CC BY
43
^ ПРОБЛЕМАТИКА ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
УДК 629.4.01
Разработка новых методов измерения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары при движении вагона
Ю. П. Бороненко 1, Р В. Рахимов 1, А. В. Белянкин 2
1 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
2 ООО «Тихвинский испытательный центр железнодорожной техники», Российская Федерация, 187556, Ленинградская область, Тихвин, Промплощадка, 6, стр. 1
Для цитирования: Бороненко Ю. П., Рахимов Р. В., Белянкин А. В. Разработка новых методов измерения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары при движении вагона // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. -Т. 17. - Вып. 1. - С. 7-22. Б01: 10.20295/1815-588Х-2020-1-7-22
Аннотация
Цель: Выбор мест расстановки тензорезисторов и способа обработки их сигналов, обеспечивающих максимальную точность измерения величины вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары при движении вагона. Методы: Использованы статистические, аналитические и экспериментальные методы. Выполнены теоретические исследования напряженно-деформированного состояния боковой рамы тележки модели 18-9855 с использованием метода конечных элементов при действии нагрузок на буксовом проеме от колесной пары. Результаты: Определены места установки тензорезисторов и способ обработки получаемых сигналов, обеспечивающих измерения вертикальных сил с погрешностью не более 4 %. Выявлено, что традиционная схема установки тензорезисторов для измерения боковых (рамных) сил, действующих на раму тележки от колесной пары, согласно ГОСТ 33788-2016, при соединении тензорезисторов в два полных моста с четырехпроводной схемой подключения с дальнейшей обработкой сигналов позволяет применить схему одновременно для измерения вертикальных и боковых (рамных) сил. Это дает возможность, не увеличивая количество измерительных каналов в аппаратуре, сократить количество тензорезисторов для измерения рассматриваемых сил при проведении ходовых динамических испытаний. Практическая значимость: Для подтверждения выбора мест расстановки тензорезисторов и способа обработки их сигналов, обеспечивающих максимальную точность измерения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары, рекомендуется разработанный метод проверить экспериментальным путем и при подтверждении теоретически полученных результатов использовать их при проведении ходовых динамических испытаний.
Ключевые слова: Ходовые динамические испытания, коэффициент динамической добавки, рамная сила, боковая рама, нагрузка, места установки тензорезисторов, схема соединения тензорези-сторов, цифровое моделирование, масштабный коэффициент, виртуальное испытание.
Введение
Ходовые динамические испытания являются одним из основных этапов отработки конструк-
ции разрабатываемого нового подвижного состава и оценки его динамических качеств [1, 2].
При оценке ходовых динамических качеств грузовых вагонов важное значение имеет точное
измерение коэффициента динамической добавки необрессоренных частей и рамной силы [3]. Данные показатели рассчитываются через значения вертикальных и боковых сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары, и используются при расчете коэффициентов запаса устойчивости от схода колеса с рельса и устойчивости от опрокидывания, что непосредственно относится к вопросам безопасности при движении подвижного состава.
Цель исследования - выбор мест расстановки тензорезисторов и способа обработки их сигналов, обеспечивающих максимальную точность измерения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары при движении вагона.
Существующие методы измерения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары
По действующей нормативно-технической документации ГОСТ 33788-2016 [4] традиционная схема измерения вертикальной силы, через которую рассчитывается коэффициент динамической добавки, состоит из двух тензорезисто-ров, установленных на поверхности радиуса, образованного зоной перехода от верхнего пояса
боковой рамы к наклонному поясу в сечениях I-I и 0I-0I (рис. 1). Тензорезисторы собираются в схему, которая суммирует сигналы от этих тен-зорезисторов.
На практике также используется схема измерений, применяемая испытательными центрами, где тензорезисторы размещаются на верхней наружной части верхнего пояса боковой рамы над радиусом, образованном зоной перехода от верхнего пояса к наклонному поясу боковой рамы в сечениях II-II и 0II-0II (рис. 1).
Также известен способ измерения вертикальных сил [5, 6], включающий установку двух тен-зорезисторов: активного (1), компенсационного (2), на верхнюю наружную часть верхнего пояса боковой рамы, в надбуксовой зоне, Т-образно (рис. 2, а) по отношению друг к другу или в виде креста (рис. 2, б).
