Оценка динамических качеств пассажирского купейного вагона модели 61-779 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.454.22.015

А. Н. ПШИНЬКО, С. В. МЯМЛИН, П. А. ЯГОДА (ДИИТ),

A. В. ДОНЧЕНКО (Украинский научно-исследовательский институт вагоностроения), Л. М. ЛОБОЙКО (Укрзализныця),

B. И. ПРИХОДЬКО, Г. С. ИГНАТОВ (ОАО «Крюковский вагоностроительный завод»)

ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ПАССАЖИРСКОГО КУПЕЙНОГО ВАГОНА МОДЕЛИ 61-779

У статп наведено розрахунок основних нормуемих динамiчних показник1в нового пасажирського вагона для швидкостi 160 км/год.

В статье представлен расчет основных нормируемых динамических показателей нового пассажирского вагона для скорости 160 км/ч.

In article accounting of main standard dynamic characteristics of new passenger car for velocity of 160 km/h described.

Для оценки динамических качеств новых рельсовых экипажей на стадии проектирования, как правило, выполняют расчеты по определению основных динамических показателей в сравнении с нормируемыми величинами из нормативной литературы [1]. К нормируемым величинам относятся: коэффициент вертикальной динамики, коэффициент горизонтальной динамики, коэффициент запаса устойчивости вагона от опрокидывания, коэффициент запаса устойчивости колеса против схода с рельсов. Эти показатели оцениваются для различных вариантов загрузки. В данном случае, для пассажирского вагона - это вариант порожнего вагона и вагона с пассажирами.

Исходные данные для расчета:

- вес вагона порожнего (расчетный) & = 618 кН;

- вес вагона с пассажирами Qв п = 660 кН;

- вес кузова порожнего Qк = 476 кН;

- высота центра тяжести кузова порожнего от УГР Нк = 2,163 м;

- вес кузова с пассажирами Qк п = 518 кН;

- высота центра тяжести кузова с пассажирами от УГР = 2,119 м;

- длина вагона по осям сцепления автосцепок 2 Ьс = 26,696 м;

- высота автосцепки над УГР Иа = 1,06 м;

расстояние между кругами катания колес 2Б = 1,58 м;

- скорость движения вагона V = 160 км/ч (44,44 м/с);

- вес надрессорной балки Qб = 6 кН;

вес пружин центрального рессорного подвешивания одной тележки Ql = 0,307 кН;

- вертикальная жесткость центрального рессорного подвешивания одной тележки Св1 = 2659,22 кН/м;

- вес рамы тележки Qрт = 14,68 кН;

- вес пружин центрального рессорного подвешивания одной тележки Ql = 0,307 кН;

- вертикальная жесткость центрального рессорного подвешивания одной тележки Св1 = 2659,22 кН/м;

- вес пружин буксового рессорного подвешивания одной тележки Q2 = 0,312 кН;

- вертикальная жесткость буксового рессорного подвешивания одной тележки Св2 =6567,064 кН/м;

- вес котловой тележки Qтl = 74,0 кН;

- вес котловой тележки Qт2 = 68,0 кН;

- высота центра тяжести тележки от УГР Нцт = 0,6 м;

- боковая проекция кузова £к = 98 м2;

- высота центра тяжести боковой проекции

*

кузова от УГР пв к = 2,7 м;

- боковая проекция тележки £т = 6,8 м2;

- высота центра тяжести боковой проекции тележки от УГР Ив т = 0,6 м;

- число осей вагона п = 4 ;

расстояние между центрами рессорных комплектов 2b = 2,036 м;

- высота от УГР до верхней плоскости центрального рессорного комплекта в свободном состоянии кр = 0,609 м.

