Oscillation Dampers and Shock Absorbers in Railway Vehicles (Mathematical Models)

Манашкин, Л. А. Гасители колебаний и амортизаторы ударов рельсовых экипажей (математические модели) : монография / Л. А. Манашкин, С. В. Мямлин, В. И. Приходько. — Д. : АРТ-ПРЕС, 2007. — 196 с. — ISBN 978-966-348-121-0 УДК 629.4.027.01.015Manashkin, L. Oscillation Dampers and Shock Absorbers in Railway Vehicles (Mathematical Models) / L. Manashkin, S. Myamlin, V. Prikhodko. — Dnipropetrovsk : 2009. — 180 p. — doi: 10.15802/978-966-348-121-0RU: Монография посвящена моделированию устройств гашения колебаний – амортизаторов и гасителей колебаний. Рассмотрены различные типы поглощающих аппаратов, их конструктивные особенности и математические модели, описывающие их работу. Приведены методики испытаний гасителей колебаний и поглощающих аппаратов, а также способы обработки результатов измерений. Книга предназначена для ученых и инженеров-конструкторов, занимающихся проектированием и изучением работы различных амортизирующих устройств на железнодорожном транспорте. Может быть полезна также аспирантам, магистрам и студентам, изучающим конструкцию и динамику подвижного состава железных дорог и промышленного транспорт.UK: Монографія присвячена моделюванню пристроїв гасіння коливань – амортизаторів і гасителів коливань. Розглянуті різні типи поглинальних апаратів, їх конструктивні особливості й математичні моделі, що описують їх роботу. Наведені методики випробувань гасителів коливань і поглинальних апаратів, а також способи обробки результатів вимірювань. Книга призначена для вчених і інженерів-конструкторів, які займаються проектуванням і вивченням роботи різних амортизуючих пристроїв на залізничному транспорті. Може бути корисна також для аспірантів, магістрів і студентів, які вивчають конструкцію і динаміку рухомого складу залізниць і промислового транспорту.EN: The Monograph deals with the simulation of oscillation damping units – the shock absorbers and oscillation dampers. Various types of draft gears are considered including their structural features and mathematical models describing their operation. The test methods for oscillation dampers and draft gears are described together with the test results processing techniques. The book is issued for the scientists and designers researching and developing various shock absorbing units in railway vehicles. It may be useful for postgraduate, master degree and other students studying the structure and dynamics of the railways rolling stock and industrial transport

Ionic liquids at electrified interfaces

Until recently, “room-temperature” (<100–150 °C) liquid-state electrochemistry was mostly electrochemistry of diluted electrolytes(1)–(4) where dissolved salt ions were surrounded by a considerable amount of solvent molecules. Highly concentrated liquid electrolytes were mostly considered in the narrow (albeit important) niche of high-temperature electrochemistry of molten inorganic salts(5-9) and in the even narrower niche of “first-generation” room temperature ionic liquids, RTILs (such as chloro-aluminates and alkylammonium nitrates).(10-14) The situation has changed dramatically in the 2000s after the discovery of new moisture- and temperature-stable RTILs.(15, 16) These days, the “later generation” RTILs attracted wide attention within the electrochemical community.(17-31) Indeed, RTILs, as a class of compounds, possess a unique combination of properties (high charge density, electrochemical stability, low/negligible volatility, tunable polarity, etc.) that make them very attractive substances from fundamental and application points of view.(32-38) Most importantly, they can mix with each other in “cocktails” of one’s choice to acquire the desired properties (e.g., wider temperature range of the liquid phase(39, 40)) and can serve as almost “universal” solvents.(37, 41, 42) It is worth noting here one of the advantages of RTILs as compared to their high-temperature molten salt (HTMS)(43) “sister-systems”.(44) In RTILs the dissolved molecules are not imbedded in a harsh high temperature environment which could be destructive for many classes of fragile (organic) molecules

Physicochemical Characterization of Passive Films and Corrosion Layers by Differential Admittance and Photocurrent Spectroscopy