Выполненные исследования [6-8] показывают, что существующие схемы измерения вертикальной силы не позволяют определить ее значение с достаточной точностью. При одновременном действии нескольких сил эти схемы не в полной мере позволяют исключить влияние дополнительных нагрузок, возникающих при движении в кривых участках пути и на стрелочных переводах.
При проведении испытаний было замечено, что вертикальные силы и коэффициент динамической добавки необрессоренных частей в кри-
I-I
01-01
irn
¡LUf
12 к, К: pwwjvvw^
3 4 «î к.
Рис. 1. Схема установки и соединения тензорезисторов для измерения вертикальной силы
на боковой раме тележки: 1-4 - номера тензорезисторов; К1-К4 - компенсационные тензорезисторы
Рис. 2. Схема установки и соединения тензорезисторов для измерения вертикальной силы на боковой раме тележки: 1, 2 - номера тензорезисторов
О 20 40 60 80 100 120
Скорость движения, км/ч
Рис. 3. Зависимость коэффициента вертикальной динамики необрессоренных частей вагона
от скорости движения подвижного состава: а - порожний вагон; б - груженый вагон; 1 - стрелочные переводы; 2 - кривая радиусом 350 м;
3 - кривая радиусом 650 м; 4 - прямая
вых и на стрелочных переводах существенно выше (в 1,5-2,0 раза), чем в прямых участках пути (рис. 3). На наш взгляд, теоретические обоснования данного факта отсутствуют.
Анализ влияния продольных сил на измерения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары
Для изучения выявленной особенности полученных результатов было оценено влияние продольных сил, действующих на тележку в кривых, на вертикальные усилия с помощью стержневой расчетной модели буксового проема боковой рамы тележки. Упрощенная схема и стержневая модель буксового проема боковой рамы тележки в виде стержня переменного сечения в вертикальной плоскости приведены на рис. 4.
Эпюры изгибающих моментов поперечных и продольных сил от вертикальной силы р иллюстрирует рис. 5.
В этом случае в районе сечения 1-1 изгибающий момент прямо пропорционален силе Р г и, регистрируя изгибную деформацию, можно рассчитать вертикальную силу Р следующим образом:
M
U
=
W1E
W1E
P
где E - модуль упругости; W1 - момент сопротивления сечения I-I.
II
2
т
р,
II
Рис. 4. Упрощенная схема (а) и стержневая расчетная схема (б) буксового проема боковой рамы тележки
11 ^ „ I
Эпюра M 2 1
1 Эпю з : pzд pa Q 1
1 Эпю з : i
Pz pa N 1
М„ =PZ12
Qp7rpz
ÍNp = 0
II
Рис. 5. Эпюры внутренних усилий при действии вертикальной силы
Рис. 6. Эпюры внутренних усилий при действии продольной силы
При действии продольной силы Px на наружную челюсть буксы возникающая изгибная деформация в сечении I-I (рис. 6) прямо пропорциональна продольной силе и ее невозможно отличить от деформации от вертикальной силы:
Mf
ei =
1
W1E
W1E
P.
Таким образом, проведенные расчеты показали, что деформации, возникающие на боковой раме при действии продольной силы на наружную челюсть буксы, при принятой схеме измерения по ГОСТ 33788-2016 увеличивают значение вертикальной силы.
Альтернативные методы измерения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары
Учитывая недостатки существующих измерительных схем и с целью поиска новых мест установки тензорезисторов и способа обработки получаемых сигналов, позволяющего с достаточной точностью определить значения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары, были разработаны альтернативные методы.
Специалистами ООО «Тихвинский испытательный центр железнодорожной техники» [9]
в результате статических исследований боковой рамы тележки при действии сил от буксового узла (в трех направлениях) одинаковой величины и изучения эпюр напряжений и деформаций предлагается устанавливать тензорезисторы на верхней наружной части верхнего пояса боковой рамы над технологическим проемом (окном), в местах, нечувствительных к действию продольных и боковых (рамных) сил (рис. 7). Чтобы не принимать во внимание действие боковой (рамной) силы, предлагается наклеивать тензорези-сторы с разных краев в местах, где деформации одинаковые по величине и разные по знаку. При этом тензорезисторы соединяются в полумост для исключения влияния боковой силы.