Коэффициент вертикальной динамики

Коэффициент вертикальной динамики Кдв

рассматривается в [1, п. 2.2.2] как случайная функция с вероятностным распределением вида:

(

Р (кд.в ) = 1 - ехР

v

_П зв 32 4 к 2 кд.в

к = кдв 4 . 1п 1

"" Р ^ 1 _Р(д.в)

д. в

/с

1

с.т

/ (^ =-

Уст

2С,

в1

Ок.п + 2 (б + 81 + Ор.т + 1/302 )

2С,

в2

= 518 + 2 (6 +1/30,307) = 2•2659,22

518 + 2 (6 + 0,307 +14,68 +1/3 • 0,312) = 2•6567,064 =

= 0,142 м,

где /с(т) - статический прогиб рессорного подвешивания порожнего вагона

, (2) = 8к + 2 (Об +1/381)

/ст

2С,

в1

+

Ок + 2 (Об + О1 + Ор.т +1 / 302)

2С,

в2

476 + 2 (6 +1/30,307 ) 2•2659,22

+

Коэффициент кдв определяется как квантиль этой функции при расчетной односторонней вероятности Р (кдв ) по формуле:

+

где кд в - среднее вероятное значение коэффициента вертикальной динамики

к~ = а + 3,6.10_4 • Ь • У _15

Д.В 7

476 + 2 (6 + 0,307 +14,68 +1/3 • 0,312) = 2•6567,064 =

= 0,131 м . • для вагона с пассажирами

--. 44 44 _ 15

кдв = 0,05 + 3,6.10_4 .1 ^ _ = 0,125;

0,142

где а - коэффициент, равный для элементов кузова 0,05; Ь - коэффициент, учитывающий влияние числа осей п = 2 в тележке или группе тележек под одним концом экипажа

, п + 2 2 + 2 ,

Ь =-=-= 1,

2п 2 • 2

V - расчетная скорость движения; /с(т1) - статический прогиб рессорного подвешивания вагона с пассажирами

,(1) = 0к.п + 2 (Об +1/301) +

для порожнего вагона

--. 44 44 _ 15

кдв = 0,05 + 3,6 -10 -1—-= 0,131.

д.в 0,131

Р - параметр распределения, уточняется по экспериментальным данным, для деталей пассажирских вагонов при существующих условиях эксплуатации р = 1; Р (кд в ) - при расчетах

на прочность по допускаемым напряжениям принимается 0,97;

• для вагона с пассажирами

0,125 4, 1

к = --. -1п-= 0,264;

дв 1 1 _ 0,97

для порожнего вагона

кд. = М! 4щ_!_ = 0,277.

дв 1 \л 1 _ 0,97

Для шкворневых узлов рамы значение расчетного коэффициента вертикальной динамики определяется с учетом влияния перевалки кузова вагона по формуле:

СГ = кдв (1 + у),

где у - коэффициент, который рекомендуется принимать у = 0,2.

Для груженого вагона

к^15 = 0,264 (1 + 0,2) = 0,316. Для порожнего вагона

¿да™ = 0,277 (1 + 0,2) = 0,332.

Таблица 1

Нормативные значения кд

Оценка хода вагона Коэффициент вертикальной динамики кузова

Отличный 0,1

Хороший 0,15

Удовлетворительный 0,20

Допустимый 0,35

Непригодный 0,70

д.г

кГ 1д.г У

кд г = ^ 4 ' 1П1 - ^(кд.г )

= 0,099 - • 1п-

1 - 0,97

= 0,21,

где Ь - коэффициент, учитывающий влияние числа осей п в тележке или группе тележек под одним концом экипажа, 5 - коэффициент, учитывающий тип ходовых частей вагона, для пассажирских вагонов - 5 = 0,002; V - расчетная скорость движения.

Таблица 2

Нормативные значения кд г

Оценка хода вагона Коэффициент вертикальной динамики кузова

Отличный 0,05

Хороший 0,10

Удовлетворительный 0,15

Допустимый 0,25

Непригодный 0,40

В соответствии с [1, п. 3.4.1]:

- для вагона с пассажирами кд в = 0,264, ход вагона допустимый;

- для порожнего вагона кд в = 0,277 , ход вагона допустимый.

Коэффициент горизонтальной динамики

Коэффициент горизонтальной динамики Кд г

рассматривается в [1, п. 2.3.1] как случайная функция с вероятностным распределением вида:

Г >

Р (д.г ) = 1 - ехР -

Коэффициент кдг определяется как квантиль этой функции при расчетной односторонней вероятности Р (кдг) = 0,97 по формуле:

В соответствии с [1, п. 3.4.1]: - для пассажирского вагона кд.г = 0,21, ход вагона допустимый.

