Відділ статистичної динаміки і динаміки багатовимірних механічних систем

В. о. заввідділом - кандидат технічних наук Т.Ф. Мокрій

В.о. заввідділом - кандидат технічних наук Т.Ф. Мокрій Галузь досліджень випадкові коливання і стійкість руху механічних систем; ідентифікація та оптимізація їх параметрів; віброзахист конструкцій; прогнозування вібронавантаженості та міцності машинобудівних конструкцій, у т.ч. транспортних засобів і виробів ракетно-космічної техніки, при експлуатаційних і наднормативних навантаженнях; динаміка наземного, повітряного, морського видів старту рідинних ракет-носіїв космічних апаратів та динаміка старту оперативно-тактичних ракет і ракет залпового вогню; стаціонарні та нестаціонарні коливання неоднорідного вантажного поїзда; динамічна навантаженість і напружено-деформований стан елементів конструкцій екіпажів пасажирського поїзда з системою пасивної безпеки при експлуатаційних режимах руху та аварійних зіткненнях, стійкість та безпека руху швидкісного рухомого складу.

Розвинуто ефективні методи дослідження стаціонарних і нестаціонарних випадкових коливань складних механічних систем, запропоновано способи ідентифікації та оптимізації їх параметрів; розроблено математичні моделі і методи розв'язання задач статистичної динаміки транспортних засобів і вантажів, що перевозяться. З використанням цих методів розв'язано ряд задач, що мають важливе народногосподарське значення, задач віброзахисту конструкцій машин і споруд, у тому числі різних транспортних засобів, щогл, телевеж у Ташкенті, Алма-Аті, Ризі, прогнозування вібронавантаженості виробів ракетно-космічної техніки в умовах наземного, морського і повітряного транспортування, що дозволило пр искорити їх створення, знизити металоємність, підвищити надійність і довговічність.

Великий об'єм прикладних досліджень проведено, зокрема, в інтересах транспортного машинобудування як однієї з найбільш металоємних і енергоємних галузей народного господарства. Так, за замовленнями організацій Мінтяжмашу СРСР виконано повний цикл поглиблених динамічних розрахунків низки створюваних універсальних і спеціалізованих рейкових екіпажів, а також видано рекомендації щодо вибору основних параметрів проектованих транспортних засобів, раціональних із точки зору забезпечення їх міцності і динамічних якостей, збереження і віброзахисту вантажів, що перевозяться, безпеки руху.

Для прикладу, відділ брав участь у створенні вагона-платформи для перевезення велико-вантажних контейнерів, довгобазної універсальної платформи з підвищеним навантаженням на вісь, вагонів бункерного типу для безтарного перевезення борошна й полімерів, багатовісних транспортерів вантажопідйомністю 700 т, вагона для перевезення вантажних автомобілів, платформи-рейковоза, думпкарів, міксерів, спеціалізованих ходових частин для вантажних вагонів, уніфікованого візка ходової частини багатовісних транспортерів, вагонів електропоїздів, тролейбуса, трамвая, серії спеціального рухомого складу для транспортування об'єктів ракетно-космічної техніки та ін.

Платформа для велико-
вантажних контейнерів
Універсальна платформа Вагон-хопер

Участь у створенні об'єктів нової техніки транспортного машинобудування було відзначено урядовими нагородами, Дипломом ДКНТ СМ СРСР, медалями ВДНГ СРСР і ВДНГ України.

Розроблено математичне й програмне забезпечення для автоматизованої системи керування вібровипробуваннями транспортних засобів на найпотужнішому в країнах СНД і Східної Європи стенді КБ "Південне", що дозволяє задавати детерміновані й випадкові збурення в трьох площинах і випробовувати будь-який залізничний вагон у зборі. При цьому режими навантаження визначаються на основі зібраних і узагальнених у ІТМ даних про реальну дію з боку колії.