Для совершенствования такого метода было предложено на верхней наружной части верхнего пояса боковой рамы вместо двух тензоре-зисторов устанавливать один на линии, где напряжения от действия продольных сил меняют знак и равны нулю, а также нечувствительны к действию боковых сил. Анализ эпюр распределения напряжений, возникающих при действии продольных и боковых сил, показал, что из-за размещения на внутренней поверхности рамы кронштейна подвески триангеля линия установки тензорезистора не проходит через середину, а находится на некотором расстоянии от него (уточняется расчетом в зависимости от конструкции боковой рамы).
Следующим способом измерения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележ-
Рис. 7. Схема установки тензорезисторов для измерения вертикальной силы на боковой раме тележки: 1, 2 - номера тензорезисторов
ки от колесной пары, может стать традиционная схема установки тензорезисторов для измерения боковых (рамных) сил, согласно действующей нормативно-технической документации ГОСТ 33788-2016, которая состоит из восьми тензорезисторов, размещенных с двух сторон на верхнем и наклонном поясах боковой рамы тележки (рис. 8). При этом четыре тензорези-стора располагаются на боковой части верхнего пояса боковой рамы над технологическим
окном, четыре других - на наклонном поясе под технологическим окном.
Выполненные конечно-элементные расчеты напряженно-деформированного состояния боковой рамы тележки модели 18-9855 [10] при действии сил от колесной пары показали, что традиционная схема установки тензорезисторов для измерения боковых (рамных) сил, согласно ГОСТ 33788-2016, при соединении тензорези-сторов, как показано на рис. 9, позволяет также
1
Рис. 8. Традиционная схема установки тензорезисторов для измерения горизонтальной силы на боковой раме тележки, согласно ГОСТ 33788-2016: а - вид снаружи; б - вид изнутри; 1-8 - номера тензорезисторов
Рис. 9. Схемы соединения тензорезисторов для измерения вертикальной силы на боковой раме тележки: 1-8 - номера тензорезисторов; и - напряжение измерительного моста; А и - изменение выходного напряжения измерительного моста
Рис. 10. Схема соединения резисторов в два моста для вычисления вертикальных и боковых сил
определить вертикальные силы, действующие на раму тележки от колесной пары.
Величина вертикальной силы, выраженная через деформации в , имеет вид
P = K
1 — ц2
Х (£.1 + £x2 + £x3 + £x4 -— £x 5 — £x 6 — £x 7 — £ж8)'
51 = £x1 +£x 2 £x 7 £x8'
52 = £x3 + £x4 — £x5 — £x6'
выражение (1) можно записать следующим образом:
P = K
(1)
1 — ц2
(£ x1 + £ x 2 — £ x 7 — £ x8) + V+(Sx3 + £x4 — £x5 — £x6) J
E
(3)
= K
1 — ц
-(S + S2).
где Кв - постоянный коэффициент для измерения вертикальной силы, определяемый при градуировке тензометрических схем; Е - модуль упругости; ц - коэффициент Пуассона; в. - линейные деформации, вызванные продольными нормальными напряжениями о . в измерительных точках, расположенных на поверхности боковой рамы тележки.
Если учесть, что
(2)
Чтобы использовать одну схему установки тензорезисторов для измерения вертикальных и боковых (рамных) сил, действующих на раму тележки от колесной пары, тензорезисторы целесообразно соединить в два полных моста с четырехпроводной схемой подключения, как показано на рис. 10. Это позволит получить суммирование и вычитание сигналов ^ и £2.
Тогда из выражений (2) и (3) для вычисления вертикальной и боковой (рамной) сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары при движении вагона, имеем
Рв = Kв
1 -Ц
E
-( Si + S2),
(4)
Рб = (Si - S2).
2
1 -Ц
Таким образом, традиционная схема установки тензорезисторов для измерения боковых (рамных) сил, согласно ГОСТ 33788-2016, при соединении тензорезисторов, как показано на рис. 10 и согласно формуле (4), позволяет также определить вертикальные силы, действующие на раму тележки от колесной пары. Это дает возможность, не увеличивая количество измерительных каналов в аппаратуре, сократить количество тензорезисторов для измерения вертикальных и боковых (рамных) сил, действующих на раму тележки от колесной пары, при проведении ходовых динамических испытаний.
