Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ конструкций пассажирских вагонов 7
1.1 Анализ конструкций кузовов и планировок пассажирских вагонов. Материалы, применяемые в вагоностроении 7
1.1.1 Анализ конструкций кузовов пассажирских вагонов 7
1.1.2 Анализ основных технических показателей пассажирских вагонов и выбор планировки для производства в Узбекистане 12
1.1.3 Материалы, применяемые в вагоностроении 18
1.2 Анализ ходовых частей (тележек) пассажирских вагонов 24
1.3 Анализ систем жизнеобеспечения пассажирских вагонов 31
1.3.1 Система кондиционирования воздуха в пассажирских вагонах 31
1.3.2 Система отопления пассажирских вагонов 35
1.3.3 Система водоснабжения пассажирских вагонов 37
1.4 Анализ условий эксплуатации пассажирских вагонов в условиях Средней Азии 38
1.5 Выводы. Постановка задач исследования 42
Глава 2 Разработка основных технических решений и выбор параметров нового пассажирского вагона 44
2.1 Расчетное исследование несущих конструкций кузова пассажирского вагона 44
2.1.1 Разработка конечно-элементной модели конструкции кузова пассажирского вагона 44
2.1.2 Исследование прочности, устойчивости и обоснование параметров несущих элементов кузова пассажирского вагона 48
2.1.3 Оценка прочности и устойчивости несущей конструкции кузова пассажирского вагона с выбранными параметрами 56
2.1.4 Конструкция кузова пассажирского вагона на основе выбранных параметров 61
2.2 Выбор толщины теплоизоляции кузова вагона 67
2.3 Выбор системы кондиционирования воздуха вагона 73
2.4 Выбор ходовых частей пассажирского вагона 80
2.5 Выводы 86
Глава 3 Экспериментальные исследования опытного пассажирского вагона 88
3.1 Испытания по оценке прочности кузова вагона 88
3.2 Испытания ходовых частей пассажирского вагона 99
3.2.1 Статические испытания новых тележек для пассажирских вагонов 99
3.2.2 Ресурсные испытания новых тележек для пассажирских вагонов 106
3.3 Испытания по определению ходовых качеств вагона 110
3.3.1 Ходовые прочностные испытания вагона 111
3.3.2 Ходовые динамические испытания вагона 120
3.4 Сопоставление результатов теоретических исследований с экспериментальными данными 127
3.5 Эксплуатационные испытания пассажирского вагона в условиях Узбекистана 130
3.6 Выводы 132
Основные выводы и рекомендации 133
Список использованных источников 136
- Анализ основных технических показателей пассажирских вагонов и выбор планировки для производства в Узбекистане
- Исследование прочности, устойчивости и обоснование параметров несущих элементов кузова пассажирского вагона
- Испытания по оценке прочности кузова вагона
- Ходовые динамические испытания вагона
Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи с завершением строительства новой железнодорожной линии Ташгузар-Байсун-Кумкурган, электрификацией основных железнодорожных магистралей страны и увеличением благосостояния населения на железных дорогах Узбекистана растут объемы пассажирских перевозок. Для обеспечения возрастающих объемов пассажирских перевозок необходимо пополнение парка пассажирского подвижного состава. Значительная часть пассажирских вагонов инвентарного парка железных дорог Узбекистана имеет срок службы свыше 20 лет (73%), а часть из них (17%) эксплуатируется за пределами нормативного срока службы. Причем основную долю составляют вагоны постройки до 1990 года.
Наиболее рациональным решением транспортной проблемы Республике Узбекистан с точки зрения национальных интересов является развитие собственного вагоностроения и пополнение парка вагонов не только отремонтированными, но и вагонами новой конструкции, более комфортабельными и надежными.
В последнее время железнодорожный подвижной состав активно совершенствуется в направлении повышения комфорта. В связи с этим целесообразно не только своевременно ремонтировать вагоны, но и создавать новые, отличающиеся технологией изготовления, параметрами, соответствующими современным требованием по комфортабельности для пассажиров в условиях жаркого климата.