Two different electrochemical techniques, differential admittance and photocurrent spectroscopy, for the characterization of electronic and solid state properties of passive films and corrosion layers are described and critically evaluated. In order to get information on the electronic properties of passive film and corrosion layers as well as the necessary information to locate the characteristic energy levels of the passive film/electrolyte junction like: flat band potential (Ufb), conduction band edge (EC) or valence band edge (EV), a wide use of Mott-Schottky plots is usually reported in corrosion science and passivity studies. It has been shown, in several papers, that the use of simple M-S theory to get information on the electronic properties and energy levels location at the film/electrolyte interface can be seriously misleading and/or conflicting with the physical basis underlying the M-S theory. A critical appraisal of this approach to the study of very thin and thick anodic passive film grown on base-metals (Cr, Ni, Fe, SS etc..) or on valve metals (Ta, Nb, W etc..) is reported in this work, together with possible alternative approach to overcome some of the mentioned inconsistencies. At this aim the theory of amorphous semiconductor Schottky barrier, introduced several years ago in the study of passive film/electrolyte junction, is reviewed by taking into account some of the more recent results obtained by the present authors. Future developments of the theory appears necessary to get more exact quantitative information on the electronic properties of passive films, specially in the case of very thin film like those formed on base metals and their alloys. The second technique described in this chapter, devoted to the physico-chemical characterization of passive film and corrosion layers, is a more recent technique based on the analysis of the photo-electrochemical answer of passive film/electrolyte junction under illumination with photons having suitable energy. Such a technique usually referred to as Photocurrent Spectroscopy (PCS) has been developed on the basis of the large research effort carried out by several groups in the 1970’s and aimed to investigate the possible conversion of solar energy by means of electrochemical cells. In this work the fundamentals of semiconductor/electrolyte junctions under illumination will be highlighted both for crystalline and amorphous materials. The role of amorphous nature and film thickness on the photo-electrochemical answer of passive film/solution interface is reviewed as well the use of PCS for quantitative analysis of the film composition based on a semi-empirical correlation between optical band gap and difference of electronegativity of film constituents previously suggested by the present authors. In this frame the results of PCS studies on valve metal oxides and valve metal mixed oxides will be discussed in order to show the validity of the proposed method. The results of PCS studies aimed to get information on passive film composition and carried out by different authors on base metals (Fe, Cr, Ni) and their alloys, including stainless steel, will be also compared with compositional analysis carried out by well-established surface analysis techniques

