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 из1 менившихся условий эксплуатации и производства вагонов в 1948— 1953 гг. ЦНИИ МПС и НИБ совместно разработали Нормы расчетов 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. и. 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.

Показатели

Годы

1940

1950

1960

1970

Средний вес грузового поезда, тс…

1301

1430

2100

2574

Средняя техническая скорость грузового поезда, км/ч……..

33,1

33,8

40,4

46,4

Среднесуточный пробег грузового вагона, км………….

139,9

146,4

225,2

255,5

Средняя техническая скорость пассажирского поезда, км/ч……

_

38,2

45,3

54,6

Средняя скорость (ориентировочно) соударения вагонов при маневрах, км/ч……………

3—4

4-5

5—6

6—7

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;

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 тяжеловесного поезда при малых скоростях движения, соударение вагонов при маневровой работе на станциях и сортировочных горках;

II — движение поезда на затяжном расчетном подъеме со скоростью 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 режимов и расчетные усилия могут существенно измениться.

Наименование

Расчетные режимы

II*

ш

Вагон…..

Пасса-

Грузо-

Пасса-

Грузо-

Пасса-

Грузо-

жирский

ВОЙ

жирский

ВОЙ

жирский

вой

Продольное уси-

лие, тс….

—250

±250

150

150

±100

±100

Скорость движе-

ния, км/ч…

0

0

50

50

160

120

Боковые нагрузки

Не учитываются

Учитываются

Количество ЦИК-

лов действия ре-

жима за срок

службы (ориен-

тировочно)

До 100

500—1000

500—1000

50 000—

50 000—

300 000—

100 000

100 000

500 000

* Действующие нормы предусматривают этот режим только для пассажирских вагонов.

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-

Наименование

Расчетные режимы

I

п

III

IV

Продольное усилие, ТС

о

о

*

і

^40

Рк сц шах И

силы инерции

Рт и силы инерции

Скорость движения, км/ч

0

Конструк

ционная

0

Конструк

ционная

Боковые нагрузки

0

Учиты

ваются

Учиты

вается

только

ветровая

Учиты

вается

Количество циклов действия режима за срок службы (ориентировочно)

Условный

режим

безопасно

сти

200 000— 300 000

500 000— 1 000 000

500 000— I 000 000

* Лобовую часть рамы головных вагонов проверяют на усилие 250 тс.

Таблица 5

Наименование

[Расчетные режимы

I

II

III

Продольное усилие, тс

40 (сжатие); 30 (растяжение) *

:^12 или силы инерции

РК Шах И СИЛЫ инерции

Вертикальная нагрузка от веса

Брутто или тары

Брутто

Брутто

Скорость движения, км/ч

0

Конструк

тивная

0

Боковые нагрузки

0

Учитываются

0

Ориентировочная повторяемость режима за срок службы

Условный режим безопасности

I 000 000— I 500 000

I 000 000— I 500 000

* Консольные части рамы кузова и детали автосцепки проверяют на усилие 50 тс (сжатие) и 35 тс (растяжение).

Наименование

Расчетные режимы

ІА

[НА

Продольное усилие, тс……..

±250

±100

Скорость движения, км/ч…….

0

120

Боковые нагрузки………

0

Учитываются

Ориентировочная повторяемость режима за срок службы

До 100

50 000—100 000

Таблица 7

Наименование

Расчетные режимы

I

Пі

IV

V

Продольное усилие, тс

±200

±80

0

0

Вертикальная нагрузка от веса

Брутто

Брутто

Тары и удара глыбы

Брутто при наклоне кузова

Скорость движения, км/ч

0

50

0

0

Боковые нагрузки

0

Учиты

ваются

0

Только

ветровая

Ориентировочная повторяемость режима за срок службы

300—500

200 000— 300 000

До 100 000

До 100 000

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

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

Режимы 1А (I) и ША (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) думпкара. 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 1 (см) по следующим формулам.

Для вагонов магистральных железных дорог при скоростях движения до 160 км/ч

(П)

где а — коэффициент, для элементов кузова а = 0,05; для подрессоренных частей тележек а =0,10; для неподрессоренных частей тележек а =0,15; Ь — коэффициент, учитывающий сглаживающее влияние числа осей в тележке (п) или в группе сбалансированных тележек одного конца экипажа; Ь — (п -Ь 2)12п.

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

кя = а + Ь±~, (12)

где а и Ь — коэффициенты, имеющие указанные значения.