Коэффициент запаса поперечной устойчивости вагона от опрокидывания под действием боковых сил ку о

При оценке устойчивости вагона от опрокидывания рассматривается его движение с максимальной скоростью. При этом учитываются центробежные и ветровые нагрузки, поперечные смещения от центрального положения оси вагона центров тяжести кузова и тележки в результате относительных поперечных зазоров между ними и боковых наклонов кузова за счет односторонних просадок рессорных комплектов при действии боковых опрокидывающих моментов.

Коэффициент запаса устойчивости вагона от опрокидывания определяется по формуле

Р

к — __ст

ку.о = р

>

[ку.о ] ,

где кд.г - среднее вероятное значение коэффициента горизонтальной динамики

— Ь5( 5 + V) — 1 • 0,002 (5 + 44,44) — 0,099,

где Рст - статическая вертикальная сила давления колеса на рельс; Рдин - динамическая вертикальная сила давления колеса на рельс, вызванная действием поперечных сил с учетом перемещений центров тяжести кузова и тележки; |ку.о ] - допускаемый коэффициент запаса

устойчивости от опрокидывания.

Силы Рст и Рдин определяются по формулам:

вагон порожний

Р =

ст

&

2п

Р =

дин

Н И + Н Л^ + ^в.к ^к + Рв.тИ.т + п25

°к А к +(( + °т2 )А т ,

+

вагон с пассажирами Ов.п

п25

(*)

Р =-

ст

2п

н И + н И + Р И + НИ

Р _ к"к.п ^ т"ц.т ^ в.к"в.к ^ -1 в.т"в.т

дин

+

п25

°к.п Ак +(°т1 + °т 2 )А т

п25

(*)

• для груженого вагона

И = и* _(/-а) _ /-(2)) =

"к.п "к.п 1/ст Уст I

= 2,119 _(0,142 _ 0,131) = 2,188

м,

Ив к, Ив т до геометрических центров боковых проекций кузова и тележки соответственно при прогибе рессорного комплекта от статической нагрузки:

• для груженого вагона

И = И* _( Л1) _ /-(2)) =

в.к в.к \уст Уст I

= 2,7 _(0,142 _ 0,131) = 2,689

м

где Рк, р - боковые силы, действующие на кузов и тележку, равные разности центробежных сил и поперечных составляющих сил тяжести, возникающих вследствие возвышения наружного рельса, для пассажирских вагонов принимается 10 % от силы тяжести;

• для груженого кузова

н = Оы • 0,1 = 518 • 0,1 = 51,8 кН;

• для порожнего кузова

Н = Ок • 0,1 = 476• 0,1 = 47,6 кН;

• для груженого и порожнего вагона

Р =(От1 + От2 ) 0,1 = (68 + 74)• 0,1 = 14,2 кН.

Рв к, Рв т - силы давления ветра на кузов и тележку:

• для кузова

рвк = 5 • рв = 98 • 0,500 = 49 кН;

• для тележки

рвт = 5т • рв = 6,8 • 0,500 = 3,4 кН;

5к, 5т - площадь боковой проекции кузова вагона и боковой проекции тележки соответственно; рв = 0,500 кПа - удельное давление ветра; Ик п, Ик, Иц т - высота от уровня головок

рельсов до центров тяжести кузова с пассажирами, порожнего и тележки соответственно, при прогибе рессорного комплекта от статической нагрузки:

Иа - высота от уровня головок рельсов до продольной оси автосцепок; Ак, Ат - суммарные, параллельные плоскости головок рельсов перемещения центров тяжести кузова и тележки относительно центрального положения продольной оси вагона.

