Отдел статистической динамики и динамики многомерных механических систем

Завотделом - член-корреспондент НАН Украины,
д-р техн. наук, профессор В.Ф. Ушкалов

Завотделом  член-корреспондент HAH Украины Ушкалов В.Ф. Область исследований - случайные колебания и устойчивость движения механических систем, идентификация и оптимизация их параметров; виброзащита конструкций; прогнозирование вибронагруженности и динамической прочности машиностроительных конструкций при эксплуатационных и сверхнормативных режимах нагружения, в т. ч. транспортных средств и изделий ракетно-космической техники.

Развиты эффективные методы исследования стационарных и нестационарных случайных колебаний сложных механических систем, предложены способы идентификации и оптимизации их параметров; разработаны математические модели и методы решения задач статистической динамики транспортных средств и перевозимых грузов. С использованием этих методов решен ряд крупных, имеющих важное народнохозяйственное значение, задач виброзащиты конструкций машин и сооружений, в том числе различных транспортных средств, мачт, телебашен в Ташкенте, Алма-Ате, Риге, прогнозирования вибронагруженности изделий ракетно-космической техники при транспортировке, что позволило ускорить их создание, снизить металлоемкость, повысить надежность и долговечность.

Большой объем прикладных исследований проведен, в частности, в интересах транспортного машиностроения как одной из наиболее металлоемких и энергоемких отраслей народного хозяйства. Так, по заказам организаций Минтяжмаша СССР выполнен полный цикл углубленных динамических расчетов ряда создававшихся универсальных и специализированных рельсовых экипажей, а также выданы рекомендации по выбору основных параметров проектируемых транспортных средств, рациональных с точки зрения обеспечения их прочности и динамических качеств, сохранности и виброзащиты перевозимых грузов, безопасности движения. К примеру, отдел участвовал в создании вагона-платформы для перевозки большегрузных контейнеров, длиннобазной универсальной платформы с повышенной нагрузкой на ось, вагонов бункерного типа для бестарной перевозки муки и полимеров, многоосных транспортеров грузоподъемностью 700т, вагона для перевозки грузовых автомобилей, платформы-рельсовоза, двухсекционного вагона для перевозки сыпучих грузов, думпкаров, миксеров, специализированных ходовых частей для грузовых вагонов, унифицированной тележки ходовой части многоосных транспортеров, в создании вагонов электропоездов, вагонов метро типа ”И” и ”Е”, троллейбуса, трамвая, серии специального подвижного состава для транспортировки объектов ракетно-космической техники и др.

Участие в создании объектов новой техники транспортного машиностроения было отмечено правительственными наградами, Дипломом ГКНТ СМ СССР, медалями ВДНХ СССР и ВДНХ Украины.

Лаборатория измерений отдела многократно участвовала в динамических испытаниях универсального и специального железнодорожного подвижного состава.

Подвижной состав железных дорог

Разработано математическое и программное обеспечение для автоматизированной системы управления виброиспытаниями транспортных средств на самом мощном в странах СНГ и Восточной Европы испытательном стенде ГП “КБ ”Южное”, позволяющем задавать детерминированные и случайные возмущения в трех плоскостях и испытывать любой железнодорожный вагон в сборе. При этом режимы нагружения определяются на основе собранных и обобщенных в ИТМ данных о реальных воздействиях со стороны пути.

Одним из приоритетных направлений деятельности отдела является разработка методического и программного обеспечения для исследования динамики наземного, воздушного и морского видов старта РН КА, которые учитывают особенности нелинейного взаимодействия РН с пусковой установкой, переменность скорости ветрового потока по длине конструкции РН, возможность несинхронного включения двигателей первой ступени и изменения структуры системы в процессе движения. Разработанные математические модели и программное обеспечение использованы ГП "КБ "Южное" при отработке технологии старта ракет-носителей класса "Зенит", "Днепр", "Циклон" и выборе циклограмм запуска двигателей.

Стартовая позиция РН "Циклон"

Разработана математическая модель для определения полной и остаточной деформаций грунтового основания под действием кратковременной динамической нагрузки, приложенной к его поверхности. Разработка использована при исследовании взаимодействия опорных элементов пусковой установки с грунтом для расчетного анализа динамики старта оперативно-тактических ракет.