Целью работы является научное обоснование выбранных параметров и разработанных основных технических решений пассажирского вагона для железных дорог Узбекистана, который по конструкции и техническому состоянию должен отвечать необходимому уровню безопасного движения и комфорта с учетом производственных возможностей Узбекистана. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
выбрать перспективную конструкцию пассажирского вагона для дальнейших исследований, исходные данные и принятые допущения для расчетов;
разработать модель кузова пассажирского вагона на современных программных обеспечениях (SolidWorks и Ansys), позволяющую теоретически исследовать различные варианты несущих конструкций кузова вагона;
провести теоретические исследования и на основе анализа результатов исследований выбрать наилучшие конструкторские решения основных несущих элементов кузова;
провести экспериментальные исследования пассажирского вагона по оценке прочности кузова и по определению ходовых качеств вагона в условиях Узбекистана для подтверждения достоверности разработанной конструкции;
сравнить полученные экспериментальным путем результаты исследований с расчетными и нормативными данными.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
1. Предложена конструкция кузова пассажирского вагона, отличающаяся выполнением кузова в виде гладкой обшивки и тонкостенного каркаса из гнутых профилей, изготовляемых из листового металла толщиной 2-2,5 мм, поставляемого в рулонах.
2. Разработана пластинчато-стержневая конечно-элементная модель нового кузова пассажирского вагона, позволяющая учитывать особенности принятых конструктивных решений.
3. Определено влияние геометрических размеров основных несущих элементов кузова на показатели прочности и устойчивости несущей конструкции вагона.
4. Определена зависимость коэффициента теплопередачи вагона от конструкции кузова и толщины теплоизоляционного материала, которая позволяет обоснованно выбрать оптимальные толщины теплоизоляционных материалов.
Практическая значимость работы. Установленные зависимости показателей прочности и устойчивости конструкции вагона от геометрических размеров основных несущих элементов кузова позволяют провести выбор технических параметров и дать рекомендации по созданию новой конструкции кузова пассажирского вагона. Разработанная модель конструкции кузова и расчетно-экспериментальное обоснование ее параметров позволяют сократить затраты и повысить общее качество проектирования пассажирского вагона.
Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы ОАО «ТашВСРЗ» (г. Ташкент, Узбекистан) при строительстве пассажирского вагона модели 61-907 и тележек моделей 68-909 (68-908). Отдельные положения и результаты работы используются при проведении научных исследований, выполнении дипломных работ и магистерских диссертаций на кафедрах «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПС и ТашИИТ.
Апробация работы. Основное содержание работы, результаты исследования, выводы и рекомендации неоднократно докладывались и обсуждались на заседаниях и научных семинарах кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПС и ТашИИТ (2007-2010 гг.), Республиканской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной техники и технологий» (ДжизПИ, г. Джизак, Узбекистан, 2008 г.), VI Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (ПГУПС, г. Санкт-Петербург, 2009 г.), Межвузовской научно-технической конференции «Шаг в будущее. Неделя науки» (ПГУПС, г. Санкт-Петербург, 2009-2010 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, из них 3 печатные работы – в журналах, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 3 главы, заключение и изложена на 150 страницах машинописного текста, в том числе – 25 таблиц, 74 рисунка. Библиографический список включает 193 наименования, в том числе – 16 иностранных.
Анализ основных технических показателей пассажирских вагонов и выбор планировки для производства в Узбекистане
Современной тенденцией пассажирского вагоностроения является создание типового ряда вагонов различного класса на базе единого кузова, обеспечивающего возможность модульной сборки внутри- и подвагонного оборудования. Особенность планировочных решений современных вагонов является постоянство планировки концевых частей и возможность гибко изменять планировку пассажирского салона. Ниже рассмотрим технические показатели и различные типы планировок пассажирских вагонов.
Пассажирские вагоны открытого типа с креслами для сидения (вагоны модели 61-828, 61-838, 61-826, 61-4177, 61-4192, скоростного поезда РТ200, высокоскоростных поездов «Сапсан» и «Сокол») предназначены для выполнения массовых перевозок пассажиров с длительностью пребывания в пути не более 8 часов [26, 44, 45, 52, 84, 95, 124, 153, 174].
