CC BY
125
УДК 629.4.027.3
А. М. Орлова, Е. А. Рудакова, А. В. Гусев
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕССОРНОГО ПОДВЕШИВАНИЯ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ С УЧЕТОМ НЕОБХОДИМОСТИ СНИЖЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПУТЬ
Дата поступления: 29.12.2017 Решение о публикации: 23.01. 2018
Аннотация
Цель: Установление параметров и характеристик рессорного подвешивания тележки грузового вагона для увеличения осевой нагрузки до 27 тс. Проведение комплекса испытаний вагона на тележках с новым рессорным подвешиванием с установлением показателей динамических качеств и воздействия на путь. Методы: Использование результатов динамического моделирования, ходовых и по воздействию на путь испытаний вагона на тележках с повышенной осевой нагрузкой. Результаты: Увеличенный расчетный статический прогиб до 70 мм в новом рессорном подвешивании с кусочно-линейной вертикальной силовой характеристикой позволил обеспечить низкую величину коэффициента вертикальной динамики и отсутствие превышений показателей воздействия на путь их допускаемых значений. Практическая значимость: Разработанная концепция снижения воздействия на путь вагонов с увеличенной осевой нагрузкой до 27 тс путем совершенствования рессорного подвешивания была реализована в тележке модели 18-6863 производства АО «Тихвинский вагоностроительный завод».
Ключевые слова: Повышение осевой нагрузки, воздействие на путь, напряжения на основной площадке земляного полотна, динамическая погонная нагрузка, рессорное подвешивание, коэффициент вертикальной динамики, коэффициент запаса устойчивости и конструктивного запаса прогиба пружин, расчетный статический прогиб подвешивания.
Anna M. Orlova, D. Eng. Sci., professor, aorlova@uniwagon.com (PJSC "Scientific-production Corporation "United wagon company""); Ekaterina A. Rudakova, Cand. Eng. Sci., leading scientific worker, erudakova@tt-center.ru; * Artem V. Gusev, Junior scientific worker, agusev@tt-center.ru (The all-Union scientific-research center of transport technologies) IMPROVING FREIGHT CAR SPRING SUSPENSION TAKING INTO ACCOUNT NECESSITY FOR REDUCING IMPACT ON TRACK
Summary
Objective: Setting parameters and characteristics of freight car bogie spring suspension for increasing axial load up to 27. Performing a set of tests for a car on bogies with new spring suspension establishing indicators of dynamic qualities and effects on the track. Methods: Using the results of dynamic modelling of running as well as of their impact on the track tests of a car on a bogie with high axial load. Results: Increased calculated static deflection up to 70 mm in new spring suspension with piecewise-linear vertical force characteristic allowed providing low value of vertical dynamics factor and absence of impact indicator excess on the track of their permissible values. Practical importance: Developed concept of reducing impact on the track of cars with increased axial load up to 27 TS by improving spring suspension was implemented in the bogie of 18-6863 model produced by "JSC "Tikhvinsky rail carriage building"".
Keywords: Increase of axial load, impact on the track, stress at the main ground of road-bed, dynamic linear load, spring suspension, coefficient of vertical dynamics, coefficient of stability margin and constructive spring deflection margin, calculated static suspension margin.
Введение
В соответствии с планами по организации тяжеловесного движения и увеличения пропускной способности на участках сети ОАО «РЖД», а также внедрения вагонов нового поколения с улучшенными технико-экономическими параметрами необходим поиск новых подходов к проектированию тележек и грузовых вагонов в целом. В условиях конкурентного развития вагоностроения повышение осевой нагрузки - одно из перспективных направлений совершенствования грузовых тележек. Типовая конструкция пути ОАО «РЖД», согласно нормам содержания, допускает возможность эксплуатации тяжеловесных вагонов (осевая нагрузка свыше 25 тс), но необходимо обеспечить непревышение показателей воздействия подвижного состава на путь в соответствии с действующей в РФ нормативной документацией [1]. Необходимо отметить, что в ряде работ на основании сравнения тележек 18-100 и 18-9855 (25 тс/ось) обоснована возможность и эффективность повышения осевой нагрузки, а также выдвинуто предположение о влиянии параметров тележки и характеристик подвешивания в большей степени на воздействие на путь, чем увеличенной осевой нагрузки [2, 3].
