Відділ статистичної динаміки і динаміки багатовимірних механічних систем

В. о. заввідділу - кандидат технічних наук, старший науковий співробітник 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; 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.

Коротка історія досліджень у відділі. Відділ статистичної динаміки і динаміки багатовимірних механічних систем утворено у 2016 році шляхом об'єднання двох підрозділів інституту ("Відділ статистичної динаміки механічних систем", "Відділ динаміки багатовимірних механічних систем"), які займалися дослідженнями динаміки складних об'єктів, головним чином залізничного рухомого складу. Першим керівником об'єднаного відділу був чл.-кор. НАНУ д.т.н., проф. Ушкалов В. Ф. За роки існування відділів отримано чимало важливих теоретичних і практичних результатів. Розвинуто ефективні методи дослідження стаціонарних і нестаціонарних випадкових коливань складних механічних систем, запропоновано способи ідентифікації та оптимізації їхніх параметрів; розроблено математичні моделі і методи розв'язання задач статистичної динаміки транспортних засобів і вантажів, що перевозяться. З використанням цих методів розв'язано низку задач, що мають важливе господарське значення, зокрема задач віброзахисту конструкцій машин і споруд, у тому числі різних транспортних засобів, щогл, телевеж; прогнозування вібронавантаженості виробів ракетно-космічної техніки в умовах наземного, морського і повітряного транспортування. Розроблено рекомендації щодо вибору основних параметрів проєктованих універсальних і спеціалізованих рейкових екіпажів, раціональних з точки зору забезпечення їх міцності і динамічних якостей, збереження і віброзахисту вантажів, що перевозяться, безпеки руху. Для прикладу, спеціалісти відділу брали участь у створенні вагона-платформи для перевезення великовантажних контейнерів, довгобазної універсальної платформи з підвищеним навантаженням на вісь, вагонів бункерного типу для безтарного перевезення борошна і 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.

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

Розроблено математичне і програмне забезпечення для автоматизованої системи керування вібровипробуваннями транспортних засобів на стенді КБ "Південне".

Спеціалістами відділу розроблено методичне і програмне забезпечення для дослідження динаміки наземного, повітряного і морського видів старту ракети-носія (РН) з урахуванням особливостей нелінійної взаємодії РН з пусковою установкою, змінності швидкості вітрового потоку по довжині конструкції РН, можливості несинхронного включення двигунів першого ступеня та змінення структури системи в 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.

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

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

Виконано теоретичні дослідження щодо вибору параметрів пружнодисипативних пристроїв, що забезпечують суттєве зниження вібраційних навантажень, які діють на космічний апарат при повітряному, автомобільному і залізничному транспортуванні.

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

Розроблено методичне забезпечення, 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.

Розроблено технічні пропозиції та практичні рекомендації щодо створення ефективних засобів захисту днищ котлів вагонів-цистерн нового покоління в аварійних ситуаціях.

Результати досліджень використано при створенні спільно з ВАТ "Маріупольський завод важкого машинобудування" нової безрамної конструкції чотиривісного вагона-цистерни для залізниць Індії і вагона-цистерни для перевезення скрапленого газу.

Основні напрямки досліджень на теперішній час:

- оновлення вітчизняного рухомого складу з метою підвищення швидкостей руху залізничних екіпажів, покращення динамічних якостей, збільшення ресурсу ходових частин;

- удосконалення контактної пари "колесо - рейка", зниження зносу елементів рухомого складу і колії;

- розробка науково обґрунтованих рішень, пов'язаних із забезпеченням безпеки перевезень пасажирів і вантажів, а також створенням залізничних екіпажів, обладнаних засобами пасивного захисту;

- розробка пристроїв поглинання енергії системи пасивної безпеки пасажирського локомотива, головного вагона та проміжних пасажирських вагонів швидкісного моторвагонного поїзда;

- оцінка експлуатаційної навантаженості несучих елементів конструкцій вантажних вагонів зі змінними кузовами та розробка рекомендацій щодо елементів кріплення, які забезпечують безпеку перевезень різних вантажів у вагонах зі змінними кузовами;

- дослідження біомеханіки тотального ендопротезування кульшового суглоба.

Найважливіші досягнення останніх років. 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.

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.

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.

Деформація каркаса кабіни машиніста локомотива з елементами системи пасивної безпеки при ударі (модель)

Розроблено і запатентовано в Україні конструкцію пристрою поглинання енергії для системи пасивної безпеки пасажирського локомотива при аварійних зіткненнях, виконано його натурний креш тест на випробувальному полігоні в м. Гьорліц (Німеччина).

Креш тест розробленої конструкції пристрою поглинання енергії

На основі результатів виконаних досліджень розроблено 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.

Розроблено математичні моделі для дослідження динамічної навантаженості головного вагона швидкісного моторвагонного поїзда при аварійних зіткненнях, сценарії яких відповідають стандарту ДСТУ EN 15227 з пасивної безпеки. Розроблено схему установки пристроїв поглинання енергії (ППЕ) в кінцевих частинах головних і проміжних вагонів, а також конструкції ППЕ для вагонів моторвагонного поїзда. В результаті математичного моделювання динаміки еталонних поїздів при аварійних зіткненнях доведено, що запропоновані пристрої дозволяють забезпечити захист пасажирів та обслуговуючого персоналу при аварійних зіткненнях згідно з вимогами ДСТУ EN 15227.