Вагоны открытого типа с креслами для сидения имеют пассажирский салон 7 (рисунок 1.1), два тамбура 1, два туалета 2, коридоры 6 и 8, служебное помещение 3, купе проводников 5, а также котельное отделение 4. Пассажирский салон оборудован двумя рядами мягких двухместных кресел, установленных вдоль стены в противоположных друг другу направлениях.
Планировка высокоскоростных поездов «Сокол» и «Сапсан» также имеет планировку открытого типа с креслами для сидения [34, 45, 84, 154, 159, 160, 161]. 12 вагонный поезд «Сокол» формирован по симметричной схеме - в середине восемь вагонов второго класса, в концах по два вагона первого класса. Поезд «Сапсан» формирован 10 вагонами, и головные вагоны бизнес класса, а остальные вагоны туристического класса (рисунок 1.2). Оба туалеты расположены в нетормозном конце вагона.
Вагоны первого класса (бизнес класс) имеют открытую салонную и купейную планировку и для удобства внутреннее пространство вагона разделено посередине на две секции. В вагонах первого класса кресла устанавливаются по три в ряд по схеме (2+1): два кресла, проход, одно кресло. Часть кресла установлена по ходу движения поезда, часть - против.
Вагоны второго класса (вагоны туристического класса поезда «Сапсан») имеют открытую салонную компоновку с расположением кресел по схеме 2+2. По одну и по другую сторону от прохода кресла расположены навстречу друг другу. Такое соотношение мест первого и второго классов принято с учетом зарубежного [27, 28,43, 69, 103, 109, 115, 125, 131, 134, 180, 182, 188] и российского опыта [30, 44, 84, 120, 176].
Пассажирские купейные вагоны с креслами для сидения (вагоны модели 61-4170, 61-4188, 61-4441) предназначены для выполнения массовых перевозок пассажиров с длительностью пребывания в пути не более 12 часов [26, 29, 45, 60, 95, 124, 153, 155]. Купейные вагоны с креслами для сидения (рисунок 1.3) обычно имеют девять пассажирских шестиместных купе с мягкими креслами, подоконный столик, багажные полки, встроенных светильников, регулятора громкости радио, кнопку вызова проводника и индивидуальный пульт пользователя телерадиосистемами. Два туалета скомпонованы в одном блоке и размещены в нерабочем конце вагона.
Пассажирские некупейные вагоны со спальными местами (вагоны модели 61-4177, 61-836, 61-821) предназначены для перевозки пассажиров в составе поездов дальнего следования. В некупейных вагонах обычно предусмотрены две туалетные комнаты 2 (рисунок 1.4), служебное помещение 4, котельное отделение 3 и двухместное купе 5 для отдыха обслуживающего персонала. В концевых частях вагона имеются тамбуры 1 и коридоры 6 и 8.
В отделении для пассажиров 7 устроено шесть спальных мест или девять мест для сидения. Для этого оно оборудовано двумя поперечными и одним продольным диванами, двумя поперечными и одной продольной спальными полками. Над спальными полками жестко укреплены полки для багажа, а под поперечными диванами размещены рундуки для ручной клади. У окна между поперечными диванами укреплен откидной столик [29, 30, 84, 95, 120, 174].
Пассажирские купейные вагоны со спальными местами (вагоны модели 61-4179, 61-4186, 61-850, 61-435, 61-820). Такие вагоны обычно имеют девять четырехместных 7 (рисунок 1.5) и одно двухместное купе 5, служебное помещение 3, котельное отделение 4, два туалета 2, два тамбура 1 и коридоры 6, 8 и 9.
В каждом четырехместном купе вагона расположены два дивана с рундуками и верхние откидные спальные полки. Спальные полки в нерабочем состоянии поднимаются вверх и закрепляются пружинными крючками. Под окном установлен откидной столик. Над потолком коридора со стороны каждого купе устроены ниши для багажа. Купейные вагоны, оборудованные электрическим отоплением, не имеют котельного отделения. На его месте размещают умывальную или помещение для бытовых нужд с мойкой и шкафами для посуды. Имеются вагоны, в которых вместо трех четырехместных купе устроен буфет с примыкающим к нему двухместным купе для обслуживающего персонала [29, 60, 84, 103, 120, 151].