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

?д = а + 6—^—, (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 0,2^, а при ударах вагонов — до 3^ (где g — ускорение свободного падения). При этом замедление 0,2 соответствует условиям торможения при высоких скоростях движения (близких к конструкционной скорости) — III режим расчета, ускорение 3^ — 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 0,1^, 0,2^ и ? соответственно при II, III и I режимах расчета.

Инерционные силы при расчете элементов, закрепленных на раме тележки пассажирского вагона, определяют исходя из вертикального ускорения 3 в зоне базы тележки и 4 на концах продольных балок рамы; в горизонтальном направлении вдоль оси пути принимают 3, а поперек оси пути 1,5. Для элементов, не воспринимающих вес вагона и закрепленных на неподрессо-ренных частях тележек, вертикальные силы инерции определяют исходя из расчетного значения ускорения:

/непод === (2+ 0,15«) в, (14)

где и — скорость движения, км/ч; д — 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 18 для цельнометаллических стальных колес и 12 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/ма. 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

Р = УУ 1ё2 (45° — ср/2), (15)

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

Осредненные параметры некоторых насыпных грузов следующие:

у, тс/м®

Ф.0

Железная руда………… 2,5

35—40

Каменный уголь……….. 0,9

30—35

Кокс……………. 0,5

35—40

Песок, супесь…………. 1,8

35—40

Торф……………. 0,5

50—55

Зерно……………. 0,8

25—30

Мука……………. 0,6

55—60

Аммиачная селитра………. 0,8

45—50

Сульфат аммония……….. 0,8

50—55

Хлористый аммоний………. 0,6

50—55

Суперфосфат…………. 1,1

45—50

Фосфоритная мука………. 1,7

45—50

Хлористый калий………. 0,9

45—50

Сульфат калия………… 1,3

45—50

Глинозем мелкий……….. 0,6

50—55

Цемент…………… 1,5

40—45

Полиэтилен гранулированный….. 0,5

25—30

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

фк 1С0 + У ’ №

где А = 0,25-г 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 Ррасч меньше (с необходимым, обоснованным для данного случая запасом) обобщенного критерия Предельной несущей способности Рпр, т. е. р <-" р

х расч 1 пр*

Например, допускаемые напряжения [о] для элементов конструкции вагонов при расчетах современными методами по режиму «большой продольной силы» (режимы I и IА, см. табл. 3, 4, 5, 6 и 7) традиционно принимают [а], = где а, — предел текучести материала. При этом коэффициент к] обычно принимают следующим: для элементов кузова грузовых вагонов = = 0,85-4-0,90; для элементов кузова пассажирских вагонов к1 — = 0,9-г-1,0; для рам тележек &г = 0,75-4-0,85 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 кш принимают существенно ниже (кш = 0,55-н 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 °т тех же факторов. В частности, коэффициент [п 1 запаса усталостной 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 п. 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 и,-,

Таблица 8

Допускаемые напряжения, кгс/см8

Наименование

Расчетныйрежим

Сталь В СтЗ (ГОСТ 380—71)

Сталь 09Г2Д (ГОСТ 19282—73)

Алюминиевый сплав 1915 (ГОСТ 8617—7 и 12 592—67)

Несамоходные вагоны

Хребтовая и шкворневая

і

2160

2640

1600

балки рамы кузова

п

1920

2320

1400

ш

1550

1900

1100

Остальные элементы кузова *

і

2160/2400

2640/3100

1600/1800

п

1920

2480

1450

ш

1650

2000

1200

Рама тележки, надрессорные

і

2160

2640

_

балки

п

2160

2640

ш

1550

1800

Вагоны электропоездов

Шкворневые и продольные

і

2400

3100

2000

балки рамы кузова

п

1550

2000

1100

Остальные элементы кузова

і

2400

3100

2000

п

1650

2100

1200

Рама тележки, надрессорные

III, IV

1600

1800

балки

Детали подвески привода

III, IV

1700

2000

Вагоны метрополитена

Хребтовая и шкворневая

I

2160

2640

1700

балки рамы кузова

II, III

1600

2000

1100

Остальные элементы кузова

I

2400

3100

2000

II, III

1650

2100

1200

Рама тележки, надрессорная

I

2040

2480

балка

II, III

1400

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

где т — показатель степени в уравнении кривой усталостной прочности; Т3 — заданный срок службы конструкции (ресурс) при непрерывной работе; Г (т + 2)/2] — гамма-функция; N0 — базовое число циклов эквивалентного режима; 5аи/ — среднее квадратическое значение динамических напряжений при скорости су; $э!)[ — эффективная (средняя) частота процесса при скорости щ; Ри1 — вероятность движения вагона в эксплуатации со скоростью Щ.