Разработана методика определения упруго-демпфирующих характеристик виброизоляторов, обеспечивающих снижение вибрационных нагрузок, действующих на конструкции космических аппаратов при их транспортировке в контейнере на космодром. Методика учитывает формирование возмущений, действующих на космический аппарат при транспортировке железнодорожным, автомобильным и воздушным спопобами.

В отделе проведены исследования по определению гидродинамических характеристик баков, частично заполненных жидкостью. Получен ряд практически важных экспериментальных результатов по:

  • определению параметров демпфирования колебаний жидкости в емкостях сложной конфигурации с различными внутрибаковыми устройствами;
  • распределению давлений на стенках емкостей при импульсном возбуждении;
  • определению частот и декрементов колебаний жидкости во вращающихся относительно вертикальной оси емкостях при поперечных гармонических возмущениях, в том числе с учетом истечения жидкости из емкости.
  • Стенд для динамических испытаний емкостей с жидкостью

    Разработанное научно-методическое и программное обеспечение по исследованию динамической нагруженности ракет-носителей космических аппаратов вошло составной частью в цикл работ, удостоенных премии НАН Украины им. М. К. Янгеля в 1998 г.

    Особое место в работе отдела занимает решение проблемы создания в Украине высокоскоростного железнодорожного транспорта. Отдел имеет определенный опыт в проведении исследований по этой тематике, т. к. ранее участвовал в разработке Технических требований к подвижному составу и пути для высокоскоростной железнодорожной магистрали ”Центр - Юг”, исследованиях динамики высокоскоростных вагонов электропоезда ЭР-200, экспериментального поезда ”Русская тройка” (200 км/ч), электропоездов ЭР-300 и ЭР-350 (300 и 350 км/ч), а также в выборе параметров и типов подвижного состава для высокоскоростной магистрали Москва - Санкт-Петербург. В 1992 г. ИТМ совместно с Днепрогипротрансом, ДИИТом и ПО ”Лугансктепловоз” разработал Концепцию создания высокоскоростного железнодорожного транспорта в Украине, основные положения которой были одобрены Президиумом НАНУ, а на ИТМ возложена функция головного института в HAH Украины по научным проблемам создания высокоскоростного железнодорожного транспорта Украины. В 1994 г. ИTM совместно с ГП “КБ ”Южное”, ДИИТом, Днепрогипротрансом и ПО ”Лугансктепловоз” разработал проект Государственной научно-технической программы ”Высокоскоростной железнодорожный транспорт Украины”, принятие которой задерживается из-за отсутствия в стране соответствующего финансирования.

    В настоящее время одним из перспективных направлений работы отдела является разработка научно обоснованных решений, связанных с обеспечением безопасности перевозок пассажиров и грузов, а также с созданием железнодорожных экипажей, оборудованных средствами пассивной защиты.

    Разработаны методики, которые позволяют с помощью компьютерного моделирования исследовать: динамические процессы, имеющие место при движении как отдельных вагонов и локомотивов, так и полносоставного поезда на прямолинейных и криволинейных участках пути при переходных режимах и на выбеге; аварийные ситуации, связанные со столкновением поездов и наездом поезда на преграду; возможность схода отдельных вагонов с рельсов и последующего их опрокидывания.

    Созданы математические модели и соответствующее программное обеспечение для исследования пространственных колебаний железнодорожных экипажей с учетом их конструктивных особенностей, физических и геометрических нелинейностей рассматриваемых систем, работы автосцепных устройств, технического состояния рельсовой колеи, специфики перевозимого груза.

    Разработаны математические модели и программное обеспечение для исследования динамики скоростных пассажирских поездов при сверхнормативных соударениях, вызванных аварийным столкновением поезда с преградой на железнодорожном пути, с учетом в описании силовой характеристики межвагонных соединений начальной затяжки поглощающих аппаратов, особенностей работы автосцепок СА-3, беззазорных сцепных устройств, конструкций экипажей, а также элементов системы пассивной безопасности.