Пассажирские купейные «СВ» вагоны (вагоны модели 61-4174, 61-4165, 61-4442, 61-4443) обеспечивают высокий уровень комфорта пассажиров и обслуживающего персонала за счет усовершенствованной планировки всех помещений вагона, наличием кухни, душа и современного оборудования [24, 31, 60, 84, 124, 174].
В парке пассажирских вагонов также находится подвижной состав вспомогательного назначения, который спроектирован на базе пассажирских вагонов. Сюда относятся почтовые, багажные, вагоны-бар и вагоны-рестораны [24, 31, 60, 84, 99, 124, 155, 184].
Планировки и интерьеры двухэтажных вагонов поезда RABe 514 построенные компанией Siemens [181], вагоны серий DBz 751, DABz 765 и DBbzf 761 железных дорог Германии [100, 111], поезда Regina [28], вагона серии Мб железных дорог Бельгии [101], поезда V150 [189], панорамного вагона туристического поезда (США), вагон салона туристического поезда (Франция) [35] и вагонов Российского производства [44] подобны выше приведенным планировкам.
В настоящее время значительно повышается конкуренция железнодорожному транспорту в области пассажирских перевозок со стороны воздушного и автомобильного транспорта [68, 93, 95, 114, 134, 151]. Для привлечения пассажиров необходимо существенно повышать комфортабельность их поездки и сокращать время нахождения в пути. Указанные цели могут быть достигнуты за счет создания надежной конструкции вагона, применения новых планировочных решений, повышения уровня безопасности и комфорта. Все эти обстоятельства учитывались при создании нового пассажирского вагона, а размеры внутренней планировки и оборудования вагона выбраны в соответствии с современными техническими требованиями [39, 104, 122].
Из приведенного анализа и обзора основных технических показателей и планировок пассажирских вагонов для обеспечения комфортабельности пассажиров и обслуживающего персонала и с учетом социально-экономического развития и повышения платежеспособности населения для Узбекистана принята планировка купейного типа со спальными местами с установкой кондиционирования воздуха, которая позволяет существенно повышать комфортабельность их поездки [146, 147].
Чтобы упростить создание пассажирского вагона и снизить его стоимость, была принята сохранить унификацию большинства компонентов и линейных размеров планировки с российскими пассажирскими вагонами.
Общий вид и планировка разрабатываемого пассажирского вагона купейного типа со спальными местами показана на рисунке 1.6 [92, 144, 145].
В пассажирском купе вагона применены оригинальные дизайнерские решения и над каждым спальным местом предусмотрены все необходимые устройства. Длина купе составляет 1980 мм, ширина - 1755 мм, а высота -2497 мм. В каждом четырехместном пассажирском купе расположены два нижних спальных и два верхних откидных спальных мест.
По обеим сторонам большого коридора на поперечных перегородках установлены информационные табло, отражающих в виде бегущей строки, следующую световую информацию: температура внутри вагона; температура наружного воздуха; о занятости туалетов; текущее время; дополнительную информацию оперативного или справочного характера.
Два туалета размешены в нерабочем конце вагона, и ширина каждого туалета равна 900 мм. Каждое туалетное помещение оборудовано экологически чистым вакуумным туалетным модулем «Экотол».
Исследование прочности, устойчивости и обоснование параметров несущих элементов кузова пассажирского вагона
При проектировании пассажирского вагона должна быть обеспечена необходимая несущая способность всех узлов, предназначенных для восприятия эксплуатационных нагрузок. Несущую способность конструкции кузова вагона необходимо оценивать применительно к сочетаниям основных эксплуатационных нагрузок и установленным нормами величинам допускаемых напряжений. В соответствии с «Нормами...» прочность и устойчивость кузова пассажирского вагона оценивается при трех расчетных режимах [104]:
- по первому расчетному режиму рассматривается относительно редкое сочетание экстремальных нагрузок. Основное требование при расчете на прочность по этому режиму - не допустить появление остаточных деформаций в узле или детали;
- второй режим соответствует движению пассажирского вагона, включенного в состав грузового поезда, на расчетном подъеме; - по третьему расчетному режиму рассматривается относительно частое возможное сочетание умеренных по величине нагрузок, характерное для нормальной работы вагона в движущемся поезде. Основное требование при расчете по этому режиму - не допустить усталостного разрушения узла или детали.
