СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ ДЛИННОБАЗНЫХ ВАГОНОВ-ПЛАТФОРМ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 625.033.34

Сравнительная оценка динамической нагруженности длиннобазных вагонов-платформ

Д. И. Загорский, М. Г. Мяделец

ООО «ИЦПС», Российская Федерация, 190013, Санкт-Петербург, наб. реки Фонтанки, 108

Для цитирования: Загорский Д. И., Мяделец М. Г. Сравнительная оценка динамической нагруженности длиннобазных вагонов-платформ // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 4. - С. 525-533. DOI: 10.20295/1815-588X-2020-4-525-533

Аннотация

Цель: Проведение сравнительного анализа динамической нагруженности длиннобазных вагонов-платформ на тележках различных типов. Методы: Проводилось сравнение экспериментальных данных ходовых прочностных испытаний длиннобазных вагонов-платформ, полученных Инженерным центром подвижного состава в условиях испытательного полигона на участке пути Белореченск-Майкоп Северо-Кавказской железной дороги. Использовалось разделение вагонов-платформ на условные группы в зависимости от ходовой части. Результаты: Выявлено, что применение в конструкции тележек боковых скользунов постоянного контакта уменьшает динамическую нагруженность вагона-платформы на прямых участках пути в 1,2-1,5 раза. Полученные зависимости коэффициентов вертикальной динамики для хребтовой и боковой балок показали, что для всех вагонов-платформ они идентичные по характеру и отличаются только уровнем значений. Применение в длиннобазных вагонах-платформах современных тележек с нелинейным рессорным подвешиванием и боковыми скользунами постоянного контакта приводит к понижению динамической нагруженности рамы в среднем на 15-25 %, тем самым уменьшая вероятность возникновения возможных повреждений вагона-платформы в эксплуатации. Практическая значимость: Показана необходимость уточнения нормативной зависимости распределения по скорости движения коэффициентов вертикальной динамики для вагонов-платформ на тележках различных типов. Ее корректировка позволит повысить точность определения параметров напряженно-деформированного состояния рамы вагона-платформы. Результаты сравнения могут быть рекомендованы к практическому использованию при оценке прочности и сопротивления усталости конструкции вагона-платформы.

Ключевые слова: Длиннобазные вагоны-платформы, боковой скользун, испытания на усталость, ходовые прочностные испытания, коэффициент запаса сопротивления усталости, ходовые испытания, коэффициент вертикальной динамики.

За последние несколько лет отечественными вагоностроительными заводами были поставлены на производство более 20 моделей длиннобазных вагонов-платформ (рис. 1) для перевозки крупнотоннажных контейнеров. Основными отличиями моделей являются конструктивное исполнение рамы и ходовая часть.

Для подтверждения соответствия действующим нормативным документам [1-3] и тех-

ническому регламенту [4] вагоны-платформы подвергались комплексу испытаний, проведенных аккредитованными испытательными центрами. Анализ результатов испытаний показал, что наиболее важны для этого типа вагонов испытания на усталость.

Целью усталостных испытаний является подтверждение необходимого коэффициента запаса сопротивления усталости п, которое дости-

Рис. 1. Длиннобазные вагоны-платформы: а - модель 13-9751-02 на тележках 18-9771; б - модель 13-2118 на тележках 18-100; в - модель 13-9834-01 на тележках 18-9810; г - модель 13-6964 на тележках 18-194-1

гается при превышении предела выносливости в 1,3-1,5 раза величины эквивалентной амплитуды динамического напряжения при движении вагона в эксплуатации:

а

n =

a ,N

аа

> [n],

где оаЫ - предел выносливости, МПа, для контрольной зоны при симметричном цикле и установившемся режиме нагружения при базовом числе циклов И0 = 107; оаэ - эквивалентная приведенная амплитуда динамических напряжений при движении вагона в эксплуатации, МПа; [я] -минимально допустимый коэффициент запаса сопротивления усталости для выбранной зоны вагона.

Предел выносливости определяется при стендовых ресурсных испытаниях [5] на специализированных стендах с пневмомеханическим возбуждением колебаний резонансного типа. Такие испытания [6] показали, что на значение предела выносливости влияет как конструктивное исполнение рамы вагона, так и технология ее изготовления.

При осуществлении ходовых прочностных испытаний [7, 8], по результатам которых нахо-

дится величина эквивалентной амплитуды динамического напряжения, помимо самой рамы на динамическую нагруженность вагона влияет также тип установленных под вагон тележек.