Суммарное смещение центра тяжести кузова Ак в общем случае образуется за счет: А1 = 7 мм - поперечного одностороннего перемещения из центрального положения рам тележек относительно букс колесных пар; А2 = 43 мм - то же для надрессорных балок относительно рам тележек; А3 = 3 мм - то же для пятников (шкворневых устройств) рамы кузова относительно надрессорных балок; А4 -установочного (технологического) поперечного смещения (отклонения) продольной оси кузова относительно продольной оси, проходящей через центры пятников (шкворневых устройств). Для вагонов длиной до 16 м допускается принимать равной 10 мм, для более длинных вагонов - с увеличением пропорционально длине А4 = 26,1(10/16) = 16 мм; А5 - смещения центра тяжести кузова при боковом наклоне кузова за счет зазоров между скользу-нами кузова и тележек, при жесткой опоре на скользуны А5 = 0 =0 мм; А6 - смещение центра тяжести кузова при боковом наклоне кузова за счет одностороннего прогиба рессор при действии боковых сил

А6 =

Ь

(Ик Иресс ),

где А/ - дополнительный прогиб рессор с догружаемой стороны вагона и такой же подъем рессор с разгружаемой стороны при

действии боковых сил; 2Ь - поперечное расстояние между центрами рессорных комплектов; Иресс - высота от уровня головок рельсов

до верхней плоскости центров рессорных комплектов:

• для груженого вагона

С = Св1 Х Св2

ресс

— Ир - — 0,609 - 0,142 — 0,467 м;

А/ — 0,0955 м,

Л6 — у" (Ик - Иресс ) —

0,0955

(2,188 - 0,467) — 0,161

2,036/2 для порожнего вагона

— И - /2 — 0,609 - 0,131 — 0,478 м.

м;

ресс р Jст

А/ — 0,0888 м;

А6 — Ь (( - Иресс ) — 0,0888

2,036/2

(2,163 - 0,478) — 0,147 м;

( + Св2 )

— 2659,22•6567,064 —(2659,22+6567,064)

—1892,774 кН/м;

• для груженого вагона

А к — А1 +А 2 +А 3 +А 4 +А 5 +А 6 —

— 7 + 43 + 3 + 0 +161 — 214 мм;

• для порожнего вагона

А к — А1 +А 2 +А 3 +А 4 +А 5 +А 6 —

— 7 + 43 + 3 + 0 +147 — 200 мм.

Значение Ат для всех типовых вагонов рекомендуется принимать равным 8 мм.

При расчете необходимо проверить соответствие опрокидывающего момента, создаваемого действующими на кузов силами (числитель формулы (*)), реактивному моменту рессорного подвешивания определенному по формуле:

Мреакт — а/ Жугл — А/ • 2Ь • Св,

где Жугл — 2Ь 2Св - угловая жесткость рессорных комплектов вагона; Св - вертикальная жесткость рессорных комплектов одной стороны вагона

Проверяем соответствие опрокидывающего момента, создаваемого действующими на кузов силами (числитель формулы (*)), реактивному моменту рессорного подвешивания:

• для груженого вагона

М — ЕИ + ЕИ + Е И + Е И +

1У± опр 1 к"к.п ~ 1 т"цг в.к"в.к ~ 1 в.т"в.т ~

+Qк.п Ак +(Qт1 + 0т 2 )А т —

— 51,8 • 2,188 +14,2 • 0,6 + 49 • 2,689 + 3,4 • 0,6 + +518• 0,214 + (74 + 68)0,008 — 368 кН• м;

Мреакт —А/ • 2Ь • Св —

— 0,0955• 2,036• 1892,774 — 368 кН• м.

Данное условие выполняется:

• для порожнего вагона

М — ЕЙ + ЕЙ + Е К + Е И +

-'"опр 1 к"к ^ т"цт в.к"в.к ^ 1 в.т"в.т ^ +Qк.п Ак +(Qт1 + )Ат —

— 47,6 • 2,163 +14,2 • 0,6 + 49 • 2,7 +

+3,4 • 0,6 + 476 • 0,200 + (74 + 68) 0,008 —

— 342,2 кН• м;

Мреакт —А/ • 2Ь • Св —

— 0,0888 • 2,036 • 1892,774 — 342,2 кН • м.

Данное условие выполняется. Формула для определения А6 действительна при соблюдении условия

А/ < К • /Ст

(значение К и /ст принимается согласно [1, п. 7.3.3.]), где К - коэффициент конструктивного запаса для пассажирских вагонов равен 1,5;

А/ — 0,0955 < 1,5• 0,142 — 0,213 мм (условие выполняется);

А/ — 0,0888 < 1,5 • 0,131 — 0,196 мм (условие выполняется).

