Требования к прочности и ходовым качествам вагонов

Характер процесса перевозки грузов и пассажиров на желез­ных дорогах обусловливает возрастающие требования к надеж­ности вагонов, их узлов и деталей. Проблема достижения высокой надежности вагонов связана с обеспечением прочности и устой­чивости конструкции, ее коррозионной стойкости, стабильных ходовых динамических качеств вагона, гарантирующих работоспо­собность конструкции и безопасность эксплуатации в заданных условиях.

Первым руководящим документом для оценки прочности при проектировании вагонов в СССР явились Основные данные для расчетов вагонов нормальной колеи, разработанные в 1934 г. ЦВПБ. По этим нормативам были спроектированы и рассчитаны четырехосные вагоны всех основных типов, выпускавшиеся в СССР с 1934 по 1952 г.

На основе опыта применения нормативов ЦВПБ с учетом из"¹ менившихся условий эксплуатации и производства вагонов в 1948— 1953 гг. ЦНИИ МПС и НИБ совместно разработали Нормы рас-

четов на прочность вагонов железных дорог колеи 1524 мм (неса­моходных). Установленные этими Нормами указания по расчету вагонов существенно повысили технический уровень проектиро­вания вагонов. Однако продолжающийся прогресс железнодорож­ного транспорта СССР, дальнейшая реконструкция локомотивного и путевого хозяйства железных дорог, увеличение грузооборота, веса поездов, скоростей движения и т. п. привели к тому, что уже в 1960—1961 гг. многие рекомендации действовавших Норм ока­зались устаревшими или недостаточными.

С учетом изменившихся условий работы вагонов в 1961 г. были созданы откорректированные Нормы для расчетов на проч­ность новых и модернизированных вагонов железных дорог колеи 1524 мм (несамоходных). В этих Нормах особое внимание было уделено обоснованию величин расчетных продольных усилий, а также сил распора груза. Были уточнены нормативы динами­ческих нагрузок и допускаемых напряжений, отдельные пара­метры вагонов, а также рекомендованы материалы для изготовле­ния. В этих нормативах впервые в СССР введены специальные расчеты на продольные силы, характерные для условий трогания и торможения тяжеловесных поездов и соударения вагонов на сортировочных горках.

В 1967—1971 гг. ЦНИИ МПС и ВНИИВ пересмотрели нормы расчета вагонов, а два министерства (МПС и Минтяжмаш) утвер­дили новую редакцию норм расчета на прочность несамоходных вагонов магистрального транспорта. В 1969—1976 гг. были также разработаны новые Нормативные требования к прочности вагонов-самосвалов (думпкаров), вагонов пригородных электропоездов и метрополитена, где нашли отражение специфические особенности назначения и эксплуатации этих видов подвижного состава. Действующие нормы расчета и проектирования вагонов являются важнейшим руководством по обеспечению надежности подвижного состава и обязательны при создании новых конструкций вагонов для всех вагоностроительных заводов и других организаций.

Совершенствовать Нормативные требования к прочности ваго­нов следует с учетом изменения условий и интенсивности эксплуа­тации вагонов. Некоторые данные об изменениях отдельных пока­зателей работы магистрального железнодорожного транспорта СССР приведены в табл. 2. Как видим, средние показатели условий работы вагонов на железнодорожном транспорте за последние 30 лет изменились весьма значительно: вес грузового поезда возрос более чем на 1250 тс (95%), среднесуточный пробег вагона на 116 км (80%) и т. д. Указанные и другие обстоятельства (измене­ние правил организации движения, широкое внедрение средств механизации погрузки и выгрузки, несоблюдение правил экс­плуатации на промышленных предприятиях, облегчение конструк­ции вагонов и др.) обусловливают увеличение интенсивности эксплуатации, нагруженности элементов конструкции вагонов, их повреждаемости и расходов на ремонт.

Таблица 2

Ориентировочный прогноз показателей эксплуатации свиде­тельствует, что тенденция повышения интенсивности работы ваго­нов (особенно грузовых) сохранится и в будущем, при этом интен­сивность эксплуатации вагонов в СССР по-прежнему будет значи­тельно выше, чем в зарубежных странах. Например, в США сред­несуточный пробег грузового вагона составлял в 1972 г. около 90 км, а в СССР 260 км, т. е. в 2,8 раза больше. Средняя длитель­ность оборота грузового вагона в СССР в 1972 г. составила 5,5 су­ток, в США — 19,5 суток, т. е. в 3,5 раза больше.

