentale, esentiale ale fenomenelor care decurg din interactiunea vehicul - cale si in care se prezinta cele mai elaborate studii in domeniu, reprezinta o necesitate.

Mentionam faptul ca, sub coordonarea profesorului Ioan Sebesan, au fost elaborate anterior o serie de studii prezentate in lucrarile mentionate in bibliografia care insoteste prezenta lucrare. Astfel, se remarca volumul „Dinamica vehiculelor de cale ferata” care a fost distinsa cu premiul „Aurel Vlaicu” al Academiei Romane in anul 1995. Putem spune ca actualul tratat reprezinta o continuare a studiilor publicate anterior utilizand metode de studiu mai elaborate si rezultate recente in domeniu prezentate in literatura stiintifica universala.

Data fiind importanta aspectelor legate de fenomenele de contact roata - sina, tratatul prezinta o serie de caracteristici geometrice si tribologice ale suprafetelor de rulare si de ghidare ale rotilor. Deasemenea se prezinta si modele mecanice si matematice utilizate in studiile referitoare la determinarea punctelor de contact atat pentru osia in pozitie normala pe cale cat si pentru osia in pozitie de atac. In acest sens, a fost detaliata metoda lui Gaston Borgeaud pentru studiul contactului pornind de la definirea profilului aparent al rotii in pozitia de atac.

Din punct de vedere al problematicii cinematicii vehiculelor in curbe s-au tratat aspectele generale ale vehiculelor conventionale referitoare la determinarea acceleratiilor, a vitezelor maxime si a unghiului de inclinare a cutiei vehiculului, dupa ce in prealabil s-au definit insuficienta si excesul de suprainaltare si coeficientul de suplete al vehiculului. S-a tratat deasemenea cinematica vehiculelor neconventionale, cu sistem pasiv si activ de inclinare a cutiei la circulatia in curba. S-a prezentat cinamatica vehiculelor la circulatia peste curbele de racordare si peste cai cu abateri de la dimensiunile nominale.

Metodele prezentate pentru studiul fortelor de contact roata - sina se refera la determinarea suprafetei de contact in conformitate cu teoria lui Hertz, prezentarea celor mai importante teorii si legi de frecare specifice alunecarii cu rostogolire a corpurilor deformabile. Astfel, se prezinta limitele legii lui Coulomb, teoriile lui F. Carter, R. Levi si C. Muller care au aratat dependenta coeficientului de frecare in punctul de contact de marimea pseudoalunecarii. Se prezinta si cea mai evoluata teorie, folosita in prezent, respectiv cea a lui J.J. Kalker care demonstreaza teoria anizotropiei coeficientului de frecare si tine seama de efectul de spin in punctul de contact. Sunt prezentate o serie de metode aproximative de studiu cum ar fi metodele lui M. Chartet si P. van Bommel, precum si teoria si legea frecarii lui F. Frederich care arata ca dupa ce coeficientul de frecare atinge valoarea maxima, peste o anumita valoare a pseudoalunecarii, acesta nu se mentine constant ci scade sensibil. Teoria lui Frederich s-a folosit in studiu fenomenului de stick-slip prezentata pe larg in aceasta lucrare.

S-au dezvoltat deasemenea o serie de metode de determinare a fortelor de conducere in curbe , teoria de minim a lui H. Heumann si o serie de modele mecanice pentru studiul circulatiei in curbe a vehiculelor cu osii orientabile care negociaza raza de curbura. Astfel s-au realizat o serie de dezvoltari teoretice pe baza teoriei lui D. E. Newland aplicabile vehiculelor cu conducere elastica a osiilor. Pentru ultima generatie de boghiuri, cele cu osii conjugate, concepute de H. Scheffel, s-a prezentat o metoda de stabilire a pozitiilor geometrice ale osiilor considerand fortele de psudoalunecare dintre roti si sine. O atentie aparte s-a acordat in tratarea studiului fortelor dinamice produse prin socul de atac atunci cand vehiculul circula peste coturi discontinue ale caii in curba.

Tratatul prezinta in continuare tipologia oscilatiilor vehiculelor feroviare, fenomenele vibratorii specifice contactului roata - sina care le genereaza, precum si abordarile de tip determinist si aleatoriu utilizate in studiul vibratiilor sistemelor dinamice.

Un intreg capitol al lucrarii este consacrat modelelor utilizate pentru reprezentarea miscarii osiei montate si vehiculului feroviar. Se pune accentul pe miscarea de serpuire, o oscilatie specifica domeniului feroviar, cu evidentierea neliniaritatilor acestei miscari. Pe baza teoriilor lui Garg, Dukkipatti, Wickens si Polach se construieste modelul matematic neliniar complex al miscarii in plan orizontal al unui vehicul pe boghiuri si se prezinta metodologia de solutionare a sistemului de ecuatii diferentiale de ordinul II care descrie miscarea vehiculului.