Цифровое моделирование измерений вертикальных сил при ходовых испытаниях
Для дальнейшей оценки точности методов измерения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары при движении вагона по железнодорожным путям, была разработана расчетная модель боковой рамы тележки модели 18-9855 с конечно-элементной сеткой. Она использовалась при
дальнейших расчетах в Ansys Workbench версия 18 и представлена на рис. 11.
Применялись конечные элементы типа So-lid186 размером 10 мм. Элемент Solid186 имеет квадратичные формы с двадцатью узлами, имеющими три степени свободы в каждом узле: перемещения в направлении осей x, y и z узловой системы координат. В качестве системы координат были приняты следующие направления осей системы координат: ось x - продольная, ось у - поперечная, ось z - вертикальная (рис. 11).
Виртуальное определение масштабных коэффициентов
Масштабные коэффициенты рассмотренных методов измерения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки, определялись нагружением боковой рамы тележки: вертикальной силой ^ величиной 10 кН по зонам
в
контакта пружин рессорного подвешивания и рессорного проема боковой рамы (рис. 12).
На основании данного нагружения были определены масштабные коэффициенты:
для метода № 1 - традиционная схема измерения вертикальной силы, согласно ГОСТ 33788-2016:
K =
10
(a,i + а ж 2) 4,1834 = 2,3904 кН/МПа;
Рис. 11. Общий вид расчетной модели боковой рамы тележки 18-9855 с конечно-элементной сеткой
Рис. 12. Кинематические граничные условия при нагружении боковой рамы
вертикальной силой
для метода № 2 - схема измерения вертикальной силы, применяемая испытательными центрами:
К. = Р =
в Кз -1,47889
= -6,7618 кН/МПа;
для метода № 3 - схема измерения вертикальной силы двумя тензорезисторами, установленными на верхней наружной части верхнего пояса боковой рамы над технологическим проемом (см. рис. 7):
к. = = =
в (а Х1 + а х 2) -2,7191 = -3,6777 кН/МПа;
для метода № 4 - схема измерения вертикальной силы одним тензорезистором на верхней наружной части верхнего пояса боковой рамы в месте, установленным расчетом:
Кв = Р = —10— = -8,8324 кН/МПа;
В а Х1 -1,1322
для метода № 5 - схема измерения вертикальной силы восемью тензорезисторами (см. рис. 8):
Р
К. =-в-=
(ах1 +ах2 -ах7 -ах8) + + (ах3 +ах4 -ах5 -ахб)
= 10 = -1,641 Н/МПа. -6,094
Виртуальное восстановление вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары
Далее к расчетной модели боковой рамы тележки 18-9855 были приложены возможные режимы нагружения, возникающие при движении вагона. Вертикальные, продольные и боковые силы были найдены по результатам моделирования движения груженого и порожнего грузового вагона по прямым и кривым участкам пути на программном комплексе «Универсальный механизм». При этом определено, что в груженом и порожнем режимах максимальные значения продольных и боковых сил составляют практически одинаковую долю от величины вертикальных сил. Поэтому при расчетах были рассмотрены вертикальные, продольные и боковые силы, действующие на боковую раму тележки от колесной пары, только при груженом режиме. Схемы нагружения и результаты измерений сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары, и сравнение погрешностей измерения в различных эксплуатационных на-гружениях по результатам расчетов представлены в таблице.
В результате выполненных расчетов было установлено следующее.
При действии вертикальной силы по зонам контакта пружин рессорного подвешивания и рессорного проема боковой рамы (таблица, схема нагружения 1) все методы позволяют максимально точно восстанавливать значения вер-
тикальных сил. Погрешность оказалась равной нулю.