    Скоростной пассажирский поезд

    На основании теоретических исследований разработана система технической диагностики состояния ходовых частей пассажирского поезда. Система позволяет выполнять оперативный контроль технического состояния ходовых частей вагонов и пути непосредственно в процессе движения, что способствует повышению безопасности процесса перевозок.

    Разработаны методическое обеспечение, дискретно-массовые и конечно-элементные математические модели для исследования динамики, нагруженности и напряженно-деформированного состояния элементов конструкций вагонов-цистерн, в том числе оборудованных средствами защиты днищ от пробивания в аварийной ситуации, при эксплуатационных и сверхнормативных ударных воздействиях.

    Пробивание днища котла цистерны в аварийной ситуации Конечно-элементная расчетная схема цистерны

    Разработана основанная на синтезе автоматизированного геометрического конструирования и конечно-элементного моделирования методика для исследования напряженно-деформированного состояния элементов конструкций локомотивов и пассажирских вагонов, оборудованных средствами пассивной защиты, при ударных воздействиях, характерных для эксплуатации и аварийных столкновений.

    Разработаны математические модели для нелинейного динамического анализа упругопластического деформирования элементов каркаса кабины скоростного пассажирского локомотива с системой пассивной безопасности при ударных воздействиях, возникающих в аварийных ситуациях, с учетом геометрической и физической нелинейностей, зависимости предела текучести от скорости деформации, переменного контактного взаимодействия элементов конструкций с препятствием и между собой.

    Деформирование каркаса кабины машиниста локомотива с элементами системы пассивной безопасности при ударе

    Разработаны технические предложения и практические рекомендации по созданию эффективных средств защиты днищ котлов вагонов-цистерн нового поколения в аварийных ситуациях. Предложена конструкция закрепленного на раме вагона-цистерны предохранительного торцового щита с сотовыми энергопоглощающими элементами, и разработана методика определения рациональных параметров защитной конструкции. Полученное техническое решение защищено патентами и внедрено в производство.

    Результаты исследований использованы при создании совместно с ОАО «Мариупольский завод тяжелого машиностроения» новой безрамной конструкции четырехосного вагона-цистерны для железных дорог Индии и вагона-цистерны модели 15-9803 АВП для перевозки сжиженного газа, днища котла которого оборудованы торцовыми предохранительными щитами предложенной конструкции.

    Вагон-цистерна модели 15-9803 АВП

    Разработана и запатентована в Украине конструкция устройства поглощения энергии для системы пассивной безопасности пассажирского локомотива при аварийных столкновениях.

    Разработанная конструкция устройства поглощения энергии Электровоз нового поколения с элементами системы пассивной безопасности

    Выполнен натурный креш тест разработанного устройства поглощения энергии на испытательном полигоне в г. Герлиц (Германия).

    На основе результатов выполненных исследований разработана, изготовлена и внедрена в производство модульная кабина машиниста скоростного пассажирского электровоза нового поколения с элементами системы пассивной безопасности. Электровоз с разработанной кабиной и устройствами поглощения энергии введен в эксплуатацию.

    Выполнен цикл теоретических и экспериментальных исследований, тесно связанных с решением проблемы обновления грузового парка железных дорог Украины, с целью повышения динамических качеств экипажей, увеличения ресурса ходовых частей, снижения износа элементов подвижного состава и пути. На основе результатов этих исследований предложена для железных дорог стран СНГ и Балтии комплексная модернизация тележек грузовых вагонов. В тележках заменены плохо работающие стандартные скользуны скользунами постоянного контакта; вместо стальных клиньев установлены клинья из высокопрочного чугуна; фрикционные планки заменены стальными износостойкими; в подпятнике уложены полимерные прокладки. При этом использованы лучшие модели элементов модернизации разработки компании А. Стаки (США). Изменен также профиль обода колес на нелинейный износостойкий ИТМ-73 (разработка ИТМ).

    Элементы комплексной модернизации тележки грузовых вагонов

    С помощью указанной модернизации удалось достичь более чем двукратного увеличения ресурса колеса по износу гребня, более чем десятикратного уменьшения износа в клиновой системе гашения колебаний, снижения в 4 - 5 раз износа пятникового узла и др.

