Результаты поездных испытаний тележки 18-9855
Совершенствование конструкций подвижного состава неразрывно связано с изучением условий эксплуатации, которые должны находить отражения в разрабатываемых нормативных документах.
В 2013 году ОАО “РЖД” инициирована работа по созданию межгосударственного стандарта “Детали литые тележек железнодорожных грузовых вагонов. Методы ресурсных испытаний” (см. рисунок 3). Назначение режимов ресурсных стендовых испытаний боковых рам и надрессорных балок согласно положениям стандарта должно проводиться после определения их нагруженности в поездных испытаниях.
Рисунок 3. Процентное распределение прямых и кривых
Нагруженность литых деталей, а именно действующие на них силы и возникающие механические напряжения, зависит от комплекса факторов, таких как состояние пути, режим движения поезда, загрузка вагона, динамические характеристики рессорного подвешивания и боковых скользунов. Таким образом, для конкретной конструкции тележки получить репрезентативную картину действующих сил и напряжений можно только по результатам поездных испытаний на участке большой протяженности.
Данные обстоятельства послужили основанием для проведения поездных динамических испытаний тележки модели 18-9855. В ходе проведения испытаний требовалось:
- определить показатели ходовых качеств вагонов, обеспечиваемых тележками, при движении по железнодорожным путям общего пользования и существующем состоянии пути, а также с установленными скоростями движения;
- восстановить силы, действующие на боковую раму и надрессорную балку по зарегистрированным динамическим значениям напряжений, и определить их основные статистические характеристики;
- определить нагруженность боковых рам и надрессорных балок путем оценки эквивалентных значений напряжений в контрольных зонах;
- получить гистограммы распределения динамических сил, а также гистограммы распределения реальных скоростей движения опытного состава.
Выполнение поставленных задач достигалось сочетанием расчетных и экспериментальных методов исследования. На первом этапе были определены возможные силы, действующие на боковую раму и надрессорную балку тележки в процессе движения. На основе соответствующих конечно-элементных расчетов для каждой из нагрузок определялись наилучшие места установки тензорезисторов. В качестве основных критериев выбора зон установки принимались повышенные значения напряжений в области и ее доступность.
В примере (см. рисунок 1) для боковой рамы сначала выбрана вертикальная нагрузка от пружин рессорного комплекта, затем проведен конечно-элементный расчет, и выбраны места наклейки датчиков.
Рисунок 1. Пример выбора мест установки тензорезисторов на боковой раме
Дополнительно в ходе численного анализа проводилось определение коэффициентов влияния действующих сил на напряжения, что позволило оценить вклад различных силовых воздействий на напряженное состояние рассматриваемых элементов тележки. Однако, определение коэффициентов влияния действующих сил только с помощью численных методов недостаточно, поскольку литые детали могут существенно различаться между собой, на пример, по толщинам стенок. После установки тензорезисторов на реальную боковую раму и надрессорную балку масштабные коэффициенты необходимо определить экспериментально.
Для тележки модели 18-9855 на боковой раме были установлены 52 тензорезистора, еще 38 датчиков – на надрессорной балке (см. рисунок 2). Среди действующих на боковую раму сил восстанавливались вертикальная и боковая от пружин подвешивания, вертикальная и боковая компоненты сил трения во фрикционных клиньях, их распор, силы взаимодействия с адаптером. В надрессорной балке определению подлежали вертикальная и продольные силы на подпятник, а также силы на боковых скользунах.
Рисунок 2. Фотография тележки, оборудованной системой измерения
Испытуемая тележка была установлена под полувагон модели 12-9853, который был загружен углём до полной грузоподъёмности. Для поездки был сформирован сцеп по схеме: груженый полувагон – вагон-лаборатория – полувагон модели 12–9853. Движение опытного сцепа осуществлялось в первой трети грузовых составов при следовании по маршруту ст. Алтайская – ст. Хабаровск и обратно. Географически данный маршрут разделен на 5 дорог: Западно-Сибирская, Восточно-Сибирская, Красноярская, Забайкальская и Дальневосточная. Общая длина пути составила 10 676 км. В ходе проведения испытаний температура окружающего воздуха колебалась в пределах от +5°С до -12°С.
В ходе обработки зарегистрированных процессов для каждого из отрезков маршрута выделялись характерные участки пути: прямые, кривые, стрелки. Получившиеся процентное распределение прямых и кривых представлено на рисунке 3. Полученное в ходе поездных испытаний распределение скоростей опытного сцепа представлено на рисунке 4.
Рисунок 4. Распределение скоростей грузового вагона
Анализ приведенных данных позволяет сделать вывод о том, что выбранный маршрут является репрезентативным как по профилю пути, так и по скоростям движения грузового подвижного состава. Полученные динамические качества вагона по методике показали, что колебания обрессоренных частей вагона составили не более 53 % от допускаемых. Боковая рамная сила во всех случаях также значительно ниже допускаемой и составила не более 80 % от нее.
Также в процессе обработки экспериментальных данных были проведены вычисления эквивалентных амплитуд напряжений в наиболее нагруженных зонах боковой рамы и надрессорной балки. Для примера, для зоны внутреннего радиуса буксового проема значение эквивалентной амплитуды, приведенной к пробегу 4 млн. км за срок службы, составило 33-38 МПа, для зоны нижнего радиуса рессорного проема 26-31 МПа. Зоны наклонного пояса практически не нагружены, эквивалентные амплитуды напряжений не превышают 10 МПа.
Обработка результатов испытаний для получения сил проводилась с помощью метода линейного регрессионного анализа на основе зарегистрированных динамических напряжений. Для боковой рамы максимальная динамическая составляющая силы в рессорном проеме в вертикальном направлении не превысила 100 кН, на колонки в поперечном направлении – 60 кН, продольная распорная нагрузка составила не более 45 кН. Для надрессорной балки вертикальная сила в подпятнике лежит в пределах до 180 кН, в скользунах – до 100 кН, продольная инерционная сила – до 120 кН.
Полученные результаты будут использоваться для выбора режимов стендового пространственного нагружения рам и балок.
А.М. Орлова, д-р. техн. наук, ПАО «НПК ОВК»
Д.В. Шевченко, канд. техн. наук, ООО «ВНИЦТТ»
Т.С. Куклин, ООО «ВНИЦТТ»
С.В. Дмитриев, ООО «ТИЦ ЖТ»