Данное условие выполняется во всех случаях при определении А6 .

Определение коэффициента устойчивости груженого вагона от опрокидывания:

Рст = = 82,5 кН ;

2 • 4

Р = 51,8 • 2,188 + 14,2 • 0,6+49 • 2,689 дин" 4-1,58 +

3,4 • 0,6 + 518 • 0,214 + (74 + 68) 0,008

4-1,58

= 58,17 кН,

где Р - угол наклона образующей конусообразной поверхности гребня колеса к горизонтальной оси (Р = 60°); ц - коэффициент трения (ц = 0,25);

Рв1 - вертикальная составляющая силы реакции набегающего колеса на головку рельса

Рв1 = 2Ош

Ь _а2Л Г )_ Ьк

-(( кдв1)

дбк

Г

+нР 7

Ь _ а.

2 .

7

Рв2 - вертикальная составляющая силы реакции ненабегающего колеса на головку рельса;

Рв2 = 2Ош

к у.о = Р^=1л5=1,42ку.° ] =1,4

дин

(выполняется).

Определение коэффициента устойчивости порожнего вагона от опрокидывания:

Рст = — = 77,25 кН ст 2 • 4

Ь-^(\-г )+Ьк

7 ^ кдв1)+ 7 кдбк

н Р

Ь _ а,

7

7

Рб - горизонтальная составляющая силы реакции набегающего колеса на головку рельса, действующая одновременно с Рв1 и Рв2

Рб = нр

ЦРв

Р = 47,6 • 2,163+14,2+-0,6 + 49 • 2,7 дин" 4^58 +

3,4 • 0,6 + 476 • 0,200 + (74 + 68)- 0,008

4-1,58

= 54,04 кН,

куо =-РР= 7725 = 1,43 >[ ку.о ] = 1,4.

Р 54 04

дин ^-г, ^-Г

Оценка устойчивости колеса против схода с рельсов

Оценка устойчивости колеса против схода с рельсов проводится в соответствии с [1, п. 3.4.3], исходя из независимости процессов вертикальных и горизонтальных колебаний и колебаний боковой качки вагона

Коэффициент устойчивости колесной пары против схода с рельса (по условию вкатывания) определяется по формуле:

Ку с = в - —^

ус р

Рб

где

в= = г§6°°_°,25 =1,034,

1 + Р 1 + 0,25-^60°

дк п - сила тяжести необрессоренных частей, приходящихся на колесную пару дкп = 13,768 кН

(колесная пара с буксами); ОЩГ - сила тяжести обрессоренных частей вагона, действующая на шейку оси колесной пары: • порожний вагон

Ост =

Ов _ пдкп = 618 _ 4-13,768

2п 2 - 4

вагон с пассажирами

= 70,356 кН,

Ост =

ш

Ов _ пдк.п = 660 _ 4 -13,768 2п ~ 8

= 75,606 кН;

к.

д.в1

- среднее значение коэффициента вертикальной динамики, приближенно принимается кд в1 = 0,75кд в для обрессоренных частей: • порожний вагон

кд.В1 = 0,75кд.в = 0,75 - 0,131 = 0,098,

вагон с пассажирами

к

д.бк

кд.в1 = 0,75кд.в = 0,75 - 0,125 = 0,094;

- среднее значение коэффициента верти-

кальной динамики, приближенно принимается

кд.бк = 0,25кд.в :

порожний вагон

Рв2 — 20Ш

кд бк — 0,25кдв — 0,25 • 0,131 — 0,033 :

вагон с пассажирами

Ь - а,

I

1 (1 - кд.в1 )

кдбк — 0,25кдВ — 0,25 • 0,125 — 0,031; Нр - среднее значение рамной силы, вычисляется при среднем значении к г ,

р I шп I

- Н

1,018 - 0,264

Ь - а

1д.бк

— 2 • 70,35 Х

1,555

(1 - 0,098) + ^-0,033 У ' 1,555

Нр — Р0 • кд.г

Р0 - осевая нагрузка • порожний вагон

0в 618

Р0 — ^ —-— 154,5 кН

п

Н — Р0 •к — 154,5• 0,099 — 15,295 кН ,

вагон с пассажирами

— Оп — 660 —165 кН

Нр — Р0 •кд г — 165 • 0,099 — 16,335 кН;