Розвиток наукової школи транспортної механіки: творча спадщина Є. П. Блохіна

Purpose. Development of domestic and global transport science occurred due to the contributions of many scientists and practicing engineers. The purpose of our study is the analysis of scientific documentary legacy of YE. P. Blokhin, Doctor of Technical Sciences, Professor of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan and identifying his place and role in the development of modern railway transport. Methodology. Application of problem-chronological, comparative, descriptive historical methods of research, systematization and analysis of scientific papers allowed the authors to submit the actual history of the railway transport development (1950-2013) through the prism of YE. P. Blokhin scientific activity. We identified 6 main periods of his scientific activity. Findings. It was found out that the overall intellectual plant of the scientist includes 555 scientific papers (written personally and co-authored) in domestic and foreign publications on key issues of mechanics and operation of railway rolling stock. Artistic legacy of YE. P. Blokhin includes monographs, articles, reports, patents, author certificate, etc. It was found that the epistolary legacy of scientist, archive materials, his personal diaries, reference list of works of his students and followers are almost unexplored. Originality. Authors of the work for the first time in the history of science and technology of Ukraine conducted a complex study of the scientific legacy of YE. P. Blokhin in the context of railway transport. It is proved that the ideas, research, scientific works, implemented projects, numerous students and followers of YE. P. Blokhin are important factors, confirming a significant contribution of the scientist to the global engineering and transport science. Practical value. The work can be used to create historiographical papers and textbooks, to study the issues of formation and development of the scientific school for transport mechanics and university science ofUkraine in the railway branch, in the course of lectures on the subjects «History of railway transport development» and «Introduction to the profession». Цель. Развитие отечественной и мировой транспортной науки на всех ее этапах происходило благодаря весомому вкладу множества ученых и инженеров-практиков. Целью нашего исследования является анализ документального научного наследия Е. П. Блохина, доктора технических наук, профессора Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна; определение его места и роли в развитии современного железнодорожного транспорта. Методика. Применение проблемно-хронологических, сравнительных, описательных исторических методов исследования, систематизация и анализ научных трудов позволили авторам подать фактическую историю развития железнодорожного транспорта (1950-2013 гг.) через призму научной деятельности Е. П. Блохина. Были выделены 6 основных периодов научной деятельности ученого. Результаты. Выяснено, что общий интеллектуальный багаж ученого составляет 555 научных работ (написанных лично и в соавторстве) в отечественных и зарубежных изданиях, посвященных ключевым проблемам механики и эксплуатации подвижного состава железных дорог. Творческое наследие Е. П. Блохина составляют монографии, статьи, доклады, патенты, авторские свидетельства и др. Выяснено, что практически неизученными остаются эпистолярное наследие ученого, архивные материалы, его личные дневники, библиографические списки в трудах его учеников и последователей. Научная новизна. Авторы данной работы впервые в истории развития науки и техники Украины провели комплексное исследование научного наследия Е. П. Блохина в контексте развития железнодорожного транспорта. Доказано, что идеи, исследования, научные труды, реализованные проекты, многочисленные ученики и последователи Е. П. Блохина – весомые факторы, подтверждающие значительный вклад ученого в развитие мировой инженерной мысли и транспортной науки. Практическая значимость. Данная работа может быть использована при создании историографических трудов и учебных пособий; исследовании вопросов становления и развития научной школы транспортной механики и университетской науки Украины в отрасли железнодорожного транспорта, в курсе лекций по дисциплинам «История развития железнодорожного транспорта» и «Введение в специальность».Мета. Розвиток вітчизняної й світової транспортної науки на всіх її етапах відбувався завдяки вагомому внеску безлічі вчених та інженерів-практиків. Метою нашого дослідження є аналіз документальної наукової спадщини Є. П. Блохіна, доктора технічних наук, професора Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна; визначення його місця та ролі в розвитку сучасного залізничного транспорту. Методика. Застосування проблемно-хронологічних, порівняльних, описових історичних методів дослідження, систематизація та аналіз наукових праць дозволили авторам подати фактичну історію розвитку залізничного транспорту (1950-2013 рр.) через призму наукової діяльності Є. П. Блохіна. Було виділено 6 основних періодів наукової діяльності вченого. Результати. З'ясовано, що загальний інтелектуальний багаж вченого становить 555 наукових робіт (написаних особисто та в співавторстві) у вітчизняних і зарубіжних виданнях, присвячених ключовим проблемам механіки та експлуатації рухомого складу залізниць. Творчу спадщину Є. П. Блохіна складають монографії, статті, доповіді, патенти, авторські свідоцтва та ін. З'ясовано, що практично невивченими залишаються епістолярна спадщина вченого, архівні матеріали, його особисті щоденники, бібліографічні списки в працях його учнів і послідовників. Наукова новизна. Автори даної роботи вперше в історії розвитку науки і техніки України провели комплексне дослідження наукової спадщини Є. П. Блохіна в контексті розвитку залізничного транспорту. Доведено, що ідеї, дослідження, наукові праці, реалізовані проекти, численні учні та послідовники Є. П. Блохіна – вагомі чинники, що підтверджують значний внесок ученого в розвиток світової інженерної думки й транспортної науки. Практична значимість. Дана робота може бути використана при створенні історіографічних праць і навчальних посібників; дослідженні питань становлення та розвитку наукової школи транспортної механіки й університетської науки України в галузі залізничного транспорту, у курсі лекцій із дисциплін «Історія розвитку залізничного транспорту» та «Вступ до спеціальності»