Проведенные в Инженерном центре (ИЦПС) исследования [9] показали, что экспериментальная зависимость динамической нагруженности, которую можно выразить через распределение коэффициента вертикальной динамики по скорости движения, значительно отличается от обобщенной нормативной зависимости (рис. 2) по причине возникновения резонансных колебаний рамы вагона-платформы. Однако эти исследования были проведены для платформ на тележках-аналогах модели 18-100.

В последнее время на сетях магистральных железных дорог курсируют вагоны-платформы с инновационными тележками (рис. 3), конструктивные решения которых направлены на улучшение ходовых качеств вагона и снижение его воздействия на путь. Поэтому актуальным является проведение сравнительного анализа динамической нагруженности длиннобазных вагонов-платформ на тележках различных типов.

Накопленный в ИЦПС опыт проведения ходовых испытаний позволил осуществить та-

0.28

0.24

0,20

I 0,16

9- 0.12

0,08

0,04

0.00

1 —\

\

V2_

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Скорость, км/ч

Рис. 2. Зависимость коэффициента вертикальной динамики от скорости движения вагона-платформы: 1 - экспериментальная зависимость; 2 - нормативная зависимость

Рис. 3. Тележки двухосные грузовых вагонов моделей: а - 18-9855 производства АО «ТВСЗ»; б - 18-194-1 производства АО «НПК "Уралвагонзавод"»

кую сравнительную оценку. Для этого из числа испытанных вагонов были выбраны вагоны-платформы, имеющие схожее конструктивное исполнение рамы: конструкция с хребтовой и боковыми балками. Испытания данных вагонов были проведены в условиях испытательного полигона на участке пути Белореченск-Майкоп Северо-Кавказской железной дороги в период 2008-2019 гг.

Исследуемые вагоны-платформы в зависимости от ходовой части были разделены на три условные группы (таблица):

- осевая статическая нагрузка - 23,5 тс, тип бокового скользуна - зазорный;

- осевая статическая нагрузка - 23,5 тс, тип бокового скользуна - постоянный контакт;

- осевая статическая нагрузка - 25 тс, тип бокового скользуна - постоянный контакт.

Для наиболее нагруженных зон рамы вагона (рис. 4), в которых происходило разрушение опытных образцов при проведении ресурсных испытаний, определялись динамические напряжения

°дин = ^* Р (1)

и коэффициенты вертикальной динамики Кс1 в контрольных точках (рис. 5) при реализованных на испытаниях скоростях движения:

Kd = ^

(2)

Классификация длиннобазных вагонов-платформ

Номер группы Модель вагона (завод-изготовитель) Масса тары, т Грузоподъемность, т База вагона, мм Модель тележки (расчетная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы, кН) Тип бокового скользуна (тип упругого элемента) [10]

13-9781

1 (АО «Промтрактор-Вагон») 25±0,5 68,5 19 500 18-9770 (230,5) Зазорный

13-9834 (АО «ТВСЗ») 24±0,5 69,5 19 000 18-100 или 18-9841 (230,5)

13-9751-01 (АО «Трансмаш») 24,6±0,4 69,0 19 000 18-9896 (230,5)

Постоянный

2 13-9834-01 (АО «ТВСЗ») 24±0,5 69,5 19 000 18-9810 (230,5) контакт (винтовая пружина)

Постоянный

13-9751-02 24,6±0,4 69,0 19 000 18-9771 контакт

(АО «Трансмаш)» (230,5) (неметаллический упругий элемент)

Постоянный

3 13-6903 (АО «ТВСЗ») 25±0,5 74,5 19 000 18-9855 (245) контакт (винтовая пружина)

Постоянный

13-6964 (АО «ЗМК)» 25,5-0,5 74,5 18 650 18-194-1 (245) контакт (неметалличе ский упругий элемент)

Рис. 4. Зоны разрушений вагонов-платформ: 1 - шкворневой узел рамы; 2 - средняя часть рамы

В (1), (2) т - показатель степени в уравнении кривой усталости, са - амплитуда динамических напряжений от вертикальной динамики (МПа); Ры - частость появления амплитуд динамических напряжений с уровнем оа., осг - напряжение от вертикальной статической нагрузки (МПа).

Для этого были выбраны экспериментальные данные, полученные на прямом участке

железнодорожного пути, где на вагон действует в основном вертикальная динамическая нагрузка, которая вносит основной вклад в накопление усталостного повреждения. С целью исключения влияния продольной динамической силы на значения напряжений учитывались только те отрезки опытных записей, которые были зарегистрированы при движении вагона с

3 4

Рис. 5. Расположение контрольных точек на раме вагона-платформы: а - схема расположения контрольных сечений (1-3); б - схема расположения контрольных точек (1-8) в контрольных сечениях (1-3)

а

б

постоянной скоростью. Все рассматриваемые вагоны-платформы подвергались ходовым испытаниям при схеме погрузки 2х40-футовых контейнера, так как при этой схеме реализуются наибольшие изгибающие моменты в средней части и шкворневых узлах рамы вагона.