Действующие требования по обеспечению прочности и ходовых качеств вагонов базируются на комплексе основных положений, выработанном на основании опыта отечественного и зарубежного вагоностроения, теоретических исследований, практики примене­ния специальных рекомендаций и расчетных схем и учитывающем данные эксплуатации вагонов магистрального, городского и про­мышленного транспорта.

При расчете вагонов на прочность и оценке прочности по дан­ным испытаний опытных образцов необходимо в общем случае учитывать следующие нагрузки и силовые воздействия:

полезную нагрузку (расчетный вес перевозимого груза или пассажиров);

собственный вес конструкции;

силы взаимодействия вагонов при движении поезда или при маневровой работе;

силы, возникающие при колебаниях вагонов в движении, а также при торможении или трогании поезда;

силы, возникающие при вписывании вагона в кривые участки пути;

аэродинамические нагрузки (сила давления ветра и др.);

усилия распора груза и внутреннее давление;

силы тяги и торможения; 38

усилия, возникающие при механизированной погрузке и вы­грузке вагонов;

усилия, вызванные работой механизмов и оборудования, уста­новленных на вагоне;

силы, прикладываемые к вагону при ремонтных операциях;

усилия, вызванные технологическими факторами при изго­товлении вагона;

условные аварийные нагрузки.

Детали и узлы вагонов рассчитывают на возможное в экс­плуатации наиболее невыгодное сочетание одновременно действую­щих сил и нагрузок в соответствии с установленными расчетными режимами.

Полезную нагрузку и характер ее приложения определяют согласно требованиям, предусмотренным техническим заданием на проектирование вагона. Для грузовых вагонов она равна рас­четной грузоподъемности (а иногда несколько превышает ее для учета возможной перегрузки в эксплуатации). Нагрузка пасса­жирских вагонов состоит из веса пассажиров с багажом. Расчетная населенность пассажирских вагонов дальнего следования опреде­ляется числом мест. Расчетную (максимальную) населенность ва­гонов пригородного сообщения определяют по числу мест для сидения и заполнению вагона стоящими пассажирами из расчета семь человек на 1 м² свободной площади пола. Для вагонов метро­политена и трамвая принимают десять человек на 1 м² свободной площади (за исключением служебных помещений). Средний вес пассажира с багажом для вагонов дальнего следования прини­мают равным 100 кгс, для вагонов пригородного сообщения, метрополитена и трамвая — равным 70 кгс.

В собственный вес конструкции входит вес всех частей вагона, при этом для каждого элемента конструкции учитывают суммар­ный вес всех частей, нагружающих данный элемент, и вес самого рассчитываемого элемента.

Продольные нагрузки для вагонов локомотивной тяги маги­стральных железных дорог принимают исходя из следующих трех режимов работы вагонов:

I — трогание с места, осаживание или торможение тяжело­
весного поезда при малых скоростях движения, соударение ваго­
нов при маневровой работе на станциях и сортировочных
горках;

II — движение поезда на затяжном расчетном подъеме со ско­
ростью до 50 км/ч;

III —движение поезда с наибольшей допускаемой скоростью.

Продольные усилия, приложенные к автосцепке и ориентиро­вочное количество циклов действия этих усилий в течение срока службы вагона даны в табл. 3. Приведенные повторяемости дей­ствия продольных усилий характерны для современных условий эксплуатации вагонов. В перспективе оценка повторяемости ре-Жимов и расчетные усилия могут существенно измениться.

Таблица 3

Расчетные продольные силы для вагонов пригородных электро­поездов в сочетании с другими нагрузками принимают на основа­нии следующих нормативных режимов эксплуатации: I — услов­ный режим безопасности, расчеты по которому должны обеспечить безопасность движения в возможных аварийных условиях; II — основной режим движения электропоезда в условиях эксплуата­ции с максимальной скоростью.

Кроме этого, применительно к расчету ходовых частей электро­поездов учитывают еще два расчетных режима: III — трогание с места поезда с максимальной нагрузкой; IV — торможение с максимальной скорости при движении по кривой.

Продольные силы в сочетании с другими нагрузками и ориен­тировочные повторяемости этих сочетаний, характерные для ваго­нов пригородных электропоездов, приведены в табл. 4.

При проектировании вагонов метрополитена расчетные про­дольные силы в совокупности с другими нагрузками принимают на основании следующих нормативных режимов эксплуатации: I — условный режим безопасности; II—движение вагона в поезде при разгоне до конструкционной скорости или при торможении на расчетной кривой; III — трогание с места поезда с максималь­ной нагрузкой. Характеристика указанных расчетных режимов и их ориентировочная повторяемость приведены в табл. 5.