Результаты ходовых динамических и по воздействию на путь испытаний основных типов вагонов (полувагоны, цистерны, платформы, крытые вагоны и вагоны-хопперы) на тележках 18-9855 (25 тс/ось) подтвердили уменьшение воздействия на путь вагонов с увеличенной осевой нагрузкой в сравнении с тележкой 18-100 (23,5 тс/ось) [4]. Это удалось достигнуть путем снижения динамической составляющей вертикальной силы за счет применения нелинейного рессорного подвешивания с улучшенными характеристиками. Данные выводы позволили принять тележку
18-9855 за основу для дальнейших исследований в направлении совершенствования ее конструкции и создания тележки с повышенной осевой нагрузкой до 27 тс.
Исследование влияния характеристик подвешивания тележки на показатели воздействия на путь
К основным критериям воздействия подвижного состава на железнодорожный путь, по которым вводятся дополнительные ограничения скоростей движения вагона, относятся: напряжения на основной площадке земляного полотна и динамическая погонная нагрузка, которые зависят от коэффициента вертикальной динамики полного (далее - Кдполн) и обусловленного колебаниями подпрыгивания и галопирования (далее - Кдпг).
Для обеспечения особенно низких показателей динамического воздействия на путь за счет кардинального улучшения динамических показателей вагонов при использовании новых конструктивных схем тележек необходимо проанализировать влияние характеристик тележки (рессорного подвешивания) на воздействие на путь.
В процессе установления рациональных параметров подвешивания были получены зависимости Кдполн и Кдпг от разности прогибов под порожним и груженым вагонами, коэффициента относительного трения (ф) (рис. 1), из которых следует, что при увеличении разности прогибов и уменьшении р наблюдается понижение коэффициентов вертикальной динамики.
Ранее (см. [5]) было установлено, что для обеспечения непревышения допускаемого значения динамической погонной нагрузки на путь (168 кН/м) расчетный статический прогиб груженого вагона должен составлять
fi 75 95
Разность прогибов, мм
Разность прогибов, мм
Рис. 1. Максимальный коэффициент вертикальной динамики: а - полный; б - обусловленный колебаниями подпрыгивания и галопирования
не менее 60 мм, а для обеспечения непревышения допускаемых напряжений на основной площадке земляного полотна (0,08 МПа) - не менее 70 мм, разность прогибов под порожним и груженым вагонами - 70 мм, коэффициент относительного трения подвешивания -не более 0,13.
Установление параметров и характеристик рессорного подвешивания для тележки с повышенной осевой нагрузкой
Общеизвестно, что применение в центральной ступени подвешивания рессорного комплекта с билинейной или кусочно-линейной вертикальной силовой характеристикой, состоящей более чем из двух участков, и клиновыми гасителями колебаний дает возможность улучшить динамические качества и безопасность движения порожнего вагона, поскольку в этом случае не только уменьшается жесткость подвешивания в порожнем режиме, но и увеличивается относительное трение, создаваемое фрикционными гасителями колебаний [6].
При проектировании рессорного подвешивания тележки с повышенной осевой нагрузкой была выбрана схема расположения пружин в рессорном комплекте, включающая семь двухрядных пружин, расположенных под
надрессорной балкой, с билинейной силовой характеристикой и две двухрядные подклино-вые пружины с линейной силовой характеристикой, при этом высота последних больше, чем наружных, размещенных под надрессор-ной балкой [7, 8]. Такая кусочно-линейная вертикальная силовая характеристика наряду с указанными выше положительными качествами нелинейного подвешивания позволяет дополнительно обеспечить существенный запас на износ фрикционного клина в эксплуатации (занижение клина до 19 мм).
Таким образом, применение в тележках с осевой нагрузкой 27 тс рессорного подвешивания с кусочно-линейной силовой характеристикой и описанной выше схемой расположения пружин обеспечило необходимый расчетный статический прогиб груженого вагона, разность прогибов под порожним и груженым вагонами и коэффициент относительного трения подвешивания. Проведенные исследования [9, 10] подтвердили возможность конструктивной реализации рессорного подвешивания с требуемыми характеристиками, удовлетворяющего всем требованиям к статической и усталостной прочности [11, 12].