Щодо питання про моделювання процесів зносу залізничних коліс і рейок

Purpose. There is a need of wear process modeling in the wheel-rail system. This is related to the fact that the wear processes in this system are absolutely different in the initial and final stages. The profile change of rail and, especially, of the wheels caused by the wear significantly affects the rolling stock dynamics, traffic safety and the resource of the wheels and rails. Wear modeling and the traffic safety evaluation requires the accounting of the low frequency component forces (including the modeling of transitional areas) affecting the wheel on the side of the rail and carriage in motion of rolling stock, so the statistical analysis is not possible. Methodology. The method of mathematical modeling of the wheel set and the rail interaction was used during the research conducting. Findings. As a result of the modeling of the wheel set motion on the rail track, the mathematic model with 19 freedom degrees was obtained. This model takes into account the axle torque and studies wheels constructions as the components of the mechanical systems, consisting of a hub and tire. Originality. The mathematic model allows evaluating the wear degree of the wheels and rails when using on the rolling stock not only all-metal wheel sets, but also compound ones with the use of spring wheels and independent rotation of semi-axes with the wheels. Practical value. The development of the improved mathematical model of freight car wheel set motion with differential rotation of the wheels and compound axles allows studying the wear processes of wheels and rails. Цель. Существует необходимость моделирования процесса износа в системе колесо-рельс. Это связано с тем, что процессы изнашивания в этой системе на начальной и конечной стадиях протекают существенно по-разному. Причём изменение профилей рельсов и, особенно, колёс, вызванное изнашиванием, существенно сказывается на динамике подвижного состава, безопасности движения, ресурсе колёс и рельсов. Моделирование износа и оценка безопасности движения экипажа требует учёта низкочастотных составляющих сил (в том числе при моделировании переходных участков), действующих на колесо со стороны рельса и экипажа при движении подвижного состава, поэтому статистический анализ невозможен. Методика. При выполнении исследований применяется метод математического моделирования взаимодействия железнодорожной колесной пары и рельсового пути. Результаты. В результате выполненного моделирования движения дорожной колесной пары по рельсовому пути получена математическая модель с 19-тью степенями свободы, позволяющая учитывать кручение оси, а также рассматривать конструкции колес, как составных механических систем, состоящих из ступицы и бандажа. Научная новизна. Представленная математическая модель позволяет оценивать степень износа колес и рельсов при использовании на подвижном составе не только цельнометаллических колесных пар, а и составных, с использованием подпружиненных колес и независимым вращением полуосей с колесами. Практическая значимость. Создание усовершенствованной математической модели движения колесной пары грузового вагона с дифференцированным вращением колес и составными осями позволяет исследовать процессы износа колес и рельсов.Мета. Існує необхідність моделювання процесу зношування в системі колесо-рейка. Це пов'язано з тим, що процеси зношування в цій системі на початковій та кінцевій стадіях протікають істотно по-різному. Причому зміна профілів рейок і, особливо, коліс, викликана зношуванням, суттєво позначається на динаміці рухомого складу, безпеки руху, ресурсі коліс і рейок. Моделювання зношування і оцінка безпеки руху екіпажу вимагає врахування низькочастотних складових сил (у тому числі при моделюванні перехідних ділянок), що діють на колесо з боку рейки і екіпажу при русі рухомого складу, тому статистичний аналіз неможливий. Методика. При виконанні досліджень застосовується метод математичного моделювання взаємодії залізничної колісної пари і рейкового шляху. Результати. У результаті виконаного моделювання руху дорожньої колісної пари по рейковому шляху отримано математичну модель з 19-тьма ступенями свободи, що дозволяє враховувати кручення осі, а також розглядати конструкції коліс як складових механічних систем, що складаються з ступиці і бандажа. Наукова новизна. Представлена математична модель дозволяє оцінювати ступінь зношування коліс і рейок при використанні на рухомому складі не тільки суцільнометалевих колісних пар, а й складових, з використанням підпружинених коліс і незалежним обертанням піввісей з колесами. Практична значимість. Створення вдосконаленої математичної моделі руху колісної пари вантажного вагона з диференційованим обертанням коліс і складовими осями дозволяє досліджувати процеси зносу коліс і рейок