Для вагонов-самосвалов (думпкаров), эксплуатирующихся на промышленном транспорте и выходящих на пути МПС только в порожнем состоянии, расчетные режимы нагружения с учетом особенностей эксплуатации, принимают согласно данным табл. 6 и 7. В табл. 6 приведены расчетные режимы нагружения думпка-

41

ров для условий их транспортирования в порожнем состоянии по железнодорожной сети МПС.

Применительно к условиям эксплуатационной работы думпка­ров на путях промышленного транспорта расчетные режимы на-гружения принимают согласно табл. 7.

Режимы IA (I) и 111A (III) по смыслу и характеру (см. табл. 6 и 7) соответствуют аналогичным режимам грузовых ваго­нов магистрального транспорта. Режимы IV и V (см. табл. 7) характеризуют условия соответственно загрузки думпкара экска­ватором с учетом ударного действия падающих глыб груза и ра­боты конструкции при разгрузке (опрокидывании кузова) думп-

кара. В последнем случае особое значение имеет задача оценки устойчивости думпкара в процессе его разгрузки.

Инерционные динамические силы, связанные с колебаниями вагонов при движении, а также возникающие при торможении и трогании поездов, учитывают в расчетах при помощи коэффи­циента вертикальной динамичности и нормативных величин уско­рений, определяющих расчетные силы инерции масс элементов конструкции. Расчетный коэффициент вертикальной динамичности вагона под нагрузкой брутто определяют в зависимости от ско­рости движения и (км/ч) и статического прогиба рессорного под­вешивания f (см) по следующим формулам.

Для вагонов магистральных железных дорог при скоростях

движения до 160 км/ч

(11)

где а — коэффициент, для элементов кузова а = 0,05; для под­рессоренных частей тележек а =0,10; для неподрессоренных частей тележек а =0,15; b — коэффициент, учитывающий сгла­живающее влияние числа осей в тележке (я) или в группе сбалан­сированных тележек одного конца экипажа; b = (п + 2)/2 n.

Для вагонов метрополитена и магистральных железных дорог при скоростях движения до 100 км/ч

(12)

где а и b — коэффициенты, имеющие указанные значения.

Для вагонов промышленного транспорта (думпкаров) при дви­жении по путям предприятий со скоростями до 60 км/ч

(13)

где а — коэффициент, для элементов кузова а =0,1; для под­рессоренных частей тележки а =0,15; для неподрессоренных частей а = 0,20; Ь — коэффициент, определяемый так же, как для вагонов магистральных железных дорог.

Силы инерции при торможении в случае отсутствия соударе­ний вагонов в поезде определяют исходя из замедления 0,2g, а при ударах вагонов — до 3g (где g — ускорение свободного падения). При этом замедление 0,2g соответствует условиям тор­можения при высоких скоростях движения (близких к конструк­ционной скорости) — III режим расчета, ускорение 3g — усло­виям торможения до остановки при малых скоростях, а также ма­невровому соударению вагонов — I режим расчета. Такие же примерно продольные ускорения принимают при расчетах ваго­нов промышленного транспорта и электропоездов. При расчете вагонов метро продольные силы инерции определяют исходя из ускорения

0,1g, 0,2g и g соответственно при II, III и I режимах расчета.

Инерционные силы при расчете элементов, закрепленных на раме тележки пассажирского вагона, определяют исходя из вер­тикального ускорения 3g в зоне базы тележки и 4g на концах продольных балок рамы; в горизонтальном направлении вдоль оси пути принимают 3g, а поперек оси пути l,5g. Для элементов, не воспринимающих вес вагона и закрепленных на неподрессо-ренных частях тележек, вертикальные силы инерции определяют исходя из расчетного значения ускорения:

(14)

где v — скорость движения, км/ч; g — ускорение свободного падения.

Крепление элементов, установленных на неподрессоренных узлах тележек вагонов метрополитена, рассчитывают на действие инерционных сил, соответствующих максимальному ускорению массы этого элемента в вертикальной плоскости, равному \8g для цельнометаллических стальных колес и 12g для колес с упру­гим (подрезиненным) центром.