Одним із пріоритетних напрямків діяльності відділу є розробка методичного і програмного забезпечення для дослідження динаміки наземного, повітряного і морського видів старту РН КА, які враховують особливості нелінійної взаємодії РН з пусковою установкою, змінність швидкості вітрового потоку по довжині конструкції РН, можливість несинхронного включення двигунів першого ступеня та змінення структури системи у процесі руху. Розроблені математичні моделі і програмне забезпечення використано ДП "КБ "Південне" при відпрацюванні технології старту ракет-носіїв класу "Зеніт", "Дніпро", "Циклон" і виборі циклограм запуску двигунів.

"Циклон" "Зеніт" "Дніпро"

Розроблені науково-методичне і програмне забезпечення щодо дослідження динамічної навантаженості ракет-носіїв космічних апаратів увійшли складовою частиною в цикл робіт, удостоєних премії НАН України ім. М. К. Янгеля у 1998 р.

Розроблено математичну модель взаємодії опорних елементів пускової установки з грунтом під дією короткочасного динамічного навантаження для аналізу динаміки старту оперативно-тактичних ракет та ракет залпового вогню, а також для оцінки залишкових деформацій грунтової основи.

Виконано теоретичні дослідження щодо вибору параметрів пружно дисипативних пристроїв, що забезпечують суттєве зниження вібраційних навантажень, які діють на космічний апарат при повітряному, автомобільному і залізничному транспортуванні.
Стенд для динамічних випробувань ємностей із рідиною

У відділі проведено дослідження щодо визначення гідродинамічних характеристик баків, частково заповнених рідиною. Отримано ряд практично важливих експериментальних результатів.

Особливе місце в роботі відділу займає вирішення проблеми створення в Україні високошвидкісного залізничного транспорту. Відділ має певний досвід у проведенні досліджень із цієї тематики. У 1994 р. ІТМ разом із КБ "Південне", ДНУЗТ, ВО "Луганськтепловоз" розробив проект Державної науково-технічної програми "Високошвидкісний залізничний транспорт України".

На теперішній час одним з перспективних напрямків роботи відділу є розробка науково обґрунтованих рішень, пов'язаних із забезпеченням безпеки перевезень пасажирів і вантажів, а також зі створенням залізничних екіпажів, обладнаних засобами пасивного захисту.

Створено математичні моделі та відповідне програмне забезпечення для дослідження просторових коливань залізничних екіпажів із урахуванням їх конструктивних особливостей, фізичних та геометричних нелінійностей системи, роботи автозчепних пристроїв, технічного стану рейкової колії, специфіки вантажу, що транспортується.

Розроблено методики, які дозволяють за допомогою комп'ютерного моделювання дослідити динамічні процеси, що відбуваються при русі окремих вагонів і локомотивів та поїздів на ділянках колії довільного обрису як при експлуатаційних режимах, так і в аварійних ситуаціях, пов'язаних із можливістю сходу окремих вагонів з рейок, зіткненням поїздів і наїздом поїзда на перешкоду.

Розроблено математичні моделі та програмне забезпечення для дослідження динаміки швидкісних пасажирських поїздів при наднормативних зіткненнях, викликаних аварійним зіткненням поїзда з перешкодою на залізничній колії, з урахуванням в описі силової характеристики міжвагонних з'єднань початкового затягування поглинаючих апаратів, особливостей роботи автозчеплень СА-3 та беззазорних зчіпних пристроїв, конструкцій екіпажів, а також елементів системи пасивної безпеки.

На підставі теоретичних досліджень розроблено систему технічної діагностики стану ходових частин пасажирського поїзда. Система дозволяє виконувати оперативний контроль технічного стану ходових частин вагонів та колії безпосередньо в процесі руху, що сприяє підвищенню безпеки процесу перевезень.
Швидкісний пасажирський поїзд вітчизняного виробництва

Розроблено методичне забезпечення, дискретно-масові і скінченно-елементні математичні моделі для дослідження динаміки, навантаженості та напружено-деформованого стану елементів конструкцій вагонів-цистерн, у тому числі обладнаних засобами захисту днищ від пробивання в аварійній ситуації, при експлуатаційних та наднормативних ударних діях.