Значения основных сил, действующих на кузов пассажирского вагона, приведены в таблице 2.1.
При моделировании допускаемые напряжения элементов кузова были приняты в соответствии с «Нормами...». Для всех сталей модуль упругости принимаем равным 2,1-105 МПа, а коэффициент Пуассона - 0,3 Кинематические и силовые граничные условия при расчетах кузова по всем расчетным режимам приведены на рисунках 2.4 - 2.6.
Для обоснованного выбора геометрических размеров основных несущих элементов кузова пассажирского вагона исследовано большое количество вариантов конструкции кузова предусматривающих:
- изменение толщины обшивки боковых стен от 1 мм до 3 мм;
- изменение толщины обшивки крыши кузова от 1 мм до 3 мм;
- изменение профилей вертикальных стоек боковых стен (моменты инерции стоек боковых стен 100%, 50% и 25%);
- изменение профилей дуг крыши (моменты инерции дуг крыши 100%, 50% и 25%). Расчеты несущих конструкций кузова пассажирского вагона на прочность и устойчивость выполнялись по нагрузкам, соответствующим первому и третьему расчетным режимам «Норм...» [104]. Определение размеров основных элементов конструкции кузова производился путем их варьирования.
На первом этапе исследована зависимость напряжений, возникающих в элементах кузова вагона, от толщины обшивки боковой стены и крыши кузова при первом (сжатие) и третьем (сжатие) расчетных режимах (рисунок 2.7 и 2.8).
На третьем этапе рассмотрена зависимость напряжений, возникающих на конструкции кузова вагона, от профилей вертикальных стоек боковой стены и дуг крыши кузова при первом (сжатие) и третьем (сжатие) расчетных режимах (рисунок 2.10 и 2.11). За основу (100%) были приняты:
вертикальные стойки боковой стены Z-образного профиля сечением 55x55x50x3 мм;
дуги крыши кузова Z-образного гнутого профиля сечением 65x45x40x2,5 мм.
Также проанализирована зависимость перемещений обшивки боковой стены и крыши кузова от их толщины при первом и третьем расчетных режимах. Результаты этих исследований приведены на рисунке 2.12.
Анализ результатов проведенных исследований по прочности и устойчивости основных несущих элементов кузова пассажирского вагона, позволяют нам выбрать рациональные конструкторские решения основных несущих элементов кузова.
1. Из приведенных графиков зависимости напряжений, возникающих на конструкции кузова вагона, от толщины обшивки боковой стены и крыши кузова (см. рисунки 2.7 и 2.8) определено, что при всех выбранных величинах толщины обшивки, результаты прочностных характеристик основных несущих элементов кузова вагона соответствует установленным требованиям. Из приведенных графиков зависимости коэффициента запаса устойчивости элементов кузова от толщины обшивки боковой стены и крыши кузова (см. рисунок 2.9), определено, что для соответствия установленным требованиям толщина листов обшивки боковой стены должна быть не менее 2,5 мм, а толщина листов крыши в средней части и по скатам - 2 мм. В связи с этим рекомендовано принять значение толщины листов обшивки боковой стены - 2,5 мм, а толщины листов крыши в средней части и по скатам - 2 мм.
2. Анализ результатов исследований зависимости напряжений, возникающих на кузове вагона, от профилей вертикальных стоек боковой стены и дуг крыши (см. рисунки 2.10 и 2.11) рекомендовано выбрать вертикальные стойки боковой стены Z-образного профиля сечением 55x55x50x3 мм, а дуги крыши Z-образного профиля сечением 65x45x40x2,5 мм.
3. Установлено, что при выбранной конструкции кузова, лист обшивки боковой стены имеет максимальный прогиб 24,5 мм, а крыши - 17,4 мм. Рекомендовано на кузове вагона между основными стойками боковой стены использовать вспомогательные вертикальные и горизонтальные обвязки, которые уменьшат прогиб листа обшивки.
