Совершенствование рессорного подвешивания грузовых вагонов для повышения осевых нагрузок Гусев Артем Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Увеличение осевой нагрузки грузовых вагонов обеспечивает их повышенную грузоподъемность и эффективность, а также рост пропускной способности железнодорожной сети. В настоящее время осевая нагрузка эксплуатируемых грузовых вагонов составляет 25 тс, а типовая конструкция железнодорожного пути допускает ее повышение. Вместе с тем, рост осевой нагрузки может привести к повышению воздействия на железнодорожный путь, которое можно компенсировать совершенствованием рессорного подвешивания вагона. В связи с этим, задача по разработке эффективного рессорного подвешивания, обеспечивающего возможность увеличения осевой нагрузки грузовых вагонов до 27 тс, является актуальной.

Целью диссертационной работы является научное обоснование силовой и
демпфирующей характеристик, а также конструктивного исполнения
рессорного подвешивания трехэлементных тележек для грузовых вагонов с
повышенной до 27 тс (265 кН) осевой нагрузкой, обеспечивающего
нормативные показатели воздействия на типовые конструкции

железнодорожного пути. Для достижения поставленной цели в

диссертационной работе были сформулированы и решены следующие задачи:

1. На основании динамического моделирования провести исследования по влиянию вертикальной жесткости и коэффициента относительного трения рессорного подвешивания с нелинейной вертикальной силовой характеристикой и фрикционным гасителем колебаний на взаимодействие грузового вагона и пути;

2. Определить рациональные значения характеристик рессорного подвешивания (расчетный статический прогиб, разность полных статических прогибов под порожним и груженым вагоном, коэффициент относительного трения) для вагона с осевой нагрузкой 27 тс, обеспечивающие соответствие показателей воздействия на путь требованиям ГОСТ Р 55050-2012;

3. Разработать методику расчета и определить минимально допустимое значение коэффициента конструктивного запаса прогиба применительно к рессорным комплектам с нелинейной вертикальной силовой характеристикой;

4. Разработать методику уточненной оценки устойчивости пружины при сжатии с применением метода конечных элементов (МКЭ);

5. Спроектировать пружины с необходимыми характеристиками и провести расчет рессорного комплекта по условиям соответствия требованиям жесткости, прочности и устойчивости;

6. Провести испытания для определения и уточнения механических характеристик материала пружин после навивки (модуль сдвига, предел текучести и прочности);

7. Провести статические и усталостные испытания спроектированных пружин рессорного подвешивания для подтверждения их прочности, устойчивости и достаточного сопротивления усталости;

8. Провести ходовые динамические и по воздействию на путь испытания грузового вагона с осевой нагрузкой 27 тс для подтверждения соответствия показателей динамических качеств, воздействия на путь и запаса прогиба подвешивания действующим нормативам.

Научная новизна работы заключается в следующем:

уточнена методика определения воздействия грузового вагона на железнодорожный путь, отличающаяся использованием компьютерных моделей движения для расчета непрерывных зависимостей сил взаимодействия каждого из колес экипажа и рельсов с различными вариантами задания характеристик рессорного подвешивания;

на основании проведенных исследований влияния параметров центрального рессорного подвешивания на динамические качества вагона и воздействие его на путь установлены их рациональные значения, обеспечивающие возможность повышения осевой нагрузки до 27 тс с обеспечением выполнения нормативов динамических качеств и воздействия на путь;

по условиям соответствия заданным рациональным параметрам подвешивания предложена схема компоновки рессорного комплекта и его кусочно-линейная вертикальная силовая характеристика;

разработана методика уточненной оценки устойчивости пружины при сжатии с применением метода конечных элементов, в которой учтены условия опирания пружины в рессорном подвешивании грузового вагона;

разработана методика и определено минимально допустимое значение коэффициента конструктивного запаса прогиба рессорного подвешивания применительно к рессорным комплектам тележек грузовых вагонов с нелинейной силовой характеристикой.

Практическая значимость работы:

1. Установлены диапазоны значений основных параметров рессорного подвешивания тележки с осевой нагрузкой 27 тс (расчетный статический прогиб, разность полных статических прогибов груженого и порожнего вагона, коэффициент относительного трения), обеспечивающие улучшение динамических качеств вагона и нормативное воздействие его на путь.

2. Разработанная методика оценки устойчивости пружин при сжатии позволила снять имеющиеся ограничения на увеличение высоты и прогиба пружин, что необходимо для снижения воздействия вагона на путь при его колебаниях.

3. Разработанная методика установления минимально допустимого значения коэффициента конструктивного запаса прогиба рессорного подвешивания применительно к тележкам с рессорным комплектом c нелинейной силовой характеристикой подтвердила его допустимое значение, которое позволяет снять ограничение на увеличение статического прогиба рессорного подвешивания и обеспечить улучшение показателей динамических качеств вагона.

4. Разработано рессорное подвешивание, примененное в тележках модели 18-6863, изготавливаемых АО «ТВСЗ» и устанавливаемых под грузовые вагоны с осевой нагрузкой 27 тс.

Положения, выносимые на защиту:

5. Установление рациональных параметров рессорного подвешивания для тележки с осевой нагрузкой 27 тс с целью обеспечения непревышения допускаемых значений показателей динамических качеств вагона и воздействия его на путь.

6. Методика и результат обоснования минимально допустимого значения коэффициента конструктивного запаса прогиба рессорного подвешивания применительно к рессорным комплектам с нелинейной силовой характеристикой.

7. Методика оценки устойчивости пружин рессорного подвешивания при сжатии с применением МКЭ с учетом условий закрепления пружины в рессорном подвешивании грузового вагона.

8. Результаты разработки и комплексных испытаний рессорного подвешивания тележки 18-6863 с осевой нагрузкой 27 тс, в которой

реализованы научно обоснованные конструктивные решения, подтверждающие достоверность проведенных исследований.

Достоверность результатов исследования в части установления
рациональных параметров подвешивания и определения минимально
допустимого значения коэффициента конструктивного запаса прогиба
подвешивания подтверждается результатами применения апробированных
методов компьютерного динамического моделирования движения вагонов,
ходовых динамических и по воздействию на путь испытаний, выполненных по
стандартизованным методикам. Достоверность методики оценки устойчивости
пружины при сжатии подтверждена положительными результатами

статических испытаний пружин до смыкания рабочих витков и их динамическими испытаниями под действием циклической нагрузки.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при создании на АО «ТВСЗ» (Тихвинский вагоностроительный завод) тележки модели 18-6863 для грузовых вагонов с осевой нагрузкой 27 тс.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались
на научно-технических конференциях: «Транспорт: проблемы, идеи,
перспективы» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, Неделя науки, 2015-2017 гг.);
«Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (г. Санкт-Петербург,
ПГУПС, 2015-2018 гг.); «Жизненный цикл пружин подвижного состава
железнодорожного транспорта. Современные методы повышения

эксплуатационного срока» (г. Белорецк, ООО «Уральский Пружинный Завод», 2015 г., 2017 г.); «Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ» (г. Брянск, БГТУ, 2016 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 8 печатных работах, из них 4 – в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ; на разработанную конструкцию пружинного комплекта тележки грузового вагона получен патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает в себя введение, четыре главы, заключение, и изложена на 169 страницах машинописного текста, содержит 43 таблицы и 69 рисунков. Список использованных источников насчитывает 198 наименований.