На основе полученных данных для условных групп вагонов-платформ по формулам были вычислены средние значения коэффициентов вертикальной динамики в контрольных сечениях и построены соответствующие экспериментальные зависимости (рис. 6):

- сечения 1 и 2 (шкворневой узел рамы)

KdS

УS -

у m A^J=1 yo=1

уn xdB;px уk Kd

¿—¡p=i p + ¿—t p=i I

низ р

n

k_

2

m

- сечение 3 (средняя часть рамы)

Уп ,КСрерх Ук .КС p=1 p _ p=1 1

Ет п_

0=1 ^

p=i p k

KdS3 =

m

где КС - коэффициент вертикальной динамики; Б1, 52, 53 - контрольные сечения рамы вагона-платформы; V - счетчик скоростей движения вагона; у - счетчик контрольных сечений шкворневого узла рамы; р - счетчик контрольных точек, установленных на хребтовой (боковой) балке; о - счетчик вагонов-платформ в условной группе; 5 - количество контрольных сечений шкворневого узла рамы; п, к - количество контрольных точек, установленных соответственно на верхнем и нижнем листах хребтовой (боковой) балки; т - количество вагонов-платформ в условной группе.

Из рис. 6 следует, что коэффициенты вертикальной динамики вагонов-платформ на тележках с зазорными боковыми скользунами выше, чем в других группах вагонов. Особенно это заметно в центральном сечении рамы, где при скоростях 70 и 90 км/ч наблюдаются два ярко выраженных пика, вызванных резонансными колебаниями рамы вагона.

Применение боковых скользунов постоянного контакта (вторая группа вагонов-платформ) снижает динамическую нагруженность вагона на прямых участках пути в 1,2-1,5 раза и сдвигает второй пик на 20 км/ч в сторону увеличе-

Рис. 6. Коэффициент вертикальной динамики: а - хребтовая балка; б - боковая балка. Группы: 1 - первая; 2 - вторая; 3 - третья

ния скорости, при этом первый пик остается при той же скорости.

Также первый пик наблюдается и у третьей группы вагонов-платформ, а второй пик отсутствует вовсе. Если не учитывать наличие резонансного явления на высокой скорости у второй группы вагонов-платформ, то вторая и третья группы отличаются между собой увеличенным коэффициентом вертикальной динамики на 1520 % при скоростях до 80 км/ч.

В шкворневом узле у всех групп вагонов-платформ характер изменения коэффициента вертикальной динамики иной и прямо пропорционален скорости движения вагона. При этом значения коэффициентов у второй и третьей групп ниже в среднем на 20 %.

Полученные зависимости коэффициентов вертикальной динамики для хребтовой и бо-

ковой балок показали, что они для всех групп вагонов-платформ идентичные по характеру и отличаются только значениями.

Таким образом, сравнительный анализ, выполненный по экспериментальным данным, показал, что применение в длиннобазных вагонах-платформах современных тележек с нелинейным рессорным подвешиванием и боковыми скользунами постоянного контакта приводит к снижению динамической нагруженности рамы в среднем на 15-25 %, тем самым уменьшая вероятность возникновения возможных повреждений вагона-платформы в эксплуатации.

Библиографический список

1. ГОСТ 26686-96. Вагоны-платформы магистральных железных дорог колеи 1520 мм. Общие техниче-

ские условия. - М. : ИПК Изд-во стандартов, 1997. -45 с.

2. ГОСТ 33211-2014. Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам. - М. : Стандартинформ, 2016. - 45 с.

3. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 317 с.

4. ТР ТС 001/2011. Технический регламент ТС «О безопасности железнодорожного подвижного состава». - Утв. Решением Комиссии Таможенного союза от 15.07.2011 г. № 710.

5. Вагоны-платформы увеличенной длины. Методика испытаний на сопротивление усталости. - М. : ОАО «РЖД», 2006. - 20 с.

6. Загорский Д. И. Совершенствование методики испытаний на усталость рам длиннобазных контейнерных вагонов-платформ / Д. И. Загорский // Совершенствование конструкций универсальных грузовых вагонов : сб. науч. трудов / под ред. А. А. Битюцкого. -СПб. : ОМ-Пресс, 2010. - Вып. 8. - С. 65-74.

7. ГОСТ 33788. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и динамическая качества. - М. : Стандартинформ, 2016. - 33 с.