Боковые нагрузки, действующие на вагон, определяются рас­четной центробежной силой, действующей при движении по кри­вым участкам пути, ветровым (аэродинамическим) давлением и динамическим взаимодействием вагона и пути. Центробежную силу, уменьшенную на величину горизонтальной составляющей веса вагона, которая обусловлена возвышением наружного рельса, принимают при расчетах вагонов магистральных железных дорог равной: 10% вертикальной нагрузки брутто для пассажирских, изотермических вагонов и вагонов электропоездов пригородного сообщения; 7,5% — для грузовых магистральных вагонов; 6% — для вагонов промышленного транспорта, эксплуатирующихся на путях предприятий с пониженными скоростями (до 60— 70 км/ч). Для вагонов метрополитена расчетная центробежная сила составляет 9—11 % веса вагона в зависимости от принятых условий движения.

Расчетную боковую аэродинамическую нагрузку (давление ветра, встреча поездов, проход мимо одностороннего экрана и т. п.) в СССР при проектировании всех вагонов принимают традиционно в виде удельного давления на боковую проекцию кузова, равного 50 кгс/м^а. Только при расчете вагонов метро эту величину прини­мают равной 30 кгс/м² в связи с особенностями условий их экс­плуатации.

Нагрузки, действующие на элементы ходовых частей при впи­сывании вагона в кривые участки пути, определяют из условий равновесия вагона (тележки) при движении по расчетной кривой с учетом действия центробежной силы и давления ветра. Коэффи­циент трения между поверхностями катания колес и рельсами реко­мендовано принимать равным 0,25.

При проектировании для грузовых вагонов необходимо учи­тывать нагрузки распора насыпных и скатывающихся грузов,

а для котлов цистерн также внутреннее давление жидкостей и паров. Нагрузку распора определяют по формулам статики сыпу­чих тел. В частном случае активное давление на единицу площади вертикальной стены вагона при горизонтальной поверхности на­сыпного груза

p = γytg² (45°-φ/2), (15)

где γ — объемный (насыпной) вес груза, тс/м³; у — расстояние по вертикали от поверхности груза до рассматриваемой точки стены кузова, м; φ — угол естественного откоса груза.

Осредненные параметры некоторых насыпных грузов следую­щие:

γ, тс/м⁸ φ, °

2,5	35—40
0,9	30—35
0,5	35—40
1,8	35—40
0,5	50—55
0,8	25—30
0,6	55—60
0,8	45—50
0,8	50—55
0,6	50—55
1,1	45—50
1,7	45—50
0,9	45—50
1,3	45—50
0,6	50—55
1,5	40—45
0,5	25—30

Железная руда..............................................

Каменный уголь...........................................

Кокс.........................................................

Песок, супесь................................................

Торф.........................................................

Зерно.........................................................

Мука.........................................................

Аммиачная селитра......................................

Сульфат аммония.....................................

Хлористый аммоний...................................

Суперфосфат................................................

Фосфоритная мука......................................

Хлористый калий...................................

Сульфат калия...........................................

Глинозем мелкий.........................................

Цемент.....................................................

Полиэтилен гранулированный....................

При движении вагона силы сцепления частиц сыпучего груза под действием вибраций снижаются, что обусловливает фактиче­ское уменьшение угла естественного откоса, т. е. увеличение «текучести» груза. Поэтому при расчетах грузовых вагонов маги­стрального транспорта для увеличения надежности полагают, что при III режиме расчета угол естественного откоса сыпучего груза равен нулю (условный предельный случай).

В расчетах на прочность котлов цистерн внутреннее давление определяют как сумму давления паров жидкости и давления, созда­ваемого гидравлическим ударом вследствие колебаний массы груза от продольных сил, действующих на вагон. Давление паров принимают в соответствии с параметрами предохранительных клапанов. Максимальное давление от гидравлического удара опре­деляют как отношение силы продольной инерции жидкости в котле к площади поперечного сечения котла. При проектировании и расчете котлов цистерн необходимо учитывать специфику опира-ния котла на раму и влияние опорного давления на деформацию и прочность оболочки. Для обеспечения необходимой жесткости и устойчивости котла цистерны как оболочки при проектировании

следует учитывать возможность образования пониженного давле­ния (вакуума) в котле при определенных режимах эксплуатации. Расчетный вакуум обычно принимают равным 0,5 кгс/см².

В расчетах самоходного подвижного состава прочность ходовых частей и элементов привода оценивают с учетом действия сил тяги. В общем случае при расчетах этих элементов учитывают макси­мально возможные силы тяги, которые определяют по условию полной реализации сцепления колес с рельсами или условию пре­дельно допустимого тока в двигателе (по ограничению системы защиты). Максимальный коэффициент сцепления колес с рель­сами применительно к условиям трогания с места для электро­поездов равен 0,3, а для вагонов метрополитена 0,25. При других скоростях коэффициент сцепления

(16)

где А = 0,25 ÷ 0,30 — соответствует значению коэффициента сцеп­ления при v = 0; v — скорость движения, км/ч.