2Ь - расстояние между серединами шеек оси (2Ь — 2,036 м); I - расстояние между точками контакта колес с рельсами (I —1,555 м); а1 -расстояние от точки контакта колеса с рельсом до середины шейки со стороны набегающего колеса ( а1 — 0, 264 м); а2 - расстояние от точки контакта колеса с рельсом до середины шейки со стороны сбегающего колеса (а2 — 0,217 м); г - радиус колеса (г — 0,45 м); • порожний вагон

_15,295..0.41 +13,768.11,018 - 0.264 —

1,555 1,555

— 66,802 кН,

Рб — Нр +МРв2 —

—15,295 + 0,25 • 66,802 — 31,996 кН, • вагон с пассажирами

Рв1 — 20Ш

2 ( кд.в1) Ь кд.

I

бк

г

+Н -

Ь - а2

р I ^кп I

— 2 • 75,606 х

Ш8 - 0■217.(l - 0,094)-10180,031

У ' 1,555

1,555

^ 0,45 1,018-0,217

+16,335 • —— +13,768 •

+

1,555

1,555

— 79,325 кН,

Рв2 — 2QШ

^Л - к ) +Ьк I V1 Лд.в1)+ I д.бк

г

- Н -

Ь - а

р I 1КП I

— 2^75,606х

Рв1 — 2Й

Ь - ^(1 - кд.в1)-^

I

д.бк

Ш8 - °-2М(1 - 0,094) + i■01i.0■031

1,555

+Н

Ь - а2

р ^ 1 ^к.п

■ — 2 • 70,356 х

1,555 1,018 - 0,264

1,018-0,217 • (1 -0,098)-1^^0,033 1,555 у ; 1,555

0, 45

-16,335 • -+13,768

1,555 1,555

Рб — Нр + МРв 2 —

— 71,499 кН,

+15,295 •-045. +13,768'1,018 - °-217

1,555

1,555

— 73,873 кН,

— 16,335 + 0,25 • 71,499 — 34,21 кН .

Допустимый коэффициент устойчивости колеса против схода с рельсов для пассажирских вагонов [Ку с ] — 2 .

X

Х

Коэффициент устойчивости колеса против схода с рельсов:

• порожний вагон

Кус =8-РР1 = 1,034= 2,388 >[Кус] = 2,

у.с

Рб

б

31,996

условие выполняется; • вагон с пассажирами

Кус =в--Рв1 = 1,034- 79,325 =2,398 >[Ку с] = 2,

у.с

Рб

б

34,210

условие выполняется.

Выводы

Коэффициент вертикальной динамики:

• вагон с пассажирами

кд.в = 0,264,

оценка хода вагона - допустимый [0,35];

• вагон порожний

кд.в = 0,277,

оценка хода вагона - допустимый [0,35]. Коэффициент горизонтальной динамики:

кд.г = 0,21,

оценка хода вагона - допустимый [0,25].

Условие по запасу устойчивости вагона выполнено.

Коэффициент запаса устойчивости вагона с пассажирами от опрокидывания

ку.о = 1,42 > [ку.о] = 1,4.

Коэффициент устойчивости порожнего вагона от опрокидывания

ку.о = 1,43 > [ку.о ] = 1,4.

Условие по запасу устойчивости колеса против схода с рельсов выполнено.

Устойчивость колеса против схода с рельсов вагона с пассажирами

КуЛ = 2,398 >[ КуЛ ] = 2.

Устойчивость колеса против схода с рельсов порожнего вагона

Ку, = 2,388 >[ КуЛ ] = 2.

Таким образом, все нормируемые динамические показатели пассажирского вагона модели 61-779 не превышают допускаемые величины, а показатели устойчивости имеют достаточный запас, что свидетельствует о хороших качествах хода вагона. Проведенные в дальнейшем динамические ходовые испытания полностью подтверждают выполненные расчеты.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Нормы для расчета и проектирования новых

и модернизируемых вагонов железных дорог

МПС колеи 1520 мм (несамоходных): ВНИИВ-

ВНИИЖТ. - 1983.

Поступила в редколлегию 07.02.2005.