При одновременном действии вертикальной силы по зонам контакта пружин рессорного подвешивания и рессорного проема боковой
Результаты виртуальных измерений сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары, при различных схемах нагружения
Схема нагружения
Вертикальные силы
№ метода
Восстановлен-ные значения, кН
Погрешность,
%
Р = 225 кН
225,00
225,00
225,00
225,00
225,00
Р = 225 кН; Р = 20 кН
208,69
217,70
209,62
216,36
223,38
Р = 225 кН; Р = 20 кН; Р. = 20 кН
R 7 ПИ 7 fi
201,36
217,76
209,32
216,18
222,94
1
2
3
1
4
5
1
2
3
2
4
5
в
ир
1
2
3
4
3
5
Продолжение таблицы
Схема нагружения
Вертикальные силы
№ метода
Восстановлен-ные значения, кН
По-грешность,
%
P = 225 кН; P = 20 кН
217,83
224,61
224,48
224,85
224,73
P = 225 кН; P = 20 кН
в 7 пр
208,70
215,66
222,54
221,14
221,81
P = 225 кН; P = 20 кН; P = 20 кН
R 7 пп 7 г»
201,78
215,91
222,03
220,75
221,49
1
2
3
4
4
5
в
1
2
5
3
4
5
1
2
3
4
6
5
Окончание таблицы
Схема нагружения
Вертикальные силы
№ метода
Восстановленные значения, кН
Погрешность,
%
P = 225 кН; P = 20 кН
R ~ ГТП
249,72
257,50
221,55
229,76
228,56
10,99
14,44
1,53
2,12
1,58
P = 225 кН; P = 20 кН; P = 20 кН
R 7 ПИ " П
243,15
257,65
221,32
229,39
228,26
8,07
14,51
1,64
1,95
1,45
_П£
1
2
3
7
4
5
1
2
3
4
8
5
рамы и продольной силы по площадке контакта клина и стенки рессорного проема боковой рамы (таблица, схема нагружения 2) методы № 2, 4 и 5 позволяют удовлетворительно восстанавливать значения вертикальных сил с погрешностью не более 4 %. Традиционная схема измерения вертикальной силы, согласно ГОСТ 33788-2016, имеет наибольшую погрешность (7,25 %).
При одновременном действии вертикальной и боковой сил по зонам контакта пружин рессорного подвешивания и рессорного проема боковой рамы и продольной силы по площадке контакта клина и стенки рессорного проема
боковой рамы (таблица, схема нагружения 3) методы № 2, 4 и 5 дают возможность удовлетворительно восстанавливать значения вертикальных сил с погрешностью не более 4 %. Традиционная схема измерения вертикальной силы, согласно ГОСТ 33788-2016, показала еще большую погрешность (10,51 %).
При одновременном действии вертикальной и боковой сил по зонам контакта пружин рессорного подвешивания и рессорного проема боковой рамы (таблица, схема нагружения 4) все методы позволяют восстанавливать значения вертикальных сил с погрешностью не более 4 %. При этом максимальная погрешность из-
мерения вертикальных сил методами № 2-5 не превышает 1 %.
При одновременном действии вертикальной силы по зонам контакта пружин рессорного подвешивания и рессорного проема боковой рамы и продольной силы на внутренний опорный упор буксового проема (таблица, схема нагружения 5) методы № 3-5 дают возможность восстанавливать значения вертикальных сил с погрешностью не более 2 %. Для традиционной схемы измерения вертикальной силы, согласно ГОСТ 33788-2016, погрешность уменьшилась, но составила значительную величину (7,24 %).
При одновременном действии вертикальной и боковой сил по зонам контакта пружин рессорного подвешивания и рессорного проема боковой рамы и продольной силы на внутренний опорный упор буксового проема (таблица, схема нагружения 6) методы № 3-5 позволяют восстанавливать значения вертикальных сил с погрешностью не более 2 %. При этом наибольшую погрешность имела по-прежнему традиционная схема измерения вертикальной силы, согласно ГОСТ 33788-2016 (10,32 %).
При одновременном действии вертикальной силы по зонам контакта пружин рессорного подвешивания и рессорного проема боковой рамы и продольной силы на наружный опорный упор буксового проема (таблица, схема нагружения 7) методы № 3-5 дают возможность восстанавливать значения вертикальных сил с погрешностью не более 3 %. Худшие результаты показала схема измерения вертикальной силы, применяемая испытательными центрами (14,44 %).
При одновременном действии вертикальной и боковой сил по зонам контакта пружин рессорного подвешивания и рессорного проема боковой рамы и продольной силы на наружный опорный упор буксового проема (таблица, схема нагружения 8) методы № 3-5 позволяют восстанавливать значения вертикальных сил с погрешностью не более 2 %. Схема измерения вертикальной силы, применяемая испытательными центрами, показала максимальную погрешность (14,51 %).