Для конкретных режимов расчета рам тележек, колесных пар и элементов привода действующими нормами установлены определенные правила учета сил тяги в совокупности с другими нагрузками. Например, при расчетах рам тележек вагонов метро по II режиму и расчетах колесных пар силу тяги принимают ис­ходя из часового режима работы двигателей, а при расчете по III режиму определяют по максимальному расчетному току дви­гателей при полном поле возбуждения.

Усилия, действующие на вагоны при механизированной по­грузке или выгрузке, учитывают в процессе проектирования в соот­ветствии с назначением и типом вагона, особенностями груза и применяемых механизмов. Например, верхние пояса боковых стенок полувагонов исходя из условий разгрузки на вагоноопро-кидывателе необходимо проверять на действие вертикальной силы, распределенной на участке длиной 80 см и приложенной в любом месте верхнего пояса боковой стены. Эта сила установлена для четырехосных вагонов 10 тс, а для восьмиосных вагонов 20 тс.

В вагонах, для загрузки которых используют автопогрузчики, конструкцию пола рассчитывают на нагрузку от колеса, равную 2,2 тс и принимаемую сосредоточенной на площади 100 см² в любом месте пола вагона. Для изотермических вагонов эту нагрузку принимают равной 1,8 тс. В расчетах прочности элементов ваго­нов необходимо также учитывать нагрузки, возникающие при работе установленных на вагоне механизмов и оборудования, а также некоторые усилия, прикладываемые при их изготовлении и ремонтных операциях.

Несущую способность конструкций вагонов применительно к рекомендуемым величинам эксплуатационных нагрузок опре­деляют по следующим критериям: допускаемым напряжениям; допускаемым запасам статической и усталостной прочности; до-

пускаемым запасам устойчивости; допускаемой деформации (про­гибу); требуемой долговечности (техническому ресурсу).

В практике современного вагоностроения элементы кузовов вагонов рассчитывают в первую очередь по допускаемым напря­жениям и запасам устойчивости. Элементы ходовых частей ваго­нов (рам тележек, надрессорных и соединительных балок, осей колесных пар, рессор и т. д.) рассчитывают по допускаемым на­пряжениям и запасам усталостной прочности.

Расчет по допускаемым деформациям обязателен при проекти­ровании элементов, чрезмерные деформации (прогибы) которых могут явиться причиной нарушения работоспособности вагона, а также при проектировании рессор, пружин, амортизаторов и т. д. Расчет элементов вагонов на долговечность, как правило, носит вспомогательный характер из-за недостаточной пока точ­ности соответствующих способов расчета. Однако это направление оценки работоспособности конструктивных элементов вагона является перспективным.

Величины допускаемых напряжений в элементах конструкций вагонов, запасов прочности и устойчивости устанавливают в за­висимости от ответственности и условий работы элемента, свойств используемого материала, режима и метода расчета на основании опыта эксплуатации, теоретического анализа и данных экспери­ментальных исследований. В общем случае прочность и устойчи­вость (несущая способность) конструкции обеспечиваются, если обобщенная характеристика нагруженности Р_расч меньше (с не­обходимым, обоснованным для данного случая запасом) обоб­щенного критерия предельной несущей способности Р_пр, т. е.

P _расч.< Р _пр.

Например, допускаемые напряжения [σ] для элементов кон­струкции вагонов при расчетах современными методами по ре­жиму «большой продольной силы» (режимы I и IA, см. табл. 3, 4, 5, 6 и 7) традиционно принимают [σ], = k_{σ_s, где σ_s — предел текучести материала. При этом коэффициент k_] обычно прини­мают следующим: для элементов кузова грузовых вагонов k_x = 0,85÷0,90; для элементов кузова пассажирских вагонов k_x = 0,9÷1; для рам тележек _k1, = 0,75÷0,85 и т. д. В то же время при расчетах по режимам «нормальной эксплуатации» (режим III, см. табл. 3 и 7; режимы II и III, см. табл. 4 и 5) соответствующий коэффициент k_iU принимают существенно ниже (k_ul = 0,55÷0,70). В этом случае более низкие значения допускаемых напря­жений устанавливают для деталей тележек (особенно моторных), силового привода и тормозной передачи, т. е. для элементов, ра­ботающих в условиях интенсивного динамического нагружения и непосредственно связанных с обеспечением безопасности движе­ния на транспорте.