Вертикальная силовая характеристика рессорного комплекта тележки с осевой нагрузкой 27 тс приведена на рис. 2, а основные параметры подвешивания в сравнении с тележкой 18-9855 (25 тс) представлены в таблице.
Рис. 2. Вертикальная силовая характеристика рессорного комплекта тележки с осевой нагрузкой 27 тс (/^р,/брр - расчетный статический прогиб порожнего и груженого вагона соответственно)
Основные параметры рессорного подвешивания
Показатель Порожний (24 т) Груженый (108 т)
189855 Тел.27тс* 189855 Тел.27тс
Полный прогиб подвешивания, мм 42 29 90 97
Расчетный статический прогиб подвешивания, мм 32 18 51 70
Коэффициент отно сительного трения 0,35 0,22 0,12 0,11
Разность прогибов под груженым и порожним вагонами, мм - 48 68
* Тележка с осевой нагрузкой 27 тс.
По результатам динамического моделирования было установлено, что универсальный полувагон на тележках с осевой нагрузкой 27 тс с указанными параметрами подвешивания при
порожнем и груженом режимах загрузки удовлетворяет требованиям ГОСТ 33211-2014 [13] по показателям динамических качеств и ГОСТ Р 55050-2012 [1] по показателям воздействия на путь при движении со скоростями вплоть до конструкционной (100 км/ч).
Установление показателей динамических качеств и воздействия на путь на основании комплекса испытаний вагона на тележках с осевой нагрузкой 27 тс
Разработанная концепция снижения воздействия на путь вагонов с увеличенной осевой нагрузкой до 27 тс была реализована в тележке модели 18-6863 производства АО «Тихвинский вагоностроительный завод» («ТВСЗ») (рис. 3).
Ходовые и по воздействию на путь испытания полувагона модели 12-9548-01 на таких тележках, проведенные в ноябре 2016 г. в условиях испытательного полигона ст. Майкоп-ст. Белореченская Северо-Кавказской железной дороги, подтвердили существенные запасы коэффициента вертикальной динамики, рамных и боковых сил относительно допу-
Рис. 3. Тележка модели 18-6863 с осевой нагрузкой 27 тс
стимых значений и показали положительные 12-9548-01 в груженом режиме на тележках
результаты по оценочным критериям воздей- 18-6863 по результатам испытаний приведены
ствия на путь. на рис. 4, минимальных значений коэффици-
Гистограммы экстремальных значений по- ента устойчивости от вползания гребня колеса
казателей ходовых качеств полувагона модели на рельс для порожнего вагона - на рис. 5.
Рис. 4. Экстремальные значения показателей динамических качеств: а - коэффициент вертикальной динамики обрессоренных частей вагона; б - отношение рамной силы к вертикальной статической нагрузке колесной пары на рельсы
а
б
1
V///18-6863 испытания -Минимально допустимое значение
Рис. 5. Минимальные значения коэффициента устойчивости от вползания гребня колеса на рельс
Испытания по воздействию на путь полувагона модели 12-9548-01 на тележках 186863 показали отсутствие превышения всех показателей по ГОСТ Р 55050-2012 их допускаемых значений при скоростях движения вплоть до конструкционной 100 км/ч по железнодорожному пути с типовой конструкцией верхнего строения с рельсами типа Р65 и эпюрой укладки шпал не менее 1840 шт. на 1 км.
Для подтверждения достоверности теоретических исследований были сопоставлены результаты испытаний и динамического моделирования для полувагона на различных участках пути (рис. 6, 7).
Следует отметить, что значения динамической погонной нагрузки, полученные по результатам испытаний и динамического моделирования, близки (расхождение составляет не более 3 %). Величины напряжений на основной площадке земляного полотна, полученные при моделировании, больше экспериментальных в среднем на 20 %, что может быть связано с отличиями жесткости пути испытательного полигона от расчетных значений по ЦПТ-52/14 [14].