Таким образом, по результатам проведенной работы установлено:
• метод № 1 - традиционная схема измерения вертикальной силы, согласно ГОСТ 33788-2016, не дает возможность восстанавливать значения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки с достаточной точностью. Максимальная погрешность восстановления сил составляет примерно 11 % (схема нагружения 7);
• метод № 2 - схема измерения вертикальной силы, применяемая испытательными центрами, также не позволяет восстанавливать значения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки с достаточной точностью. Максимальная погрешность восстановления сил -около 14,5 % (схема нагружения 8);
• метод № 3 - схема измерения вертикальной силы двумя тензорезисторами, размещенными на верхней наружной части верхнего пояса боковой рамы над технологическим проемом, не приводит к получению значений вертикальных сил с достаточной точностью. Максимальная погрешность восстановления вертикальных сил - приблизительно 7 % (схема нагружения 3);
• метод № 4 - схема измерения вертикальной силы одним тензорезистором на верхней наружной части верхнего пояса боковой рамы в месте, установленным расчетом, восстанавливает значения вертикальных сил с достаточной точностью. Максимальная погрешность восстановления вертикальных сил не превышает 4 % (схема нагружения 3);
• метод № 5 - схема измерения вертикальной силы восемью тензорезисторами восстанавливает значения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки с максимальной точностью. Максимальная погрешность восстановления вертикальных сил не превышает 1,6 % (схема нагружения 7).
Заключение
Проведенные виртуальные испытания боковой рамы тележки показали, что при действии продольной силы на внутренний опорный упор буксового проема, а также по площадке контакта клина и стенки рессорного проема при принятой схеме измерения по ГОСТ 33788-2016 верти-
кальная сила уменьшается, тогда как при действии продольной силы на наружный опорный упор буксового проема ее значение увеличивается. Это приведет к существенным ошибкам в определении коэффициента динамической добавки необрессоренных частей при ходовых испытаниях.
Выполненные исследования напряженно-деформированного состояния боковой рамы тележки модели 18-9855 с использованием метода конечных элементов при действии нагрузок на буксовом проеме от колесной пары позволили выделить места установки тензорезисторов, обеспечивающих измерения вертикальных сил с погрешностью не более 4 % (методы наклейки тензорезисторов № 4 и 5).
Для подтверждения выбора мест расстановки тензорезисторов и способа обработки их сигналов, обеспечивающих максимальную точность измерения вертикальных сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары, рекомендуется методы № 4 и 5 проверить экспериментальным путем и при подтверждении теоретически полученных результатов использовать их при проведении ходовых динамических испытаний, в ходе которых определяются показатели динамических качеств вагона при его движении по железнодорожному пути.
Библиографический список
1. Анисимов П. С. Испытания вагонов : монография / П. С. Анисимов. - М. : Маршрут, 2004. - 197 с.
2. Вершинский С. В. Динамика вагона : учебник для вузов ж.-д. транспорта / С. В. Вершинский, В. Н. Данилов, В. Д. Хусидов ; под ред. С. В. Вершин-ского. - М. : Транспорт, 1991. - 360 с.
3. ГОСТ 33211-2014. Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам. - М. : Стандартинформ, 2016. - 54 с.
4. ГОСТ 33788-2016. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и динамические качества. - М. : Стандартинформ, 2016. -41 с.
5. Ушкалов В. Ф. К вопросу о влиянии продольных усилий, действующих на боковую раму тележ-
ки грузового вагона, на показатели его вертикальной динамики /В. Ф. Ушкалов, Ю. С. Ромен, А. В. Завер-талюк, В. И. Рубан // Наука и прогресс транспорта. Вестн. Днепропетровск. нац. ун-та ж.-д. транспорта. - 2005. - № 8. - С. 112-114.
6. Манашкин Л. А. Об измерении вертикальных сил в тележках грузовых вагонов / Л. А. Манашкин, С. В. Мямлин, Е. А. Письменный // Наука и прогресс транспорта. Вестн. Днепропетровск. нац. ун-та ж.-д. транспорта. - 2004. - № 5. - С. 132-135.
7. Бороненко Ю. П. Измерение нагрузок, действующих на боковую раму тележки от колесной пары при движении вагона / Ю. П. Бороненко, Ю. Б. Житков, Р. В. Рахимов // Материалы XIV Междунар. науч.-технич. конференции «Подвижной состав XXI века : идеи, требования, проекты». - СПб. : ПГУПС, 2019. -С. 121-124.