Аналогично, коэффициенты запаса усталостной прочности и устойчивости для элементов вагонов устанавливают в зависимости от тех же факторов. В частности, коэффициент \п\ запаса уста-

лостнои прочности для корпусных конструкций из углеродистой и низколегированной стали назначают равным 1,20—1,40 при ис­пользовании в расчетах (согласно рекомендациям действующих норм) статистически достоверных данных по спектрам эксплуата­ционной нагруженности детали и характеристикам ее выносли­вости при переменных нагрузках. Если же данные об эксплуата­ционной нагруженности или о выносливости детали приближенные, то коэффициент запаса увеличивают до 1,5—1,8. В случае исполь­зования в расчетах усталостной прочности приближенных данных об эксплуатационных нагрузках и выносливости детали (ориенти­ровочный расчет) коэффициент запаса принимают еще большим — до 1,8—2,2. Во всех случаях для более ответственных элементов конструкции (оси колесных пар, рамы тележек, подвески люльки и т. д.) следует принимать относительно более высокие значения In]. Коэффициенты запаса устойчивости элементов, работающих на сжатие, принимают в пределах 1,0—1,5 и более с учетом по­добных соображений.

Обоснование и нормирование критериев прочности конструк­ций вагонов — исключительно ответственное дело. Особенно сложна эта задача в случаях применения новых видов конструк­ционных материалов, внедрения новых технологических приемов и оригинальных конструктивных решений, а также при измене­ниях условий эксплуатации подвижного состава. В этих случаях необходимо соблюдать разумную осторожность и обязательно пре­дусматривать достаточно продолжительную опытную эксплуатацию образцов для накопления необходимого опыта до начала серийного производства. Как правило, возникает необходимость переосмыс­ления критериев и нормативов прочности при переходе на новый метод расчета. В табл. 8 приведены рекомендуемые допускаемые напряжения в основных элементах конструкции вагонов.

В отличие от традиционных расчетов конструкций вагонов по допускаемым напряжениям с использованием статических расчетных схем методы расчета вагонов на усталостную прочность и долговечность еще недостаточно отработаны. Исследования по их уточнению и проверке проводят во ВНИИВ, ЦНИИ МПС и других организациях.

При этом основные трудности связаны с необходимостью учета случайного характера нагруженности вагона в эксплуата­ции, статистического рассеяния прочности конструкций, кинетики накопления повреждаемости и других факторов, которые сложны сами по себе и не в полной мере изучены.

В общем случае динамическая нагруженность элементов вагона в эксплуатации имеет характер случайного широкополосного не­стационарного процесса, параметры которого различны для раз­ных деталей и узлов. Для упрощения расчетов при соответствую­щих обоснованиях можно рассматривать допущение о нормаль­ности и узкополосности процесса нагруженности в данном диапа­зоне скорости движения вагона v_t,

Таблица 8

	Расчетный режим	Допускаемые напряжения, кгс/см^г
Наименование	Сталь В СтЗ (ГОСТ 380—71)	Сталь 09Г2Д (ГОСТ 19282—73)	Длюминиевый сплав 1915 (ГОСТ 8617—7 И 12 592—67)
Неса моходные вагоны Хребтовая и шкворневая балки рамы кузова	I II III	2160 1920 1550	2320 1900	1400 1100
Остальные элементы кузова *	I II III	2160/2400 1920 1650	2640/3100 2480 2000	1600/1800 1450 1200
Рама тележки, надрессорные балки	I II III	2160 2160 1550	2640 2640 1800	—
Вагоны электропоездов Шкворневые и продольные балки рамы кузова	I II	2400 1550	3100 2000	2000 1100
Остальные элементы кузова	I II	2400 1650	3100 2100	2000 1200
Рама тележки, надрессорные балки	III, IV			—
Детали подвески привода	III, IV			—
Вагоны метрополитена Хребтовая и шкворневая балки рамы кузова	I II, III	2160 1600	2640 2000	1700 1100
Остальные элементы кузова	I II, III	2400 1650	3100 2100	2000 1200
Рама тележки, надрессорная балка	I II, III	2040 1400	2480 1650	—

* В случае режима I данные в числителе — для грузовых вагонов, а в знамена­теле — для пассажирских.