Испытания по оценке прочности кузова вагона
В данном разделе приведены результаты экспериментальных исследований пассажирского вагона с целью экспериментальной проверки выбранных параметров конструкции кузова, а также для оценки сходимости с результатами, полученными при расчетах.
Испытаниям подвергались полностью достроенный, оборудованный и экипированный груженный купейный пассажирский вагон модели 61-907 (зав. №0001), установленный на тележках моделей 68-908 (68-909) (зав. №0002 и 0003), изготовленных Ташкентским заводом по строительству и ремонту пассажирских вагонов (ОАО «ТашВСРЗ», Узбекистан).
Комплекс экспериментальных исследований пассажирского вагона включал в себя: испытаний на прочность, ходовых испытаний и эксплуатационных испытаний на железных дорогах Узбекистана. Испытания проводились при участии автора испытательным центром ОАО «НВЦ «Вагоны» (г. Санкт - Петербург, Россия) [92, 144, 145].
Целью испытаний на прочность кузова вагона было определение напряженно-деформированного состояния конструкции кузова и рамы вагона при действии на него нормативных приложенных нагрузок, а так же нагрузок при соударении для оценки прочности конструкции, согласно «Нормам...» [104].
Испытаниям подвергались полностью собранная металлоконструкция кузова нового пассажирского вагона модели 61-907, установленная на комплект тележек моделей 68-908 (68-909), изготовленных ОАО «ТашВСРЗ». Для проведения испытаний пассажирский вагон был экипирован запасом воды, угля и дизельного топлива, размещенные на предусмотренных для этого местах. Для имитации пассажиров с багажом использовались мешки с песком общей массой 3,8 т, размещенные равномерно в купе вагона как показано на рисунке 3.1.
Испытания проводились в соответствии с программой и методикой испытаний кузова на прочность [118] при участии и контроле представителей ОАО «НВЦ «Вагоны». В объем испытаний были включены следующие виды испытаний:
1. Испытания на статическую прочность:
- испытания на вертикальные нагрузки от веса пассажиров с багажом;
- испытания на продольные нагрузки, приложенные через автосцепное устройство;
- испытания на продольные нагрузки, приложенные через буферные устройства;
- испытания на ремонтные нагрузки (выкатка тележки, подъём кузова).
2. Испытания на соударения.
При проведении испытаний для регистрации деформаций использовались тензорезисторы КФ5Ш-20-200-Б-12, КФ5П1-5200-Б-12, наклеенные в соответствии с «Техническим описанием и инструкцией по наклейке» АЖВ2.782.001 ТО. Для регистрации деформаций (напряжений) использовался аппаратно-программный комплекс проведения испытаний на основе микропроцессорной многоканальной тензометрической системы ММТС-64.01 с регистрацией процессов на персональный компьютер.
Создание вертикальной нагрузки при испытаниях на вертикальные нагрузки от веса пассажиров с багажом имитировалось равномерной по длине вагона загрузкой мерным грузом до грузоподъемности (рисунок 3.1). Для создания продольных усилий на раму использовался специальный стенд нагружения рам вагонов продольными статическими нагрузками (рисунок 3.2), расположенный на площадке Литейно-механического завода (г. Ташкент, Узбекистан).
Для определения величин давлений на силовых гидродомкратах стенда нагружения рам вагонов продольными статическими нагрузками использовался манометр с верхним значением диапазона показаний 600 кг/см класса точности 0,6.
Подъемка вагона при ремонтных нагрузках осуществлялась при помощи штатных вагонных домкратов.
Испытания на соударения производились на прямом горизонтальном участке железнодорожного пути ОАО «ТашВСРЗ» при помощи локомотива. Схема стенда испытаний представлена на рисунке 3.3.
В испытаниях на соударения значения скорости набегания вагона-бойка, определялись при помощи секундомера и отмеренного участка железнодорожного пути, а величины сил соударения - по показаниям динамометрической автосцепки.
Перед испытаниями производился внешний осмотр на предмет наличия трещин, изломов или других дефектов в конструкции выбранного пассажирского вагона.