8. Рахимов Р. В. Об измерениях вертикальных, продольных и боковых сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары при движении вагона / Р. В. Рахимов // Науч. труды Республиканск. науч.-технич. конференции с участием зарубежных ученых «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте». - Ташкент : ТашИИТ, 2019. - С. 102-110.
9. Белянкин А. В. К вопросу экспериментального определения коэффициента динамической добавки необрессоренных частей двухосной тележки грузового вагона / А. В. Белянкин, А. И. Коновалов, Д. Н. Дорохин // Материалы XIV Междунар. науч.-технич. конференции «Подвижной состав XXI века : идеи, требования, проекты». - СПб. : ПГУПС, 2019. -С. 203-205.
10. Орлова А. М. Апробация режимов ресурсных испытаний боковых рам тележки модели 18-9855 на стенде пространственного нагружения / А. М. Орлова // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2014. - № 4 (40). -С. 36-37.
Дата поступления: 22.01.2020 Решение о публикации: 06.02.2020
Контактная информация:
БОРОНЕНКО Юрий Павлович - д-р техн. наук, профессор; [email protected] РАХИМОВ Рустам Вячеславович - канд. техн. наук, доцент; [email protected] БЕЛЯНКИН Алексей Владимирович [email protected]
Developing new methods for measuring vertical forces acting on the bogie side frame from the wheelset of a moving wagon
Yu. Pi Boronenko 1, R. V. Rakhimov 1, A. V. Belyankin 2
1 Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
2 OOO "Tikhvin Test Center for Railway Equipment", 6, bldg. 1, Industrial site, Tikhvin, Leningrad region, 187556, Russian Federation
For citation: Boronenko Yu. P., Rakhimov R. V., Belyankin A. V. Developing new methods for measuring vertical forces acting on the bogie side frame from the wheelset of a moving wagon. Proceedings of Petersburg Transport University, 2020, vol. 17, iss. 1, pp. 7-22. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2020-1-7-22
Summary
Objective: Selecting locations of strain gages and the method of processing their signals, ensuring maximum accuracy in measuring vertical forces acting on the bogie side frame from the wheelset of a moving wagon. Methods: Statistical, analytical and experimental methods have been used. Theoretical studies of the stress-strain state of the side frame of a 18-9855 bogie under the action of loads from the wheelset on the pedestal jaw opening have been performed using the finite element method. Results: The installation locations of strain gages and the method of processing the received signals providing the measurement of vertical forces with an error of not more than 4 % have been determined. It has been revealed that the traditional installation layout of strain gages for measuring lateral (frame) forces acting on the bogie frame from the wheelset, according to GOST 33788-2016, when connecting the strain gages into two full bridges with a four-wire connection circuit with further signal processing, allows the layout to be used simultaneously for vertical and lateral (frame) forces measurement. This allows us, without increasing the number of measuring channels in the equipment, to reduce the number of strain gages for measuring the described forces during dynamic line tests. Practical importance: To confirm the choice of locations of strain gages and the method of processing their signals, ensuring the maximum accuracy in measuring vertical forces acting on the bogie side frame from the wheelset, it is recommended that the developed method be verified experimentally and that the theoretically obtained results, upon confirmation, be used when conducting dynamic line tests.
Keywords: Dynamic line tests, dynamic addition coefficient, frame force, side frame, load, strain gauge installation locations, strain gauge connection diagram, digital simulation, scale factor, virtual test.
