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.