    С 2004 г. на железных дорогах Украины проводится внедрение комплексной модернизации тележек, преимущественно полувагонов, доля которых в парке грузовых вагонов составляет около 48%. Сейчас с модернизированными тележками на украинских железных дорогах эксплуатируется более 24000 вагонов (около 33% парка полувагонов).

    Указанная модернизация тележек была предложена также для внедрения на железных дорогах России, стран СНГ и Балтии (с шириной колеи 1520 мм). Произведена модернизация опытных групп полувагонов на железных дорогах в ряде стран СНГ (в России, Белоруссии, Казахстане).

    Разработаны рекомендации и проведены испытания по проектам модернизации тележек и других типов вагонов, тележки которых целесообразно модернизировать.

    Обновление рабочего парка грузовых вагонов Украины

    Элементы предложенной ИТМ комплексной модернизации типовых тележек полностью использованы при создании первых трех моделей украинских тележек грузовых вагонов: моделей 18-7020 и 18-7033 разработки Крюковского вагоностроительного завода, а также модели 18-4129 разработки КБ ООО "София-Инвест". Первая из этих тележек запущена в серийное производство (в эксплуатации их находится уже больше 2000), другие успешно прошли экспериментальные испытания.

    В продолжение работ по совершенствованию комплексной модернизации тележек грузовых вагонов создан новый более износостойкий профиль ободьев колес ИТМ-73-01. Как показали эксплуатационные испытания грузовых вагонов с комплексно модернизированными тележками, применение сначала для неизношенных колес профиля ИТМ-73, а затем, при обточках, профиля ИТМ-73-01 позволяет увеличить ресурс колес (по сравнению со стандартными колесами) более чем в четыре раза.

    Экспериментальные зависимости износа гребней колес с разным исходным профилем от пробега вагонов

    По приказу Укрзализныци использование профиля ИТМ-73-01 является обязательным при переточках колес комплексно модернизированных тележек грузовых вагонов.

    Проводятся исследования по созданию износостойкого профиля бандажей колес для тягового подвижного состава.

    Одно из направлений работы отдела - исследование биомеханики тотального эндопротезирования тазобедренного сустава.

    Для оценки напряженно-деформированного состояния системы "кость-имплантат" в процессе ее эксплуатации разработаны конечно-элементные расчетные модели как для здорового тазобедренного сустава, так и в случае использования эндопротеза с различными видами ацетабулярного компонента, который устанавливается путем запрессовывания или ввинчивания в вертлужную впадину.

    Тотальный эндопротез тазобедренного сустава ОРТЭН Расчетная модель системы "кость-ацетабулярный компонент" Напряженное состояние субхондральной костной ткани вертлужной впадины при статической нагрузке

    Основные результаты исследований опубликованы в монографиях и статьях:

    1. Ушкалов В. Ф. Статистическая динамика рельсовых экипажей / В. Ф. Ушкалов, Л. М. Резников, С. Ф. Редько - Киев : Наук. думка, 1982. - 360 с.
    2. Автоколебания и устойчивость движения рельсовых экипажей / Ю. В. Демин, Л. А. Длугач, М. Л. Коротенко, О. М. Маркова. - Киев : Наук. думка, 1984. - 160 с.
    3. Редько С. Ф. Идентификация механических систем. Определение динамических характеристик и параметров / С. Ф. Редько, В. Ф. Ушкалов, В. П. Яковлев - Киев : Наук. думка, 1985. - 216 с.
    4. Математическое моделирование рельсовых транспортных средств / В. Ф. Ушкалов, Л. М. Резников, B. C. Иккол и др. - Киев : Наук. думка, 1989. - 240 с.
    5. Korenev B. G. Dynamic Vibration Absorbers. Theory and Technical Applications / Korenev B. G., Reznikov L. M. - Chichester : J. Wiley and Sons, 1993. - 304 p.
    6. Демин Ю. В. Динамика машиностроительных и транспортных конструкций при нестационарных воздействиях / Ю. В. Демин, Г. И. Богомаз, Н. Е. Науменко. - Киев : Наук. думка, 1995. - 189 с.
    7. Богомаз Г. И. Колебания жидкости в баках / Г. И. Богомаз, С. А. Сирота. - Днепропетровск : ИТМ НАНУ и НКАУ, 2002. - 305 с.
    8. Богомаз Г. И. Динамика железнодорожных вагонов-цистерн / Г. И. Богомаз. - Киев : Наук. думка, 2004. - 223 с.
    9. Динамика старта жидкостных ракет-носителей космических аппаратов / Г. И. Богомаз, Н. Е. Науменко, М. Б. Соболевская, И. Ю. Хижа. - Киев : Наук. думка, 2005. - 248 с.
    10. Rail vehicle dynamics and associated problems / A. Sladkowski, H. Scheffel, H. Kovtun, O. Markova, W. Kik, D. Moelle. - Gliwice : Silesian University of Technology, 2005. - 118 p.
    11. Нагруженность вагонов-цистерн при переходных режимах движения поездов / Г. И. Богомаз, Н. Е. Науменко, А. Н. Пшинько, С. В. Мямлин. - Киев : Наук. думка, 2010. - 215 с.
    12. Ушкалов В. Ф. Модернизация тележек грузовых вагонов как вариант обновления ходовых частей грузового подвижного состава / В. Ф. Ушкалов, А. Д. Лашко, Т. Ф. Мокрий // Вестник ВНИИЖТ. - 2013. - № 5. - С. 8 - 15.
    13. Sobolevska M. Passive safety system of an electric locomotive for high-speed operation on the railways with 1520 mm gauge / M. Sobolevska, I. Telychko (Соболевская М.Б. Система пассивной безопасности пассажирского электровоза для скоростного движения по колее 1520 мм / М. Соболевская, И. Теличко) // Passive Safety of Rail Vehicles 2013 : Railway Research Network Proceedings of the 9th International Symposium "Passive Safety 2013 - Passive Safety of Rail Vehicles and Safe Interiors" in Berlin on 21 - 22 February 2013. - 43/2013. - Berlin : IFV Bahntechnik e.V. - 2013. - P. 63 - 80.
    14. Определение деформации грунтового основания под действием кратковременной нагрузки / Н. Е. Науменко, О. М. Маркова, Е. Н. Ковтун, В. В. Малый // Техническая механика. - 2015. - № 2. - С. 71 - 78.
    15. Markova O. Modelling train motion along arbitrary shaped track in transient regimes / O. Markova, H. Kovtun, V. Maliy // Rail and Rapid Transit. - 2015. - Vol. 229(1). - P. 97-105.

    По целому ряду вопросов, касающихся решения задач динамики машиностроительных и транспортных конструкций, отдел сотрудничает с Государственным предприятием "КБ "Южное", ПАО "Крюковский вагоностроительный завод", ПАО "Азовмаш", ПАО "Лугансктепловоз", ООО "Проектно-конструкторское производственное предприятие "МДС", Днепропетровским национальным университетом железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, Институтом математики НАН Украины (г. Киев), АО "Всероссийский научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава" (г. Коломна), Санкт-Петербургским государственным университетом путей сообщения, АО "Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта" (г. Москва), Технологическим университетом (г. Делфт, Нидерланды), Европейским институтом исследований железнодорожного транспорта (г. Утрехт, Нидерланды), Берлинским техническим университетом (Германия), Метрополитен университетом (г. Манчестер, Великобритания), Королевским технологическим институтом (Швеция), Римским университетом Ла Сапиенца (Италия), Днепропетровской государственной медицинской академией, активно сотрудничает по вопросам совершенствования конструкций подвижного состава с американскими компаниями "А. Стаки" и "Amsted Rail", немецкой компанией "EST Eisenbahn-Systemtechnik GmbH", а также с другими организациями стран СНГ и дальнего зарубежья.

    Завотделом является представителем ASME в Восточной Украине, вице-президентом Украинского общества инженеров-механиков.

    СЛУЖЕБНЫЙ АДРЕС:
    Институт технической механики, 15, ул.Лешко-Попеля,
    49600, г. Днепр, Украина
    НОМЕР ТЕЛЕФОНА:
    +38-056-376-45-94
    E-MAIL:


    © 2001 - 2017 Институт технической механики НАНУ и ГКАУ