УДК  629. 1 . 011

 

Нурмамбетов С.М., к.т.н., профессор КазАТК, г Алматы, РК      

 

 

Новое научно-техническое направление автоматизации процесса проектирования  локомотивов и вагонов

 

Ведущее место в транспортной системе Республики Казахстан                                 принадлежит железным дорогам. Конкурентоспособность железнодорожного транспор­та в значительной степени зависит от времени, затрачиваемого пасса­жиром на поездку. Это заставляет ученых страны заниматься проблемой скоростного движения. Перспективы развития подвижного состава связывают с повышением скорости дви­жения и массы поездов, улучшением комфорта и расширением сферы ус­луг для пассажиров. Поэтому одной из основных задач остается обес­печение плавности хода во всем диапазоне скоростей при движении экипажа по прямым и криволинейным участкам пути. Отмечено также, что оптимальные экономические показатели достигаются при максимальной скорости 200-350 км/ч. При этом для повышения плавности хода, уменьшения износа колес и рельсов могут потребоваться неклассические решения, в частности, поперечное подвешивание с перемен­ными характеристиками, активное управление динамическими процесса­ми и так далее. Главным препятствием в широком распространении больших скоростей в нашей стране стало разительное несоответствие возможностей поезда и пути. Исследования последних лет показали, что и динамические свойства подвижного состава магистральных железных дорог часто не обеспечивают требуемые динамические показатели в рабочем диапазоне скоростей движения.

Подвижной состав, поступающий в эксплуатацию, не соответствует по прочности, надежности, металлоемкости, энергоемкости, комфорту и безопасности движения лучшим образцам и быть конкурентоспособным на внешнем рынке. Технико-экономический анализ свидетельствует о том, что проектирование вагонов электропоездов пригородного сообщения на базе типовых ре­шений (по имеющемуся образцу) не решает проблему создания экономичного и надежного в эксплуатации подвижного состава. Основные требования, предъявляемые к новому подвижному соста­ву, во многом определяются его динамическими свойствами. Локомотив характеризуется, кроме того, тяговыми свойствами.

Нужно коренным образом повысить технический уровень и качест­во локомотивов и вагонов, а также сократить сроки и трудоемкость проектирования, поэтому нужна качественно новая автоматизированная форма организации проектирования на базе математических методов и средств вычислительной техники с сохранением преимуществ традици­онного проектирования. В решении проблемы резкого сокращения сро­ков разработки и освоения высокоэффективной техники и технологий, ведущая роль отводится   системам автоматизированного проектирования (САПР).

В соответствии с современными представлениями разработка и эксплуатация САПР позволит:

1. Повысить качество проектирования за счет

-            расширения количества рассматриваемых проектных решений;

-            более детального и всестороннего анализа каждого проектного решения;

-            возможности решения принципиально новых проектных задач и
математического моделирования на ЭВМ поведения проектируемого объекта в условиях его функционирования;

-            вооружения разработчика новыми методами и техническими средствами, расширяющими творческий процесс создания новой конструкции.

2. Сократить сроки разработки новой техники путем

-            совершенствования и ускорения операций по переработке графической и текстовой информации;

-            быстрого обмена информацией между подразделениями завода или
производственного объединения;

-            механизации процесса выпуска чертежной документации и технологии подготовки производства;

-            оперативного контроля текущего состояния проекта.

3. Уменьшить стоимость разработки проекта

-            снижением затрат на переделку проекта из-за уменьшения концептуальных ошибок начального этапа проектирования;

-            уменьшением числа специалистов в сфере обеспечения управ­ления процессом проектирования;

-            высвобождением для творческой работы специалистов, занятых
рутинными операциями по проведению вспомогательных вычисле­ний, обработке осциллограмм и другой графической информации;

-            заменой ряда экспериментов на реальных объектах математическим моделированием на ЭВМ.

4. Стимулировать развитие методологии проектирования

- созданием и совершенствованием методов формализации проектно-поисковых операций и обоснованного принятия решений в условиях неопределенности;

- регламентацией мероприятий выпуска и прохождения технической документации;

-  повышением информативности конструкторов и технологов;

- расширением и укреплением связи науки с производством путем участия в совместных работах по автоматизации наиболее трудоемких и сложных задач проектирования и конструирования.

На рисунке 1 дана качественная картина, показывающая как по ме­ре увязки и детальной проработки проекта от задач проектного поиска и этапа эскизного проектирования к периоду рабочего проектирования, изготовления и отработки конструкции растут затраты и уменьшается возможность корректировки первоначальных проектных решений.

 

 

1       - поиск проектных решений;

2       - эскизное проектирование;

3       - техническое и рабочее проектирование;

4       - изготовление опытного образца;

5       - доводка конструкции.