Производилась наклейка тензорезисторов на наиболее нагруженные элементы конструкции вагона, полученные по результатам расчетов, в зонах, близких к приложению нагрузок и эффективных концентраторов, с учетом рекомендаций по схемам наклейки тензорезисторов в соответствии требованиям [150]. Схема наклейки датчиков на хребтовой балке и обшивке вагона приведена на рисунке 3.4. Градуировались чувствительные схемы для оценки вертикальной динамической нагрузки путем установки загруженного до полной грузоподъемности кузова на тележку.
Условиями прочности конструкции вагона являлись:
- отсутствие видимых повреждений элементов конструкции вагона (трещин сварных швов или основного металла, нарушение геометрии);
- оценка результатов испытаний статическими нагрузками по расчетным режимам осуществлялись сравнением полученных суммарных напряжений с допускаемыми величинами;
- напряжения, полученные суммированием напряжений при соударении с напряжениями от веса брутто в исследуемых точках, не должны превышать после реализации всех предусмотренных режимов нагружения.
В процессе испытаний на статическую прочность определялись статические напряжения в исследуемых сечениях и точках элементов конструкции вагона при предусмотренных режимах нагружения.
В процессе испытаний на соударение определялись динамические напряжения в исследуемых точках конструкции вагона при предусмотренных режимах нагружения.
1. Испытания на статическую прочность.
Испытания на вертикальные нагрузки от веса пассажиров с багажом произведены путем равномерной по длине вагона загрузки мерным грузом до грузоподъемности.
Испытания на ремонтные нагрузки производились при помощи изменения зон размещения домкратов, установленных под штатные места шкворневых балок вагона. Подъёмка вагона производилась для всех предусмотренных вариантов.
Испытания на продольные нагрузки производились в собранном вокруг вагона стенде. Создавались продольные нагрузки величиной -2,5 МН по I расчетному режиму, +1,5 МН по II расчетному режиму и ±1,0 МН по III расчетному режиму, прикладывались через автосцепные устройства.
От стенда на вагон создавалась продольная сжимающая нагрузка на каждый буфер по I режиму принимаемая равной 1,0 МН, по III режиму на каждый буфер - 0,5 МН и 0,4 МН на буфер по диагонали вагона.
2. Испытания на соударения.
Перед испытаниями воспринимающий удары вагон оборудовался динамометрической автосцепкой. Динамометрическая автосцепка градуировалась по усилию с целью получения масштабного коэффициента.
Испытания на соударения выполнялись путем соударения вагона-бойка в свободно стоящий испытуемый вагон с последующей накаткой на подпор по схеме, представленной на рисунке 3.3. Режимы нагружений при испытаниях на соударение представлены в таблице 3.1.
Ходовые динамические испытания вагона
Основными задачами ходовых динамических испытаний являлись проверка общей работоспособности тележки моделей 68-908 (68-909), определение и оценка показателей ходовых качеств вагона модели 61-907 на тележках моделей 68-908 (68-909) при движении с различными скоростями, в том числе с конструкционной, в полностью экипированном порожнем состоянии на магистральных участках железнодорожной пути.
Испытания проводились в соответствии с программой и методикой ходовых динамических испытаний [119] при участии и контроле представителей ОАО «НВЦ «Вагоны».
При испытаниях одна тележка вагона оборудовалась первичными измерительными преобразователями, которые связывались с регистрирующей аппаратурой кабелем. Для измерения вертикальных и поперечных ускорений использовались датчики КТ-161-1, которые позволяли производить измерения в диапазоне ± 5g с частотой до 200 Гц и относительной погрешностью не более 3 %.
Измерение относительных ч деформаций производилось тензорезисторами КФ5П1-10-200, КФ5П1-20-200 в соответствии с «Техническим описанием и инструкцией по наклейке» АЖВ2.782.001 ТО при помощи микропроцессорной многоканальной системы ММТС 64.01.
Для градуировки схем измерения рамной силы использовался образцовый динамометр ДОСМ-3-50У (диапазон измерения до 50 кН). Средства измерения и бригада испытателей размещались в испытуемом вагоне. Датчики вертикального и горизонтального ускорения устанавливались в зоне пятника на хребтовой балке вагона. Для измерения относительного вертикального динамического перемещения в буксовой и центральной ступени подвешивания использовались тензометрические прогибомеры, установленные с двух сторон тележки.