Здесь показатель т необходимо принимать на основании надежных экспериментальных данных, а при их отсутствии приближенно оценивать по выражению т — 16/(&0)к, где (ка)к — общий (эффективный) коэффициент снижения усталостной прочности для натурной детали. Заданный срок службы Т3 связан с нормативным календарным сроком службы вагона Т соотношением Т3 = Т1, где I — коэффициент, определяющий долю времени нахождения вагона в активной эксплуатации. Для грузовых вагонов в современных условиях | ^ 0,3; для пассажирских | я« 0,4; для вагонов пригородных электропоездов, метрополитена и трамвая ? я» 0,5.

При тех же допущениях расчетная долговечность конструкции

где а_1 — предел выносливости гладкого образца материала конструкции при N0 циклах; п — коэффициент запаса усталостной прочности.

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

Т — Т р

?-31,5-106

При использовании более точных представлений о характере эксплуатационной нагруженности и кинетике усталостного разрушения соответствующие выражения для аю и Пр имеют более сложную структуру, что затрудняет их практическое использование и делает актуальной задачу дальнейшего усовершенствования методов расчета. В случае отсутствия экспериментальных данныхоб эксплуатационной нагруженности детали расчетная амплитуда динамических напряжений для расчетов на усталость

Оар = УУ^, (19)

где ог — 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 ц < 0,7 — для пассажирских вагонов и вагонов пригородных электропоездов; ц < 0,6 — для почтовых, багажных, изотермических вагонов и вагонов метрополитена; ц < 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

Мтр = (0,08 -н- 0,12) Рч21т,

где Рд — давление от оси на рельс; 2/т — база тележки.

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

1. Коэффициенты вертикальной и горизонтальной динамичности соответственно

^ДВ = Р цв!Р сг ^ ^ДГ = Q/^т/Pq>

где Кдв — динамическая вертикальная сила, действующая на данный элемент ходовых частей в движении; Рсг — статическая вертикальная нагрузка на данный элемент вагона в рассматриваемом режиме загрузки; <2дГ — горизонтальная боковая динамическая сила, передающаяся от колесной пары на раму тележки.

2. Максимальные ускорения кузова вагона в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно /вгаах и /гшах. 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 №’г или в часах утомления т,- раздельно для вертикальных и горизонтальных (поперечных) колебаний. При определении плавности хода вагона по осциллограммам ускорений с использованием «ручной» или полуавтоматической обработки данных

где к. (у0) — частотный поправочный коэффициент; т — количество разрядов амплитуд ускорения; а — амплитудное значение ускорения, среднее для данного разряда, см/с2; у001Т — средняя частота колебаний для данной реализации, Гц; п — количество циклов ускорений и-го разряда; N0 — общее количество циклов ускорений, включая «нулевые»; Рп =п/Ы0 — повторяемость амплитуды и-го (ап) разряда; Т — длительность анализируемой реализации, с; Ь — коэффициент; Ь =1/2 — 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

где р — угол наклона линейной части контура гребня колеса к плоскости рельсового пути; Рп — вертикальная суммарная нагрузка от первого (набегающего) колеса на рельс; Q6 — суммарное боковое давление набегающего колеса на рельс; Q6 = Qw -j-+ Pc6i; Рсб — вертикальная суммарная нагрузка от второго (сбегающего) колеса на рельс; р, — 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

Оценка

ХОДОВЫХ

качеств вагона

Вагоны

Показатели (не более)

*

*

ДВ

&Д г

*#

**

1 р

‘И

1/*у

Отлично

Пассажирские

0,15/0,10

0,10

0,10

0,07

2,0

0,4

Грузовые

0,30/0,25

0,20

0,25

0,20

3,0

0,5

Хорошо

Пассажирские

0,20/0,15

0,15

0,15

0,10

2,5

2,5

Грузовые

0,45/0,35

0,25

0,35

0,25

3,5

0,6

Удовле-

Пассажирские

0,25/0,20

0,20

0,20

0,15

3,0

0,6

творительно

Грузовые

0,60/0,50

0,35

0,50

0,35

4,0

0,7

Предельно

Пассажирские

0,35/0,30

0,30

0,30

0,25

3,5

0,7

допустимо

Г рузовые

0,75/0,60

0,40

0,60

0,40

4,5

0,8

* 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.

Требования к габаритным размерам вагонов | Вагоны | Проектирование и расчет сварных соединений в конструкциях вагонов

Добавить комментарий