Скінченно-елементна схема цистерни Пробивання днища котла автозчепом сусіднього вагона Вагон-цистерна з захисним щитом

Розроблено технічні пропозиції та практичні рекомендації щодо створення ефективних засобів захисту днищ котлів вагонів-цистерн нового покоління в аварійних ситуаціях. Запропоновано конструкцію закріпленого на рамі вагона-цистерни запобіжного торцевого щита зі стільниковими енергопоглинаючими елементами, розроблено методику визначення раціональних параметрів захисної конструкції. Отримане технічне рішення захищено патентами та впроваджено у виробництво.

Результати досліджень використано при створенні спільно з ВАТ "Маріупольський завод важкого машинобудування" нової безрамної конструкції чотиривісного вагона-цистерни для залізниць Індії і вагона-цистерни моделі 15-9803 АВП для перевезення скрапленого газу, днища котла якого обладнані торцевими запобіжними щитами запропонованої конструкції.

Розроблено засновану на синтезі автоматизованого геометричного конструювання та скінченно-елементного моделювання методику для дослідження напружено-деформованого стану елементів конструкцій локомотивів і пасажирських вагонів, обладнаних засобами пасивного захисту, при ударних навантаженнях, характерних для експлуатації та аварійних зіткнень.

Розроблено математичні моделі для динамічного аналізу пружнопластичного деформування елементів каркаса кабіни швидкісного пасажирського локомотива з системою пасивної безпеки при ударних навантаженнях, що виникають в аварійних ситуаціях, з урахуванням нелінійностей, залежності межі текучості від швидкості деформації, змінної контактної взаємодії елементів конструкцій з перешкодою і між собою.
Деформація каркаса кабіни машиніста локомотива з елементами системи пасивної безпеки при ударі

Розроблено і запатентовано в Україні конструкцію пристрою поглинання енергії для системи пасивної безпеки пасажирського локомотива при аварійних зіткненнях.

Виконано натурний креш-тест розробленого пристрою поглинання енергії на випробувальному полігоні в м. Герліц (Німеччина).

На основі результатів виконаних досліджень розроблено, виготовлено та впроваджено у виробництво модульну кабіну машиніста швидкісного пасажирського електровоза нового покоління з елементами системи пасивної безпеки. Електровоз із розробленою кабіною і пристроями поглинання енергії введено в експлуатацію.
Креш-тест розробленої конструкції пристрою поглинання енергії Електровоз нового покоління з елементами системи пасивної безпеки

В результаті математичного моделювання динаміки еталонних поїздів при аварійних зіткненнях, сценарії яких відповідають європейському стандарту EN 15227 з пасивної безпеки, розроблено конструкції пристроїв поглинання енергії, що містять стільникові елементи і призначені для установки в кінцевих частинах пасажирських локомотивів і вагонів. Запропоновані пристрої дозволяють забезпечити захист пасажирів та обслуговуючого персоналу при аварійних зіткненнях поїзда з перешкодами.

Сценарії зіткнень згідно стандарту EN 15227

Пристрої поглинання енергії для локомотивів та вагонів

Виконано цикл теоретичних і експериментальних досліджень, тісно пов'язаних з вирішенням проблеми оновлення вантажного парку залізниць України, з метою підвищення динамічних якостей екіпажів, збільшення ресурсу ходових частин, зниження зносу елементів рухомого складу і колії. На основі результатів цих досліджень запропоновано для залізниць країн СНД і Балтії комплексну модернізацію візків вантажних вагонів. У візках замінено погано працюючі стандартні ковзуни ковзунами постійного контакту; замість сталевих клинів встановлено клини з високоміцного чавуну; фрикційні планки замінено сталевими зносостійкими; в підп'ятнику укладено полімерні прокладки. При цьому використано кращі моделі елементів модернізації розробки компанії А. Стакі (США). Змінено також профіль обода коліс на нелінійний зносостійкий ІТМ-73 (розробка ІТМ).