THE PREDICTION OF THE TWO-AXLES DEVELOPMENT OF FREIGHT CAR TRUCK

The mathematical methods of calculation and analysis of patent fund enable estimation of progress of technical object trends. Using these methods, certain directions of development of biaxial bogie of freight carriage, in particular promising ones and directions, which exhausted the potential, are determined

МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ КОЛИВАНЬ КОЛІСНОЇ ПАРИ З НЕЗАЛЕЖНИМ ОБЕРТАННЯМ КОЛІС В ГОРИЗОНТАЛЬНІЙ ПЛОЩИНІ

Purpose. The work is devoted to the study of horizontal oscillation and the assessment of the motion stability of a single wheelset with independent wheel rotation, and to the comparison of stability indicators of the typical wheelset and the wheelset with independent wheel rotation. This is connected with the necessity to increase traffic speed of rolling stock, improve road safety and comfort of passengers. Methodology. To achieve this purpose we used the methods of mathematical simulation of railway rolling stock dynamics, as well as the linear algebra methods to assess the stability of solutions of the linear homogeneous differential equations. Findings. To solve the set task the design model of a single wheelset with independent wheel rotation was created. The wheelset is not a single solid body; each of the wheelset axles has a surplus degree of freedom. Thus, we obtained the system with 4 degrees of freedom. The design model allowed  to obtain the system of linear homogeneous differential equations describing the oscillations of the represented wheelset in a horizontal plane on a straight track section. On the basis of the computer modeling were calculated the eigenvalues of the differential equation system coefficients and the asymptotic stability analysis of the wheelset motion with independent wheel rotation. The increment and the frequency of fluctuations were compared with similar indicators for the standard wheelset. The authors also discussed non-oscillatory forms of the wheelset motion and the issues of wheelset self-centering on the track. Originality. The result of the work is the mathematical model of the sinuous movement of a single wheelset, in two-dimensional formulation, with independent wheel rotation and the estimate of the dynamic indices during its motion on a straight track section without any irregularities. There were also proposed the ways to ensure the self-centering on the track of the wheelset with independent wheel rotation. Practical value. The developed mathematical model of the single wheelset motion with independent wheel rotation can be used to create the advanced designs of railway running gear of cars.Цель. Работа посвящена исследованию горизонтальных колебаний и оценке устойчивости движения одиночной колесной пары с независимым вращением колес, а также сравнению показателей устойчивости типовой колесной пары и колесной пары с независимым вращением колес. Это связано с необходимостью повышения скоростей движения подвижного состава, увеличением показателей безопасности движения, а также улучшением комфорта перевозки пассажиров. Методика. Для достижения поставленной цели использованы методы математического моделирования динамики железнодорожного подвижного состава, а также методы линейной алгебры – для оценки устойчивости решения системы линейных однородных дифференциальных уравнений. Результаты. Для решения поставленной задачи была построена расчетная схема одиночной колёсной пары с независимым вращением колес. Колесная пара представлена единым твердым телом, каждая из полуосей колесной пары имеет дополнительные степени свободы. Таким образом, получили систему с 4 степенями свободы. На основе расчетной схемы была получена система линейных однородных дифференциальных уравнений, описывающая колебания представленной колесной пары в горизонтальной плоскости на прямом участке пути. С использованием ЭВМ вычислены собственные числа матрицы коэффициентов системы дифференциальных уравнений и выполнен анализ асимптотической устойчивости движения колесной пары с независимым вращением колес. Инкремент и частоту колебаний сравнивали с аналогичными показателями для типовой колесной пары. Также рассмотрены неколебательные формы движения колесной пары и вопросы самостоятельного центрирования колесной пары в колее. Научная новизна. По результатам работы разработана математическая модель извилистого движения одиночной колесной пары в плоской постановке задачи с независимым вращением колес и выполнена оценка динамических показателей при ее движении по прямому участку пути без неровностей. Также рассмотрены способы обеспечения самостоятельного центрирования в колее колесной пары с независимым вращением колес. Практическая значимость. Разработанная авторами математическая модель движения одиночной колесной пары с независимым вращением колес может быть использована при создании перспективных конструкций ходовых частей вагонов.Мета. Робота присвячена дослідженню горизонтальних коливань і оцінці стійкості руху одиночної колісної пари з незалежним обертанням коліс, а також порівнянню показників стійкості типової колісної пари і колісної пари з незалежним обертанням коліс. Це пов’язано з необхідністю підвищення швидкостей руху рухомого складу, підвищенням показників безпеки руху, а також покращенням комфорту перевезення пасажирів. Методика. Для досягнення поставленої мети використані методи математичного моделювання динаміки залізничного рухомого складу, а також методи лінійної алгебри – для оцінки стійкості розв’язку системи лінійних однорідних диференціальних рівнянь. Результати. Для вирішення поставленої задачі була побудована розрахункова схема одиночної колісної пари з незалежним обертанням коліс. Колісна пара представлена єдиним твердим тілом, проте кожна з півосей колісної пари має додаткові ступені свободи. Таким чином, отримали систему з 4 ступенями свободи. На основі розрахункової схеми була отримана система лінійних однорідних диференціальних рівнянь, що описує коливання представленої колісної пари в горизонтальній площині на прямій ділянці шляху. З використання ЕОМ були обчислені власні числа матриці коефіцієнтів системи диференційних рівнянь і виконаний аналіз асимптотичної стійкості руху колісної пари з незалежним обертанням коліс. Інкремент і частоту коливань порівнювали з аналогічними показниками для типової колісної пари. Також розглянуті неколивальні форми руху колісної пари і питання самостійного центрування колісної пари в колії. Наукова новизна. За результатами роботи розроблена математична модель звивистого руху одиночної колісної пари в плоскій постановці задачі з незалежним обертанням коліс і виконана оцінка динамічних характеристик при її русі по прямій ділянці шляху без нерівностей. Також розглянуті способи забезпечення самостійного центрування в колії колісної пари з незалежним обертанням коліс. Практична значимість. Розроблена авторами математична модель руху одиночної колісної пари з незалежним обертанням коліс може бути використана при створенні перспективних конструкцій ходових частин вагонів