При этом допущении и ряде других для оценки усталостной прочности конструкции величина эквивалентной приведенной амплитуды динамических напряжений

(17)

где m — показатель степени в уравнении кривой усталостной прочности; Т_э — заданный срок службы конструкции (ресурс) при непрерывной работе; Г [ (т + 2)/2] — гамма-функция; N ₀ — базовое число циклов эквивалентного режима; S_avi — сред­нее квадратическое значение динамических напряжений при ско­рости v_i;_fэvi — эффективная (средняя) частота процесса при ско­рости v_i,

P_vi — вероятность движения вагона в эксплуатации со скоростью v_t.

Здесь показатель т необходимо принимать на основании на­дежных экспериментальных данных, а при их отсутствии прибли­женно оценивать по выражению т — 16/(k_δ)_K, где (k_δ)_K — общий (эффективный) коэффициент снижения усталостной прочности для натурной детали. Заданный срок службы Т₃ связан с норма­тивным календарным сроком службы вагона Т соотношением T₃ = Тξ, где

ξ — коэффициент, определяющий долю времени нахождения вагона в активной эксплуатации. Для грузовых ваго­нов в современных условиях ξ = 0,3; для пассажирских ξ =0,4; для вагонов пригородных электропоездов, метрополитена и трам­вая

ξ = 0,5.

При тех же допущениях расчетная долговечность конструкции

(18)

где σ_-1 — предел выносливости гладкого образца материала кон­струкции при N₀ циклах; п — коэффициент запаса усталостной прочности.

Для перевода расчетной долговечности Т_р. (выраженной в се­кундах) в календарную эксплуатационную долговечность (в го­дах) служит соотношение

При использовании более точных представлений о характере эксплуатационной нагруженности и кинетике усталостного раз­рушения соответствующие выражения для σ_аэ и T_р имеют более сложную структуру, что затрудняет их практическое использова­ние и делает актуальной задачу дальнейшего усовершенствования методов расчета. В случае отсутствия экспериментальных данных

об эксплуатационной нагруженности детали расчетная амплитуда динамических напряжений для расчетов на усталость

(19)

Где σ_i— расчетные напряжения от отдельных динамических нагрузок, предусмотренных соответствующими рекомендациями норм расчета.

Более подробные указания о методах расчетов и оценке проч­ности вагонов приведены в действующих нормах и специальной литературе.

Главными требованиями, предъявляемыми к методам расчета вагонов, являются:

обоснованность выбора расчетных нагрузок и их соответствие фактическим условиям эксплуатации вагонов с учетом перспек­тивных изменений;

достаточная точность и минимальная трудоемкость методов определения показателей несущей способности;

обоснованность принимаемых критериев несущей способности и соответствие их эксплуатационному опыту.

Эти соображения необходимо принимать во внимание при со­вершенствовании норм и методов расчета прочности и надежности вагонов.

Важнейшее значение с точки зрения пригодности вагона для эксплуатации имеют его ходовые качества. Допускаемая скорость и безопасность движения поездов, общая эффективность работы транспорта существенно зависят от конструкции, надежности и текущего состояния подвижного состава. Вместе с тем ходовые качества вагона зависят не только от конструкции вагона, но и от параметров рельсового пути. Поэтому улучшения ходовых ка­честв подвижного состава, т. е. снижения сил динамического вза­имодействия, повышения устойчивости движения и снижения ин­тенсивности колебаний, достигают совершенствованием не только подвижного состава, но и качества пути. В эксплуатации каждый вагон общесетевого назначения может взаимодействовать с любым отрезком пути, поэтому проектировать вагоны, и в первую оче­редь их ходовые части, необходимо с учетом статистических пара­метров пути.

С позиций механики рельсовый экипаж состоит из совокуп­ности физических тел и предусмотренных конструкцией упругих или неупругих связей между ними. Эти связи направляют или ограничивают перемещения данных тел. Обеспечение хороших Ходовых качеств вагона при его проектировании заключается в обосновании правильного взаимного расположения частей системы и в выборе оптимальных характеристик связей между ними. В частности, при проектировании рессорного подвешивания вагонов следует обеспечить необходимую гибкость рессор, силы Демпфирования колебаний, конструктивные запасы перемещений

Рекомендовано принимать η ≤ 0,7 — для пассажирских ваго­нов и вагонов пригородных электропоездов; η≤ 0,6 — для почто­вых, багажных, изотермических вагонов и вагонов метрополитена;

η≤ 0,5 — для грузовых вагонов типовой конструкции. Для уменьшения валкости и обеспечения достаточной остойчивости кузова на рессорах необходимо выполнять дополнительные усло­вия (см. гл. III).

