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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.18.2012.tde-27092013-100120
Documento
Autor
Nome completo
Denilson Grando
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2012
Orientador
Banca examinadora
Costa Neto, Álvaro (Presidente)
Barbosa, Roberto Spinola
Canale, Antonio Carlos
Título em português
Modelagem de vagão ferroviário em sistema multicorpos e avaliação do comportamento dinâmico em via tangente com desnivelamento transversal periódico
Palavras-chave em português
Atrito
Ferrovia
Modelagem
Mola helicoidal
Nivelamento transversal
Rolagem harmônica
Sistemas multicorpos (MBS)
Vagão de carga
Resumo em português
Este trabalho utiliza a técnica de modelagem de sistemas multicorpos para analisar o comportamento dinâmico de um vagão ferroviário de carga, trafegando sobre via tangente com desnivelamento transversal periódico. O estudo exibe a modelagem dos principais vínculos deste sistema, como o contato entre o prato e o pião, molas helicoidais e sistema de amortecimento de atrito seco da suspensão primária. A modelagem do contato entre o prato e o pião sugerida, é baseada em um modelo de elastic foundation, e utiliza a característica geométrica dos corpos em contato. O modelo dinâmico de atrito desenvolvido possui atuação bidirecional, sendo utilizado nos elementos dissipativos da suspensão. A matriz de rigidez das molas helicoidais da suspensão primária é obtida utilizando o Triedro de Frenet-Serret e o Segundo Teorema de Castigliano. O modelo matemático, confeccionado com a ferramenta de modelagem ADAMS/Rail, é composto por 90 corpos rígidos e uma caixa flexível e possui 210 graus de liberdade. A comparação dos resultados obtidos na identificação modal experimental e nas análises do modelo comprovou que as hipóteses adotadas na modelagem são aceitáveis, reforçando a utilização dos modelos multicorpos na análise dinâmica do veículo guiado. A variação da velocidade de tráfego do veículo, sobre diferentes comprimentos de irregularidade da via, proporcionou os resultados para confecção dos mapas de resposta dinâmica. Esses mapas foram traçados para o ângulo rolagem, alívio das forças no contato roda-trilho e razão L/V no rodeiro de ataque, e identificaram as regiões mais sensíveis para a rolagem harmônica. A rolagem e torção da caixa foram identificados como os movimentos principais do veículo, quando em tráfego em via com desnivelamento transversal periódico. O conjunto de prato e pião gasto aumentou a faixa de velocidade indicada como crítica para a rolagem, piorando os resultados para velocidades mais baixas. O aumento do amortecimento da suspensão primária, por meio da inclinação do lenoir link, diminuiu os valores de rolagem e do alívio em comparação ao caso nominal. A utilização do ampara-balaço de contato constante propiciou a diminuição do ângulo de rolagem, alívio das forças e da razão L/V do rodeiro na região de ressonância. O aumento do amortecimento deste vínculo, devido à mola elastomérica, proporcionou resultados ainda melhores e indicou que a alteração das características da suspensão secundária pode reduzir a amplitude do movimento de rolagem harmônica. A metodologia de análise do comportamento dinâmico proposta, através dos mapas de resposta, pode auxiliar na determinação das faixas críticas de velocidade de um vagão ferroviário de carga, no tráfego em vias cujas características típicas das irregularidades são conhecidas. Empresas do setor ferroviário podem aplicar este método no projeto de novos vagões, bem como no estudo da velocidade crítica de determinada frota já em operação.
Título em inglês
Multibody system modelling of a railway freight car and dynamic analysis on tangent track with periodic cross level defect
Palavras-chave em inglês
Cross level
Freight car
Friction
Harmonic roll
Helical spring
Modelling
Multibody systems (MBS)
Railway
Resumo em inglês
This study uses the multibody system modeling techniques to analyze the dynamic behavior of a railway freight wagon, traveling over tangent track with periodic cross level defect. The study shows the modeling of the main links of the system, as the center plate contact, helical springs and dry friction damper. The suggested modeling of the center plate contact is based on an elastic foundation model, and uses the geometric characteristic of these bodies. The dynamic friction model developed is bidirectional, being used in the dissipative suspension elements. The stiffness matrix of the helical springs is obtained using the Frenet-Serret trihedral and the Second Castigliano Theorem. The mathematical model, developed with the software ADAMS/Rail, is composed of 90 rigid bodies and a flexible car body and has 210 degrees of freedom. A comparison of results obtained in experimental modal identification and analysis of the mathematical model showed that the assumptions made in modeling are acceptable, reinforcing the use of multibody models in dynamic analysis of rail vehicles. The traffic speed variation on different lengths of track irregularity provided the results to make the dynamic response maps. These maps were drawn to roll angle, vertical force in the wheel-rail contact and wheelset L/V and identified the most sensitive regions to harmonic roll. The roll and torsion of the car body were identified as the main movements of the vehicle, when traveling over tangent track with periodic cross level defect. The use of worn center plate increased the critical speed range to the roll motion and decreases the performance for slower speeds. The increase in the damping of the primary suspension, through the lenoir link inclination, decreased the rolling angle and wheel lift in comparison to the nominal case. The use of constant contact side bearer reduced the roll angle and wheelset L/V ratio and increased the vertical load on wheels in the resonance region. The use of elastomeric side bearer provided even better results indicating that changes of the secondary suspension characteristics can minimize the movement of harmonic roll. The methodology for analyzing the dynamic behavior, through the proposed response maps, can assist in determining the critical speed ranges of a railway freight wagon running over a track whose typical irregularities characteristics are known. Companies in the rail industry can apply this method in the design of new cars, and study the critical velocity of a given railway fleet already in operation.
 
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DenilsonGrando.pdf (8.04 Mbytes)
Data de Publicação
2013-10-11
 
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