MATHEMATICAL MODEL OF WHEELSET OSCILLATIONS WITH INDEPENDENT WHEEL ROTATION IN THE HORIZONTAL PLANE

Purpose. The work is devoted to the study of horizontal oscillation and the assessment of the motion stability of a single wheelset with independent wheel rotation, and to the comparison of stability indicators of the typical wheelset and the wheelset with independent wheel rotation. This is connected with the necessity to increase traffic speed of rolling stock, improve road safety and comfort of passengers. Methodology. To achieve this purpose we used the methods of mathematical simulation of railway rolling stock dynamics, as well as the linear algebra methods to assess the stability of solutions of the linear homogeneous differential equations. Findings. To solve the set task the design model of a single wheelset with independent wheel rotation was created. The wheelset is not a single solid body; each of the wheelset axles has a surplus degree of freedom. Thus, we obtained the system with 4 degrees of freedom. The design model allowed to obtain the system of linear homogeneous differential equations describing the oscillations of the represented wheelset in a horizontal plane on a straight track section. On the basis of the computer modeling were calculated the eigenvalues of the differential equation system coefficients and the asymptotic stability analysis of the wheelset motion with independent wheel rotation. The increment and the frequency of fluctuations were compared with similar indicators for the standard wheelset. The authors also discussed non-oscillatory forms of the wheelset motion and the issues of wheelset self-centering on the track. Originality. The result of the work is the mathematical model of the sinuous movement of a single wheelset, in two-dimensional formulation, with independent wheel rotation and the estimate of the dynamic indices during its motion on a straight track section without any irregularities. There were also proposed the ways to ensure the self-centering on the track of the wheelset with independent wheel rotation. Practical value. The developed mathematical model of the single wheelset motion with independent wheel rotation can be used to create the advanced designs of railway running gear of cars