Рисунок  1

 

Анализ графиков подтверждает важность обстоятельного и детального начального поиска, поглощающего всего несколько процентов общей сто­имости проекта (в США этот процент составляет 15%, в СНГ - 7%), но значительно влияющего на все последующие этапы. На рисунке пунк­тирной линией изображена тенденция накопления сведений о проекте по мере его разработки. Наглядно видна целесообразность максимального обогащения информацией начального момента завязка проекта, пока не приняты окончательные решения по его реализации, пока есть возмож­ность просмотреть и отбросить многие конкурирующие варианты. При традиционном проектировании таких вариантов немного (один, два) и выбирать, собственно, не из чего.

При автоматизированном проектировании объектом исследования является не конкретное изделие (локомотив, вагон, автомобиль), а его математическая модель, уточняемая по результатам эксперимента.

Существенными чертами автоматизированных систем проектирования должны быть:        

- системность - единый подход к различным этапам и объектам проектирования, учет многосторонних связей, объединение частных
подходов, программ, процедур в единый комплекс;

-       оптимизация - формулировка всех или ключевых этапов принятия решений в виде задач оптимизации типа математического программирования или оптимального управления;

- эволюционность - гибкость системы, возможность ее видоизменения путем добавления или исключения отдельных этапов, блоков.

Основой автоматизации проектирования являются методы и программы оптимального проектирования. В работе учёных отмечается, что при разработке новой научной теории проектирования в начале 60-х годов возлагались большие надежды на совершенствование процесса инженерного проектирования путем внедрения достижений в области морфологии, творчества и аналитических методов принятия решений. В настоящее время надежды подтвердились только в области оптимизации, где можно ожидать коренных изменений практики инженерного проектирования.

В основе формальных моделей процесса принятия проектных реше­ний используются модели задач оптимизации математического программирования и управления. Модели имеют свою специфику, связанную с процессом проектирования и классом проектируемых систем.

В последние годы применение электронных систем и микропроцессорной техники на некоторых локомотивах позволило реализовать поосное регулирование тягового момента в зависимости от нагрузки и значительно повысить их тяговые свойства. Благодаря своему быстро­действию электронные системы реагируют на изменение нагрузки, вызываемое колебаниями обрессоренных частей локомотивов. По мнению специалистов Германии, применение этих систем позволяет конструкторам быть более свободными в проектировании экипажной части локомотивов и концентрировать усилия главным образом на обеспечение требуемых показателей динамических качеств.

Проектирование в условиях функционирования САПР требует при применении методов оптимизации обеспечивать минимум затрат времени ЭВМ на поиск оптимального проектного решения. Этому критерию соот­ветствует самый эффективный из современных численных методов опти­мизации метод деформированного многогранника Нелдера-Мида, позво­ляющий за сравнительно небольшое время решить задачу на модели лю­бой сложности, и аналитические методы оптимизации, применение кото­рых обеспечивает значительное снижение потребного машинного времени. Однако, в основу аналитических методов оптимизации заложены линейные модели, что является главным сдерживающим фактором примене­ния этих методов.

Выполненное в данной работе сравнение возможности применения аналитических методов оптимизации при проектировании традиционных систем подвешивания транспортных экипажей показывает, что по трудо­емкости расчетов, использованию ЭВМ и затратам машинного времени наиболее эффективен метод динамического программирования для непре­рывных детерминированных систем в матричной форме. Основные причины, препятствующие широкому распространению этого метода для линейных динамических систем со многими степенями свободы, связаны с невозможностью решения в общем виде матричного нелинейного алгебраического уравнения типа Риккати, входящего в алгоритм метода, и проблемой обоснованного выбора весовых коэффициентов квадратичного функционала качества.

Целью данной работы является разработка методологии проекти­рования системы подвешивания транспортных экипажей на основе мето­да динамического программирования для непрерывных стохастических систем и специального математического обеспечения, включающего ма­тематические методы, модели, алгоритмы, комплекс прикладных программ и составляющего основу проектирующей подсистемы автоматизированного проектирования системы подвешивания железнодорожных экипажей.

Методология предусматривает поэтапное проектирование системы подвешивания и рекомендуется для использования при создании транспортных экипажей симметричной конструкции. Она может быть также применена на начальных стадиях проектирования железнодорожных эки­пажей несимметричной конструкции.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработка технических приемов, способствующих применению ме­тода динамического программирования при параметрическом синтезе и определении закона активного управления параметрами системы подвешивания рельсовых экипажей;

-       выбор метода поиска допустимых проектных решений сложных динамических систем, позволяющего строить быстрые алгоритмы синтеза
параметров системы подвешивания;

-       обоснование физической реализуемости синтезируемых параметров
системы подвешивания экипажа;

-       разработка задач проектирующей подсистемы САПР системы подвешивания, алгоритмов и комплекса прикладных программ,

В САПР под проектным решением понимают описание или оценку проектируемого объекта или его части, достаточные для принятия заключения об окончании проектирования или путях его продолжения. В свою очередь, проектное решение является результатом проектной процедуры. Если цель проектной процедуры получение информации о свойствах известного (заданного) проектируемого объекта, то решается задача анализа. Если в результате проектной процедуры получаются новые сведения об объекте или его части, то такие задачи в САПР называются задачами синтеза.