Заключение
В основу проектирования нового рессорного подвешивания для тележки с осевой
нагрузкой 27 тс была заложена концепция уменьшения воздействия на путь за счет снижения коэффициента вертикальной динамики, которую удалось реализовать увеличением расчетного статического прогиба груженого вагона до 70 мм.
На стадии расчета параметров подвешивания были разработаны методики определения коэффициента запаса устойчивости и конструктивного запаса прогиба пружин с применением современных методов (метод конечных элементов, динамическое моделирование), которые позволили уточнить допускаемые значения указанных коэффициентов и подтвердить возможность конструктивной реализации рессорного подвешивания с увеличенной высотой пружин.
Проведенные исследования и расчеты по совершенствованию рессорного подвешивания для повышения осевой нагрузки легли в основу тележки модели 18-6863 с осевой нагрузкой 27 тс производства АО «ТВСЗ».
Результаты комплекса ходовых и по воздействию на путь испытаний полувагона 12-9548-01 на новых тележках подтвердили более низкий коэффициент вертикальной динамики обрессоренных частей вагона и показали отсутствие превышения показателей динамических качеств и воздействия на путь их допускаемых значений в соответствии с ГОСТ 33211-2014 и ГОСТ Р 55050-2012. На
Рис. 6. Напряжения на основной площадке земляного полотна: на прямом участке (а); в кривой радиусом 650 м (б); в кривой радиусом 350 м (в). 1 - результаты динамического моделирования тележки 18-6863; 2 - результаты испытаний тележки 18-6863; 3 - допускаемое значение напряжений [ой] = 0,08 МПа
основании положительных результатов испытаний можно заключить, что на путь в большей степени оказывают влияние параметры тележки и характеристика рессорного подвешивания, чем увеличение осевой нагрузки с 23,5 до 27 тс.
Установленные скорости движения полувагона модели 12-9548-01 получились не ниже допустимых, приведенных в Распоряжении ОАО «РЖД» № 2240р [15], что позволяет считать тележку 18-6863 перспективной для осуществления тяжеловесного движения.
а
б
в
Рис. 7. Динамическая погонная нагрузка на железнодорожный путь: на прямом участке (а); в кривой радиусом 650 м (б); в кривой радиусом 350 м (в). 1 - результаты динамического моделирования тележки 18-6863; 2 - результаты испытаний тележки 18-6863; 3 - допускаемое значение напряжений =168 кН/м
а
б
в
Библиографический список
1. ГОСТ Р 55050-2012. Железнодорожный подвижной состав. Нормы допустимого воздействия на железнодорожный путь и методы испытаний. - М. : ВНИИЖТ, 2012.
2. Бороненко Ю. П. Вагоны с увеличенными нагрузками от колес на рельсы - резерв повышения провозной и пропускной способности железных дорог / Ю. П. Бороненко // Транспорт Российской Федерации. - 2008. - № 5 (18). -С. 52-55.
3. Бороненко Ю. П. Тележки с повышенной осевой нагрузкой / Ю. П. Бороненко, А. М. Орлова, Е. А. Рудакова // Железнодорожный транспорт. -2008. - № 10. - С. 50-53.
4. Бороненко Ю. П. Оценка возможности и эффективности повышения осевых нагрузок грузовых вагонов / Ю. П. Бороненко, А. В. Третьяков, М. В. Зимакова // Техника железных дорог. - 2017. -№ 1. - С. 32-37.
5. Orlova A. M. Advancements in three-piece freight bogies for increasing axle load up to 27 t / A. M. Orlova, A. V. Saidova, E. A. Rudakova, A. V. Gusev // Vehicles Systems Dynamics, Taylor&Francis Online. - 2015. -P. 1043-1050.
6. Белоусов А. В. Применение рессорного подвешивания с билинейной характеристикой для улучшения динамических качеств грузовых вагонов : дис. ... канд. техн. наук : 05.22.07 / А. В. Белоусов. -М. : ВНИИЖТ, 2001. - 156 с.