Елементи комплексної модернізації візка вантажних вагонів

За допомогою зазначеної модернізації вдалося досягти більш ніж дворазового збільшення ресурсу колеса за зносом гребеня, більш ніж десятикратного зменшення зносу в клиновій системі гасіння коливань, зниження в 4 - 5 разів зносу пятникового вузла та ін.

З 2004 р. на залізницях України проводилось впровадження комплексної модернізації візків, переважно піввагонів, частка яких у парку вантажних вагонів становить близько 48 %. Зараз з модернізованими візками на українських залізницях експлуатується більше 24000 вагонів (близько 33 % парку піввагонів).

Зазначену модернізацію візків було запропоновано для впровадження на залізницях Росії, країн СНД і Балтії (з шириною колії 1520 мм). Проведено модернізацію дослідних груп піввагонів на залізницях у ряді країн СНД (Росії, Білорусі, Казахстані).

Розроблено рекомендації та проведено випробування за проектами модернізації візків інших типів вагонів, візки яких доцільно модернізувати.

Оновлення робочого парку вантажних вагонів України

Елементи запропонованої ІТМ комплексної модернізації типових візків повністю використано при створенні перших трьох моделей українських візків вантажних вагонів: моделей 18-7020 і 18-7033 розробки Крюковського вагонобудівного заводу, а також моделі 18-4129 розробки КБ ТОВ "Софія-Інвест". Перший з цих візків запущено в серійне виробництво (в експлуатації їх знаходиться вже більше 2000), інші успішно пройшли експериментальні випробування.

Експериментальні залежності зносу
гребенів коліс із різним початковим
профілем від пробігу вагонів

В продовження робіт щодо вдосконалення комплексної модернізації візків вантажних вагонів створено новий більш зносостійкий профіль ободів коліс ІТМ-73-01. Як показали експлуатаційні випробування вантажних вагонів з комплексно модернізованими візками, застосування спочатку для незношених коліс профілю ІТМ-73, а потім, при обточках, профілю ІТМ-73-01 дозволяє збільшити ресурс коліс (у порівнянні зі стандартними колесами) більш ніж у чотири рази.

За наказом Укрзалізниці використання профілю ІТМ-73-01 є обов'язковим при переточках коліс комплексно модернізованих візків вантажних вагонів.

Проводяться дослідження щодо створення зносостійкого профілю бандажів коліс тягового рухомого складу та вантажних вагонів з підвищеним осьовим навантаженням.

Один з напрямків роботи відділу - дослідження біомеханіки тотального ендопротезування тазостегнового суглоба. Для оцінки напружено-деформованого стану системи "кістка - імплантат" в процесі її експлуатації розроблено скінченно-елементні розрахункові моделі як для здорового тазостегнового суглоба, так і у випадку використання ендопротеза з різними видами ацетабулярного компонента, який встановлюється шляхом запресовування або вгвинчування в вертлужну впадину.
Тотальний ендопротез тазостегнового суглоба ОРТЕН Розрахункова модель системи "кістка-ацетабулярний компонент" Напружений стан субхондральної кісткової
тканини вертлужної впадини при статичному навантаженні

Основні результати досліджень опубліковано в монографіях і статтях:

  1. Ушкалов В. Ф., Резников Л. М., Редько С. Ф. Статистическая динамика рельсовых экипа-жей. К.: Наук. думка, 1982. 360 с.
  2. Демин Ю. В., Длугач Л. А., Коротенко М. Л., Маркова О. М. Автоколебания и устойчивость движения рельсовых экипажей. К.: Наук. думка, 1984. 160 с.
  3. Редько С. Ф., Ушкалов В. Ф., Яковлев В. П. Идентификация механических систем. Опре-деление динамических характеристик и параметров. Киев : Наук. думка, 1985. 216 с.
  4. Демин Ю. В., Богомаз Г. И., Науменко Н. Е. Динамика машиностроительных и транспорт-ных конструкций при нестационарных воздействиях. К.: Наук. думка, 1995. 189 с.
  5. Богомаз Г. И., Сирота С. А. Колебания жидкости в баках. Днепропетровск : ИТМ НАНУ и НКАУ, 2002. 305 с.
  6. Богомаз Г. И. Динамика железнодорожных вагонов-цистерн. К.: Наук. думка, 2004. 223 с.
  7. Богомаз Г. И., Науменко Н. Е., Соболевская М. Б., Хижа И. Ю. Динамика старта жидкост-ных ракет-носителей космических аппаратов. К.: Наук. думка, 2005. 248 с.
  8. 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.
  9. Богомаз Г. И., Науменко Н. Е., Пшинько А. Н., Мямлин С. В. Нагруженность вагонов-цистерн при переходных режимах движения поездов. К.: Наук. думка, 2010. 215 с.
  10. Ушкалов В. Ф., Лашко А. Д., Мокрий Т. Ф. Модернизация тележек грузовых вагонов как ва-риант обновления ходовых частей грузового подвижного состава. Вестник ВНИИЖТ. 2013. № 5. С. 8 - 15.
  11. Sobolevska M., Telychko I. Passive safety system of an electric locomotive for high-speed opera-tion on the railways with 1520 mm gauge. Passive Safety of Rail Vehicles 2013 : Railway Re-search Network Proceedings of the 9th International Symposium "Passive Safety 2013 - Passive Safety of Rail Vehicles and Safe Interiors", Berlin, 21 - 22 February 2013. 43/2013. Berlin: IFV Bahntechnik e.V. 2013. P. 63 - 80.
  12. Науменко Н. Е., Маркова О. М., Ковтун Е. Н., Малый В. В. Определение деформации грун-тового основания под действием кратковременной нагрузки. Техническая механика. 2015. № 2. С. 71 - 78.
  13. Markova O., Kovtun H., Maliy V. Modelling train motion along arbitrary shaped track in transient regimes. Rail and Rapid Transit. 2015. Vol. 229(1). P. 97-105.
  14. Sobolevska M., Telychko I. Рassive safety of high-speed passenger trains at accident collisions on 1520 mm gauge railways. Transport problems. V. 12. Issue 1. 2017. Р 51 - 62.
  15. Ушкалов В. Ф., Мокрий Т. Ф., Малышева И. Ю., Безрукавый Н. В. Износостойкий профиль колеса для грузового вагона с повышенной осевой нагрузкой. Техническая механика. 2018. № 1. С. 20 - 29.

З цілого ряду питань, що стосуються розв'язання задач динаміки машинобудівних і транспортних конструкцій, відділ співпрацює з Державним підприємством "КБ "Південне", ПАТ "Крюковський вагонобудівний завод", ПАТ "Азовмаш", ТОВ "Проектно-конструкторське виробниче підприємство МДС", Дніпропетровським національним університетом залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Інститутом математики НАН України (м. Київ), АТ "Всеросійський науково-дослідний та конструкторсько-технологічний інститут рухомого складу" (м. Коломна), Санкт-Петербурзьким державним університетом шляхів сполучення, АТ "Всеросійський науково-дослідний інститут залізничного транспорту" (м. Москва), Технологічним університетом (м. Делфт, Нідерланди), Європейським інститутом досліджень залізничного транспорту (м. Утрехт, Нідерланди), Берлінським технічним університетом (Німеччина), Метрополітен університетом (м. Манчестер, Великобританія), Королівським технологічним інститутом (Швеція), Римським університетом Ла Сапієнца (Італія), Дніпропетровською державною медичною академією, активно співпрацює з питань удосконалення конструкцій рухомого складу з американськими компаніями "А. Стакі" і "Amsted Rail", німецькою компанією "EST Eisenbahn-Systemtechnik GmbH", а також з іншими організаціями країн СНД і далекого зарубіжжя.

СЛУЖБОВА АДРЕСА:
Інститут технічної механіки, 15, ул.Лешко-Попеля,
49600, м. Дніпро, Україна
НОМЕР ТЕЛЕФОНУ:
+38-056-376-45-94
E-MAIL:


© 2001 - 2022 Інститут технічної механіки НАНУ і ДКАУ