Розроблено скінченно-елементні моделі для дослідження напружено-деформованого стану елементів вантажного вагона зі змінним кузовом при нормативних навантаженнях згідно ДСТУ EN 12663-2:2018.

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 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 п'ятникового вузла.

З 2004 р. на залізницях України проводилось впровадження комплексної модернізації візків, переважно піввагонів, частка яких у парку вантажних вагонів становить близько 48 %. На українських залізницях було модернізовано візки більше 25000 вагонів (близько 33 % парку піввагонів).

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 було запущено в серійне виробництво, інші успішно пройшли експериментальні випробування.

Зазначену модернізацію візків запропоновано для впровадження на залізницях інших країн з шириною колії 1520 мм.

В продовження робіт щодо вдосконалення комплексної модернізації візків вантажних вагонів для обточування зношених ободів коліс створено новий більш зносостійкий профіль ІТМ-73-01.

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

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. Наказом Укрзалізниці використання профілю ІТМ-73-01 встановлено обов'язковим при переточках коліс комплексно модернізованих візків вантажних вагонів.

Роботи зі створення профілів продовжуються і надалі. Розроблено зносостійкі профілі ІТМ-73-02 і ІТМ-73-03 для обточування нових коліс із товщиною гребеня 32 мм для вагонів з візками нового покоління зі звичайним (23,5 тс) і підвищеним до 25 тс осьовим навантаженням на рейки відповідно. Технічною радою Укрзалізниці було ухвалено рішення про введення профілю коліс ІТМ-73-02 до конструкторської документації на візок нового покоління моделі 18-7020 і проведення відповідних випробувань вагонів із такими колесами (однак такі випробування не відбулися за відсутністю фінансування).

Розроблено новий зносостійкий профіль ободів коліс ІТМ-73EP для використання в розсувних колісних парах пасажирських вагонів з метою безупинного переходу поїздів на колію з іншими параметрами в умовах їх спільної експлуатації на українських і європейських залізницях. Аналогічні дослідження виконуються щодо створення профілю коліс для розсувних колісних пар вантажних вагонів, а також універсального профілю коліс для пасажирського і вантажного рухомого складу.

Один з напрямків роботи відділу - дослідження біомеханіки тотального ендопротезування кульшового суглоба у співпраці з фахівцями Дніпровського державного медичного університету. Для оцінки напружено-деформованого стану системи "кістка-імплантат" в процесі її експлуатації розроблено скінченно-елементні розрахункові моделі як для здорового кульшового суглоба, так і у випадку використання ендопротеза з різними видами ацетабулярного компонента, який встановлюється шляхом запресовування або вгвинчування в вертлужну западину.

Тотальний ендопротез кульшового суглоба ОРТЕН	Розрахункова модель системи "кістка-ацетабулярний компонент"	Напружений стан субхондральної кісткової
		тканини вертлужної западини при статичному навантаженні

Основні результати досліджень опубліковано в монографіях і статтях:

1. Ушкалов В. Ф., Резников Л. М., Редько С. Ф. Статистическая динамика рельсовых экипажей. 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. Определение динамических характеристик и параметров. Киев : Наук. думка, 1985. 216 с.
4. Демин Ю. В., Богомаз Г. И., Науменко Н. Е. Динамика машиностроительных и транспортных 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 жидкостных 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 вариант 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 грунтового 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.
16. Reduction of freight car wheel wear of 1520 mm gauge railways. / V. Ushkalov, T. Mokriy, I. Malysheva, L. Lapina, S. Pasichnik and N. Bezrukavyi. - IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 985 (2020) 012004 doi:10.1088/1757-899X/985/1/012004.
17. Sobolevskaya M., Naumenko N. and Gorobets D. Development of passive protection devices for a power head of a high-speed multiple unit train at its collisions according to DSTU EN 15227. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 985 (2020) 012016 doi:10.1088/1757-899X/985/1/012016.
18. Markova O., Kovtun H. and Maliy V. 3D model to study transitional regimes of train motion. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 985 (2020) 012003. - doi:10.1088/1757-899X/985/1/012003.
19. Соболевська М. Б., Горобець Д. В. Рекомендації щодо виготовлення пристроїв пасивного захисту головного вагона з різних матеріалів. Технічна механіка. - 2022. - № 2. - С. 101 - 114.
20. Мокрій Т. Ф., Малишева І. Ю., Лапіна Л. Г., Безрукавий Н. В. Профіль ободу коліс пасажирського вагона для умов спільної експлуатації на українських і європейських залізницях. Технічна механіка. 2022. № 4. С. 111 - 120.

З цілого ряду питань, що стосуються розв'язання задач динаміки конструкцій, відділ співпрацює з ПАТ "Крюковський вагонобудівний завод", ТОВ "Міжнародне ділове співробітництво", Українським державним університетом науки і технологій, Львівським науково-дослідним інститутом судових експертиз, Дніпровським державним медичним університетом, американськими компаніями "А. Стакі" і "Amsted Rail", німецькою компанією "EST Eisenbahn-Systemtechnik GmbH".

© 2001 - 2023 Інститут технічної механіки НАНУ і ДКАУ