В основу математического и программного обеспечений заложен метод динамического программирования для непрерывных стохастичес­ких систем, декомпозиция (принцип разделимости) которого на более простые методы позволила создать методологию поэтапного проектиро­вания системы подвешивания:

-       проектируется пассивная (традиционная) система подвешивания
на основе метода динамического программирования для непрерывных
детерминированных систем и анализа показателей динамических качеств
экипажа в рабочем диапазоне скоростей движения;

-       проверяется целесообразность введения в пассивную систему
устройств активного управления параметрами упруго-диссипативных
связей по алгоритму Калмана-Бьюси оценки вектора состояния систе­мы при движении экипажа по случайным неровностям рельсового пути
и принимается окончательное решение о принципе действия системы
подвешивания;

-       определяются исходные данные для разработки технического зада­ния на проектирование устройств активного управления по алгоритму
метода динамического программирования для систем, находящихся под
действием случайного возмущения, если принято решение о проектиро­вании активной системы подвешивания.

Разработана обобщенная методика ана­лиза, выполняемая общепринятыми методами и содержащая оценку пока­зателей динамических качеств вертикальных колебаний экипажа при действии случайного возмущения со стороны пути; проверку устойчи­вости движения экипажа в прямых участках пути; динамическое вписывание экипажа в круговые кривые; расчет осевых и контактных напря­жений в рельсе при движении экипажа по прямым и круговым кривым. Расчетные модели - механические системы абсолютно твердых тел (ку­зов, обрессоренные массы тележек, колесные пары), соединенные упруго-диссипативными связями с линеаризованными характеристиками.

Устранение причин, препятствующих широкому распространению метода динамического программирования при проектировании систем рассматриваемого класса, выполнено следующими техническими приемами:

- выполнена декомпозиция метода динамического программирования
для непрерывных стохастических систем на более простые методы, что позволило разработать методологию поэтапного проектирования системы подвешивания, пригодную для создания железнодорожных экипажей обычного и высокоскоростного движения;

- введено ограничение на структуру проектируемой системы при параметрическом синтезе, предусматривающее использование линейных и симметричных расчетных схем, что дает возможность получить ана­литические зависимости для параметров всех упруго-диссипативных связей системы подвешивания и линейных размеров, характеризующих размещение этих связей на экипаже;

- осуществлен выбор весовых коэффициентов квадратичного функционала качества в соответствии с требованиями санитарно-гигиенических
норм, что гарантирует сохранность здоровья и работоспособность локомотивной бригаде и пассажирам;

- при параметрическом синтезе в определении закона активного управления применены одни и те же расчетные схемы экипажа, что позволяет на этапе проектирования пассивной системы подвешивания получить матрицу параметров обратных связей закона управления.

По разработанной методике решены задачи синтеза пассивной системы подвешивания для экипажа с двухступенчатой системой подвешивания при известных и неизвестных значениях баз кузова в тележки. До­полнительно решена задача синтеза подвески кресла машиниста. Для ускорения процесса поиска оптимального проектного решения разрабо­тана двухуровневая методика оптимизации.

На основе разработанных технических приемов созданы методики определения матриц параметров оптимальных фильтров и закона управ­ления параметрами системы подвешивания экипажа с n степенями сво­боды при возмущении в виде белого и цветного шума, действующих со стороны пути. В качестве примера получен закон управления вертикальными параметрами упруго-диссипативных связей четырехосного экипажа с двухступенчатой системой подвешивания и т.д.

Практическая ценность работы состоит в том, что предлагаемая методология проектирования систем подвешивания может быть применена при создании перспективного подвижного состава, предназначенного для движения с обычными и высокими скоростями. Особенно она эффективна для проектирования высокоскоростного транспорта. Создано программное обеспечение, реализующее эту методологию и составляю­щее основу проектирующей подсистемы САПР системы подвешивания ло­комотивов и вагонов. Комплекс приклад­ных программ (КПП) построен по модульному принципу, имеет специа­лизированный монитор, который по значению управляющих констант ор­ганизует ввод исходной информации, вызов модулей в нужной последо­вательности, обеспечивает обмен информацией между ними и управляет процессом решения задач. Наличие специализированного монитора дает возможность самостоятельного использования КПП и в условиях функ­ционирования САПР.

Использование комплекса прикладных программ совместно с уточненными методиками анализа, разрабатываемыми во ВНИИЖТе, ДИИТе и других институтах, и методом деформированного многогранника, опыт применения которого накоплен в МГУПС, в процессе проек­тирования значительно сократит сроки, трудоемкость и затраты, свя­занные с проектированием и доводкой конструкции, а также улучшит показатели динамических качеств создаваемых единиц подвижного сос­тава железных дорог.