7. Рессорное подвешивание тележки грузового железнодорожного вагона : Патент № 160055 Рос. Федерация : МПК 51 B61F 5/00. - Заявл. 18.08.2015 ; опубл. 27.02.2016. - Бюл. № 6 / Е. А. Рудакова, А. В. Гусев.
8. Рессорное подвешивание тележки грузового вагона : Патент № 158618 Рос. Федерация : МПК 51 B61F 5/06. - Заявл. 23.06.2015 ; опубл. 20.01.2016. -Бюл. № 2 / Р. А. Савушкин, К. В. Кякк, А. М. Орлова, Е. А. Рудакова, А. Н. Комарова.
9. Орлова А. М. Анализ методов расчета винтовых цилиндрических пружин на устойчивость при сжатии / А. М. Орлова, Е. А. Рудакова, А. В. Гусев // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2015. - Вып. 4. - С. 108-116.
10. Орлова А. М. Обоснование назначения минимально допустимого значения коэффициента конструктивного запаса прогиба рессорного подвешивания тележек грузовых вагонов / А. М. Орлова, Е. А. Рудакова, А. В. Гусев // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2017. - Т. 14. -Вып. 1. - С. 73-87.
11. ГОСТ 1452-2011. Пружины цилиндрические винтовые тележек и ударно-тяговых приборов подвижного состава железных дорог. - М. : ВНИКТИ ; ВНИИЖТ, 2011.
12. ГОСТ 32208-2013. Пружины рессорного подвешивания железнодорожного подвижного со-
става. Метод испытаний на циклическую долговечность. - М. : ВНИИНМАШ, 2013.
13. ГОСТ 33211-2014. Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам. -М. : ВНИИЖТ, 2014.
14. ЦПТ-52/14. Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения его надежности. - Утв. МПС РФ 16.06.2000 г. -М., 2000.
15. Нормы допускаемых скоростей движения подвижного состава по железнодорожным путям колеи 1520 (1524) мм. - Распоряжение ОАО «РЖД» № 2240 р от 08.11.2016 г. - М. : ОАО «РЖД», 2016.
References
1. GOST R 55050-2012. Zheleznodorozhniy pod-vizhnoi sostav. Normy dopustimogo vozdeystviya na zheleznodorozhnyy put i metody ispytani [State Standard Specification. Railway rolling stock. Standards of acceptable impact on railway track and test methods]. Moscow, VSRZhTI Publ., 2012. (In Russian)
2. Boronenko Yu. P. Vagony s uvelichennymi nagruzkami ot koles na relsy - rezerv povysheniya provoznoi i propusknoi sposobnosti zheleznykh dorog [Cars with increased load from wheels on rails - increase reserve of carrying and delivery capacity of railways]. Transport of the Russian Federation, 2008, no. 5 (18), pp. 52-55. (In Russian)
3. Boronenko Yu. P., Orlova A. M. & Rudako-va E.A. Telezhki s povyshennoi osevoi nagruzkoi [Bogies with high axial load]. Railway transport, 2008, no. 10, pp. 50-53. (In Russian)
4. Boronenko Yu. P., Tretyakov A. V. & Zimako-va M. V. Otsenka vozmozhnosti i effektivnosti povysheniya osevykh nagruzok gruzovykh vagonov [Assessment of feasibility and efficiency of increasing axial load of freight cars]. Railway equipment, 2017, no. 1, pp. 32-37. (In Russian)
5. Orlova A. M., Saidova A. V., Rudakova E. A. & Gusev A. V. Advancements in three-piece freight bogies for increasing axle load up to 27 t. Vehicles Systems Dynamics, Taylor&Francis Online, 2015, pp. 10431050.