Для улучшения горизонтальной динамичности экипажа реко­мендуется обеспечивать упругую связь (без зазоров) колесных пар с рамой тележки. Жесткость этих связей необходимо обосно­вать теоретическими расчетами и уточнить по результатам экс­периментальных исследований динамики опытных вагонов. Возможным вариантом связи колесных пар с рамой тележки явля­ется такое исполнение, при котором жесткость связи в продольном направлении значительно (в 5—10 раз) выше, чем в поперечном, а жесткость в поперечном направлении (на одну буксу) составляет около 3000—5000 кгс/см. Целесообразно предусматривать демп­фирование извилистого движения тележек реализацией момента сил трения в опорах кузова на тележки. Для пассажирских ваго­нов обычно принимают момент трения

где P_q — давление от оси на рельс; 2l_т — база тележки.

В качестве основных критериев оценки ходовых качеств эки­пажей в практике вагоностроения приняты следующие параметры.

1. Коэффициенты вертикальной и горизонтальной динамич­
ности соответственно

где Р_дв — динамическая вертикальная сила, действующая на данный элемент ходовых частей в движении; Р_ст — статическая вертикальная нагрузка на данный элемент вагона в рассма­триваемом режиме загрузки; Q_дг — горизонтальная боковая динамическая сила, передающаяся от колесной пары на раму тележки.

2. Максимальные ускорения кузова вагона в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно j_в.mах и j_г.mах. В пер­вую очередь рассматривают ускорения кузова в зоне пятни­ков.

3. Показатель плавности хода, зависящий от интенсивности и спектрального состава колебаний вагона. Этот показатель полу­чают в соответствии с Методикой определения плавности хода вагонов в условных единицах показателя плавности хода W_t или в часах утомления τ_i- раздельно для вертикальных и горизон­тальных (поперечных) колебаний. При определении плавности

хода вагона по осциллограммам ускорении с использованием «ручной» или полуавтоматической обработки данных

(21)

где k (v₀) — частотный поправочный коэффициент; m — коли­чество разрядов амплитуд ускорения; а — амплитудное значение ускорения, среднее для данного разряда, см/с²; v₀ = N o/T— средняя частота колебаний для данной реализации, Гц; п — коли­чество циклов ускорений и-го разряда; N ₀ — общее количество циклов ускорений, включая «нулевые»; Р_п =n/N₀ — повторяе­мость амплитуды и-го (а_п) разряда; Т — длительность анализи­руемой реализации, с; b — коэффициент; — для верти­кальных колебаний и Ь = 1 — для горизонтальных колебаний.

При автоматическом определении плавности хода вагонов ис­пользуют специализированную электронную аппаратуру, реали­зующую заданный алгоритм обработки информации об интенсив­ности и частотном составе колебаний вагона.

4. Коэффициент устойчивости колесной пары в рельсовой колее

(22)

где β — угол наклона линейной части контура гребня колеса к плоскости рельсового пути; Р_и — вертикальная суммарная на­грузка от первого (набегающего) колеса на рельс; Q₆ — суммар­ное боковое давление набегающего колеса на рельс; Q_σ = Q_дг+Р_сбu;

P_сб — вертикальная суммарная нагрузка от второго (сбегающего) колеса на рельс; u — коэффициент трения скольже­ния между колесом и рельсом.

Рекомендуемая шкала оценки показателей ходовых качеств вагонов приведена в табл. 9.

На основании теоретического и экспериментального анализов свойств вагона как механической системы с использованием ука­занных критериев устанавливают допускаемую конструкционную скорость вагона, при которой обеспечивается необходимая проч­ность, устойчивость, плавность хода и другие требования, предъ­являемые к технически исправному вагону, следующему по пря­мому участку пути хорошего текущего состояния.

Требования к прочности, надежности и ходовым качествам вагонов существенно зависят от условий эксплуатации, качества содержания, обслуживания и ремонта. Изменение условий работы подвижного состава (например, повышение скорости движения

Таблица 9

* В числителе — для буксового подвешивания, в знаменателе — для центрального. ** Ускорения выражены в долях ускорения свободного падения.

или ухудшение их содержания в эксплуатации) может резко ска­заться на работоспособности вагонов и их узлов. Поэтому необ­ходимо всесторонне обосновывать исходные требования к проек­тируемым вагонам и своевременно корректировать применяемые нормативы с учетом опыта и условий эксплуатации на перспек­тиву.

Дата добавления: 2015-08-18