Tratatul prezinta un demers realizat in premiera de catre autori, intr-o echipa multidisciplinara impreuna cu specialisti din partea Institutului de Mecanica Solidelor a Academiei Romane - IMS-AR si Autoritatii Feroviare Romane - AFER, respectiv determinari experimentale cu vehiculul feroviar in circulatie, care valideaza modelul mecanic al miscarii vehiculului in plan orizontal prezentat anterior, prin utilizarea analizei spectrale a semnalelor masurate in circulatie.

In ultima parte a lucrarii, prin utilizarea modelului matematic al miscarii in plan orizontal a vehiculului feroviar, se prezinta modalitati de optimizare a constructiei vehiculelor feroviare pentru mari viteze, prin determinarea deplasarilor vehiculului feroviar in plan orizontal, studiul neliniar al stabilitatii miscarii de serpuire a vehiculului feroviar si studiul influentei parametrilor constructivi ai vehiculului asupra performantelor acestuia.

Autorii

CUPRINS

Prefata 3

1. SISTEMUL CONVENTIONAL ROATA - SINA
1.1. Aspecte generale ale interactiunii vehicul - cale de rulare 7
1.2. Fenomene de contact si limite de viteza in sistemul conventional roata - sina 10
1.3. Aspecte geometrice si tribologice ale suprafetelor de rulare si de ghidare ale rotilor 15

2. MODELAREA MATEMATICA A CONTACTULUI ROATA - SINA
2.1. Contactul pentru osia in pozitia normala pe firele caii de rulare 25
2.2. Contactul pentru osia in pozitia de atac 35
2.3. Capacitatea geometrica de ghidare a buzei 43
2.4. Conditii de inscriere geometrica in curbe 53

3. CINEMATICA VEHICULELOR FEROVIARE
3.1. Cinematica osiilor 58
3.2. Cinematica vehiculelor 79

4. FORTELE DE CONTACT ROATA - SINA
4.1. Suprafata de contact roata - sina 104
4.2. Coeficientii de frecare dintre roti si sine 110
4.3. Influenta conditiilor de contact asupra coeficientului de frecare 117
4.4. Fortele normale si tangentiale din zona de contact 122
4.5. Influenta fortelor de contact asupra sigurantei ghidarii vehiculului 126
4.6. Capacitatea de torsionare a vehiculelor 135

5. FORTELE DE CONTACT CVASISTATICE SI DINAMICE LA CIRCULATIA IN CURBA
5.1. Metode analitice de determinare a pozitiei de inscriere in curbe si a fortelor de conducere in ipoteza coeficientilor de frecare coulombieni 140
5.2. Echilibrul vehiculului la circulatia in curba 141
5.3. Fortele de conducere dintre roti si sine sub influenta fortelor exterioare care actioneaza asupra vehiculului 145
5.4. Conducerea in curbe a vehiculelor cu osii orientabile 146
5.5. Forte dinamice produse prin socul de atac 159
5.6. Fenomenul de stick - slip 166

6. OSCILATIILE VEHICULELOR FEROVIARE
6.1. Tipologia oscilatiilor vehiculelor feroviare 177
6.2. Fenomene vibratorii generate de sistemul conventional roata - sina 181
6.3. Studiul analitic al oscilatiilor vehiculelor feroviare 189
6.4. Consideratii generale privind solicitarile aleatoare ale vehiculelor feroviare 220

7. MODELE MECANICE UTILIZATE IN STUDIUL OSCILATIILOR VEHICULELOR FEROVIARE
7.1. Modelul mecanic al miscarii osiei montate condusa elastic 234
7.2. Model mecanic neliniar pentru serpuirea osiei montate 242
7.3. Model pentru reprezentarea miscarii vehiculului feroviar in plan orizontal 254

8. DETERMINARI EXPERIMENTALE CU VAGONUL DE CALATORI IN CIRCULATIE
8.1. Conditii de efectuare a determinarilor si echipamentele utilizate 272
8.2. Rezultatele probelor de calitate de mers 278
8.3. Prelucrarea datelor achizitionate experimental 282
8.4. Concluzii pe baza rezultatelor obtinute 304

9. APLICATII ALE MODELELOR MECANICE IN PROIECTAREA VEHICULELOR FEROVIARE DE MARE VITEZA
9.1. Determinarea deplasarilor vehiculului feroviar in plan orizontal 308
9.2. Studiul stabilitatii miscarii de serpuire a vehiculului feroviar 315
9.3. Influenta parametrilor constructivi ai vehiculului asupra performantelor acestuia 318

Bibliografie 324