6. Belousov A. V. Primenenie ressornogopodveshi-vaniya s bilineinoi kharakteristikoyi dlya uluchsheniya
dinamicheskikh kachestv gruzovykh vagonov [Application of spring suspension with bilinear characteristic for improving dynamic qualities of freight cars]. Thesis, Cand. Eng. Sci. Moscow, VSRZhTI Publ., 2001, 156 p. (In Russian)
7. Rudakova E. A. & Gusev A. V. Ressornoe podveshivanie telezhki gruzovogo zheleznodorozh-nogo vagona. Patent no. 160055 Rossiyskoy Federa-tsii: MPK 51 B61F 5/00; zayavl. 18.08.2015; opubl. 27.02.2016 [Spring suspension of freight railway car bogie. Patent N 160055 Russian Federation: IPC 51 B61F 5/00; Appl. 18.08.2015; Publ. 27.02.2016]. Bulletin, no. 6. (In Russian)
8. Savushkin R.A., Kyakk K. V., Orlova A. M., Rudakova E. A. & Komarova A. N. Ressornoe podveshivanie telezhki gruzovogo vagona. Patent no. 158618 Rossi-yskoi Federatsii: MPK51 B61F 5/06; zayavl. 23.06.2015; opubl. 20.01.2016 [Spring suspension of freight car bogie. Patent N 158618 Russian Federation. IPC 51 B61F 5/06; Appl. 23.06.2015; Publ. 20.01.2016]. Bulletin, no. 2. (In Russian)
9. Orlova A. M., Rudakova E.A. & Gusev A. V. Analiz metodov rascheta vintovykh tsilindricheskikh pruzhin na ustoychivost pri szhatii [Analysis of methods for calculating spiral cylindrical springs on stability under compression]. Proceedings of Saint Petersburg transport University, 2015, issue 4, pp. 108-116. (In Russian)
10. Orlova A. M., Rudakova E. A. & Gusev A. V. Obosnovanie naznacheniya minimalno dopustimo-go znacheniya koeffitsienta konstruktivnogo zapasa progiba ressornogo podveshivaniya telezhek gru-zovykh vagonov [Reasoning for assignment of permissible minimum value coefficient of constructive spring
suspension deflection reserve of freight cars bogies]. Proceedings of Saint Petersburg transport University, 2017, vol. 14, issue 1, pp. 73-87. (In Russian)
11. GOST1452-2011. Pruzhiny tsilindricheskie vin-tovye telezhek i udarno-tyagovykh priborov podvizh-nogo sostava zheleznykh dorog [State Standard Specification 1452-2011. Spiral cylindrical springs of bogies and draw-and-buffer gears of railway rolling stock]. Moscow, VNIKTI Publ., 2011. (In Russian)
12. SSS [State Standard Specification] 32208-2013. Pruzhiny ressornogo podveshivaniya zheleznodorozh-nogo podvizhnogo sostava. Metod ispytaniy na tsikli-cheskuyu dolgovechnost' [Springs of spring suspension of railway rolling stock. Test method for cyclic durability]. Moscow, VNIINMASH Publ., 2013. (In Russian)
13. SSS [State Standard Specification] 33211-2014. Vagony gruzovye. Trebovaniya kprochnosti i dinami-cheskim kachestvam [Freight cars. Requirements for durability and dynamic qualities]. Moscow, VSRZhTI Publ., 2014. (In Russian)
14. ZhPT-52/14. Metodika otsenki vozdeystviyapod-vizhnogo sostava na put po usloviyam obespecheniya ego nadezhnosti. Utv. MPS RF 16.06.2000 [Methods of evaluating impact of rolling stock on track according to the conditions to ensuring its reliability. Asserted by MCL RF 16.06.2000]. Moscow, 2000. (In Russian)
15. Normy dopuskaemykh skorostey dvizheniya podvizhnogo sostava po zheleznodorozhnym putyam kolei 1520 (1524) mm. Rasporyazhenie OAO "RZHD" no. 2240r ot 08.11.2016 [Permittedspeeds standards of rolling stock on railway lines of1520 (1524 mm) track. JSC RZhD, order N 2240 r of 08.11.2016]. Moscow, JSC RZhD Publ., 2016. (In Russian)
ОРЛОВА Анна Михайловна - доктор техн. наук, профессор, aorlova@uniwagon.com (ПАО «Научно-производственная корпорация "Объединенная Вагонная Компания"»); РУДАКОВА Екатерина Александровна - канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, erudakova@tt-center.ru; *ГУСЕВ Артем Владимирович - младший научный сотрудник, agusev@tt-center.ru (ООО «Всесоюзный научно-исследовательский центр транспортных технологий»).