Схема наклейки тензометрических преобразователей для измерения боковой силы, действующей от колесной пары на раму тележки (с индексом Г), и коэффициента вертикальной динамики (с индексом В) приведена на рисунке 3.20. Измерения производились на первой и второй по ходу движения колесной паре с двух сторон.
Градуировка системы измерения коэффициента вертикальной динамики по напряжениям в раме производилась путем подъемки вагона на домкратах до полной обезгрузки тележек.
Градуировка системы измерения горизонтальных рамных сил по напряжениям производилась путем установки силоизмерительных домкратов между ободом колеса и рамой тележки (в свободном состоянии).
Перед проведением испытательных поездок производилась обкатка вагона на испытательных участках пути с произвольными скоростями движения.
В процессе поездок регистрировались динамические процессы во всех диапазонах скоростей движения от 10 до 120 км/ч (в кривых до допускаемой скорости) с шагом 10-20 км/ч. Суммарная продолжительность записей (реализаций) исследуемых процессов на каждом участке пути в каждом интервале скоростей движения составила не менее 180 с с частотой опроса 100 Гц. Общий объем длительности измерений основных процессов во всем диапазоне скоростей движения вагона составил не менее 50 мин.
При проведении поездок регистрировались величины и процессы, перечисленные в таблице 3.12.
При обработке данных для определения показателей качества хода учитывались частоты колебаний до 20 Гц.
При обработке экспериментальных данных расчетным путем определялись следующие показатели динамических ходовых качеств вагонов:
- коэффициент запаса устойчивости против схода колеса с рельсов;
- коэффициент запаса устойчивости от бокового опрокидывания;
- коэффициент вертикальной динамики;
- показатель плавности хода вагона.
Коэффициент запаса устойчивости колеса от схода с рельса при взаимодействии вагона с неровностями пути на прямых участках определялся по формуле
Коэффициенты вертикальной динамики кузова определялись по временной реализации прогибов в центральном подвешивании как максимальные значения, отнесенные к статическому прогибу.
Коэффициенты вертикальной динамики рамы тележки определялись по временной реализации прогибов в буксовом подвешивании как максимальные значения, отнесенные к статическому прогибу буксового подвешивания.
Показатель плавности хода вычислялся по ОСТ 24.050.16 [112].
Оценка ходовых качеств и безопасности движения вагона производилась путем сопоставления полученных экстремальных величин с нормативами [97, 98, 150]. Экстремальные достигнутые в испытаниях величины динамических показателей приведены на рисунках 3.21 — 3.27.
В результате ходовых динамических испытаний пассажирского вагона модели 61-907 на тележках моделей 68-908 (68-909) было установлено, что полученные экспериментальные величины контрольных показателей динамических качеств при движении по стрелочным переводам, прямым и кривым участкам пути со скоростями до 120 км/ч соответствуют установленным требованиям [97, 98, 104, 150]. При этом:
— максимальный коэффициент вертикальной динамики рамы кузова составил 0,34, что ниже допускаемого значения 0,35;
— максимальный коэффициент вертикальной динамики рамы тележки составил 0,31, что ниже допускаемого значения 0,40;
— максимальное вертикальное ускорение рамы кузова составило 0,34 g, что ниже допускаемого значения 0,35 g;
— максимальное горизонтальное ускорение рамы кузова составило 0,29 g, что ниже допускаемого значения 0,30 g;
— максимальная рамная сила в долях статической осевой нагрузки составила 0,19, что ниже допускаемого значения 0,25;
— максимальный показатель плавности хода составил 3,10 в горизонтальном направлении и 3,16 в вертикальном, что ниже допускаемого значения 4,0 и соответствует оценке «удовлетворительно» (не более 3,25);
— минимальный коэффициент устойчивости колеса от схода с рельсов составил 2,1, что выше минимально допускаемой величины 2,0;
— минимальный коэффициент устойчивости вагона от опрокидывания в кривой составил 3,13, что выше минимально допускаемой величины 1,4.