References
1. Anisimov P. S. Ispytaniya vagonov [Testingof wagons]. Monograph. Moscow, Marshrut Publ., 2004, 197 p. (In Russian)
2. Vershinskiy S. V., Danilov V. N. & Khusidov V. D. Dinamika vagona. Uchebnik dlya vuzov zh.-d. transporta [The dynamics of a wagon. A textbook for universities of railway transport]. Ed. by S. V. Vershinskiy. Moscow, Transport Publ., 1991, 360 p. (In Russian)
3. GOST33211-2014. Vagony gruzovyye. Trebovaniya kprochnosti i dinamicheskim kachestvam [Freight wagons. Requirements to structural strength and dynamic qualities]. Moscow, Standartinform Publ., 2016, 54 p. (In Russian)
4. GOST33788-2016. Vagony gruzovyye ipassazhir-skiye. Metody ispytaniy na prochnost' i dinamicheskiye kachestva [Freight and passenger railcars. Methods of testing structural strength and dynamic performance]. Moscow, Standartinform Publ., 2016, 41 p. (In Russian)
5. Ushkalov V. F., Romen Yu. S., Zavertalyuk A. V. & Ruban V. I. K voprosu o vliyanii prodol'nykh usiliy, deystvuyushchikh na bokovuyu ramu telezhki gruzovo-go vagona, na pokazateli ego vertikal'noy dinamiki [About the issue of influence of longitudinal forces acting on the freight wagon bogie side frame, on its vertical dynamics]. Nauka ¡progress transporta [Science and transport progress]. VestnikDnepropetrovskogo natsional'nogo uni-versiteta zheleznodorozhnogo transporta [Bulletin of the Dnipro National University of Railway Transport], 2005, no. 8, pp. 112-114. (In Russian)
6. Manashkin L.A., Myamlin S. V. & Pis'mennyy E.A. Ob izmerenii vertikal'nykh sil v telezhkakh gruzo-vykh vagonov [About the measurement of vertical forces in freight wagon bogies]. Nauka iprogress transporta [Science and transport progress]. Vestnik Dnepropetrovskogo natsional'nogo universiteta zheleznodoro-zhnogo transporta [Bulletin of the Dnipro National University of Railway Transport], 2004, no. 5, pp. 132-135. (In Russian)
7. Boronenko Yu. P., Zhitkov Yu. B. & Rakhimov R. V. Izmereniye nagruzok, deystvuyushchikh na bokovuyu ramu telezhki ot kolesnoy pary pri dvizhenii vagona. Materialy XIVMezhdunar. nauch.-tekhnich. konferen-tsii "Podvizhnoy sostav XXI veka: idei, trebovaniya, proyekty" [Measuring the loads acting on the bogie side frame from the wheelset of a moving wagon. Proceedings of the 14th International Scientific and Technical Conference "Rolling stock of the 21st century: ideas, requirements, projects"]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2019, pp. 121-124. (In Russian)
8. Rakhimov R. V. Ob izmereniyakh vertikal'nykh, prodol'nykh i bokovykh sil, deystvuyushchikh na boko-vuyu ramu telezhki ot kolesnoy pary pri dvizhenii vagona [About measurements of vertical, longitudinal and lateral forces acting on the bogie side frame from the wheel-set of a moving wagon]. Nauch. trudy Respublikansk.
nauch.-tekhnich. konferentsii s uchastiyem zarubezh-nykh uchenykh "Resursosberegayushchiye tekhnologii nazheleznodorozhnom transporte" [Proceedings of the Republican Scientific and Technical Conference with the participation offoreign scientists "Resource-saving technologies in railway transport"]. Tashkent, TashlIT [Tashkent Railway Engineering Institute] Publ., 2019, pp. 102-110. (In Russian)
9. Belyankin A. V., Konovalov A. I. & Dorokhin D. N. K voprosu eksperimental'nogo opredeleniya koeffitsi-yenta dinamicheskoy dobavki neobressorennykh chastey dvukhosnoy telezhki gruzovogo vagona [About experimental determination of the dynamic addition coefficient of non-sprung parts of a biaxial bogie of a freight wagon]. MaterialyXIV Mezhdunar. nauch.-tekhnich. konferentsii "Podvizhnoy sostav XXI veka: idei, trebovaniya, proyekty" [Proceedings of the 14th International Scientific and Technical Conference "Rolling stock of the 21st century: ideas, requirements, projects"]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2019, pp. 203-205. (In Russian)
10. Orlova A. M. Aprobatsiya rezhimov resursnykh ispytaniy bokovykh ram telezhki modeli 18-9855 na stende prostranstvennogo nagruzheniya [Practical evaluation of the life test modes of the 18-9855 bogie side frames on the spatial loading test bench]. Vagony i vagon-noye khozyaystvo [ Wagons and Carriage Facilities], 2014, no. 4 (40), pp. 36-37. (In Russian)
Received: January 22, 2020 Accepted: February 06, 2020
Author's information:
Yuriy P. BORONENKO - D. Sci. in Engineering, Professor; [email protected] Rustam V. RAKHIMOV - PhD in Engineering, Associate Professor; [email protected] Aleksey V. BELYANKIN - [email protected]