8. РД 24.050.37.95. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества. - М. : ГосНИИВ, 1995. - 102 с.

9. Загорский Д. И. Совершенствование расчетного метода определения амплитуды динамических напряжений при оценке усталостной прочности рамы вагона-платформы / Д. И. Загорский // Исследование параметров грузовых вагонов : сб. науч. трудов / под ред. А. А. Битюцкого. - СПб. : ОМ-Пресс, 2011. -Вып. 10. - С. 110-122.

10. ГОСТ 34387-2018. Скользуны тележек грузовых вагонов. Общие технические условия. - М. : Стандартинформ, 2018. - 13 с.

Дата поступления: 30.06.2020 Решение о публикации: 20.07.2020

Контактная информация:

ЗАГОРСКИЙ Денис Игоревич - зам. руководителя отдела комплексных испытаний; [email protected]

МЯДЕЛЕЦ Максим Геннадьевич - инженер-испытатель; [email protected]

Comparative assessment of dynamic loading long-base flat wagons D. I. Zagorsky, M. G. Myadelets

LLC "ICPS" [Engineering Center of Carriage Building], 108, Fontanka River nab., Saint Petersburg, 190013, Russian Federation

For citation: Zagorsky D. I., Myadelets M. G. Comparative assessment of dynamic loading long-base flat wagons. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2020, vol. 17, iss. 4, pp. 525-533. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2020-4-525-533

Summary

Objective: Comparative analysis of dynamic loading of long-base flatcars on bogies of various types. Methods: Comparison of experimental data of running strength tests of long-base flatcars obtained by the Engineering Center of the rolling stock in the conditions of a test site on the Belorechensk-Maikop track of the North Caucasian Railway was carried out. The division of platform cars into conditional groups was used depending on the truck. Results: It was found that the use of constant contact side bearers in the bogie design reduces the dynamic loading of the flatcar on straight track sections by 1,2-1,5 times. The obtained dependences of the coefficients of vertical dynamics for the center and side sill showed that for all flat cars they are identical in nature and differ only in the level of values. The use of modern bogies with nonlinear spring suspension and constant contact side bearers in long-base flatcars leads to a decrease in the dynamic loading of the frame by an average of 15-25 %, thereby reducing the likelihood of possible damage to the flatcar in operation. Practical importance: It is shown that it is necessary to clarify the normative dependence of the speed distribution of the vertical dynamics coefficients for flatcars

on various types of bogies. Its correction will improve the accuracy of determining the parameters of the stress-strain state of the platform car frame. The comparison results can be recommended for practical use in assessing the strength and fatigue resistance of the flat car structure.

Keywords: Long-base flatcars, side bearer, fatigue tests, running strength tests, fatigue safety factor, running tests, vertical dynamics coefficient.

References

1. State standart GOST26686-96. Vagony-platformy magistral'nykh zheleznykh dorog kolei 1520 mm. Obsh-chiye tekhnicheskiye usloviya [Flatcars of1520 mm gauge mainline railways. General technical conditions]. Moscow. IPK Standards Publishing House, 1997, 45 p. (In Russian)

2. State standart GOST 33211-2014. Vagony gru-zovyye. Trebovaniya k prochnosti i dinamicheskim kachestvam [Freight wagons. Requirements for strength and dynamic properties]. Moscow, Standartinform Publ., 2016, 45 p. (In Russian)

3. Normy dlya rascheta i proyektirovaniya vagonov zheleznykh dorog MPS kolei 1520 mm (nesamokhodnykh) [Standards for the calculation and design of 1520 mm gauge railroad cars of the Ministry of Railways (un-powered cars)]. Moscow, GosNIIV-VNIIZhT [State Research Institute of Carriage Building - All-Russian Scientific Research Institute of Railway Transport] Publ., 1996, 317 p. (In Russian)

4. TR TS 001/2011. Tekhnicheskiy reglament TS "O bezopasnosti zheleznodorozhnogo pod-vizhnogo sosta-va" [CU TR 001/2011. Technical Regulations of the CU "On the Safety of Railway Rolling Stock"]. Utv. Reshe-niyem Komissii Tamozhennogo soyuza ot 15 iulia 2011 g. no. 710. [Approved by the decision of the Customs Union Commission of Yuly 15, 2011 no. 710]. (In Russian)

5. Vagony-platformy uvelichennoy dliny. Metodi-ka ispytaniy na soprotivleniye ustalosti [Flatcars of increased length. Fatigue resistance test procedure]. Moscow, OAO "RZHD" [JSC "Russian Railways"] Publ., 2006, 20 p. (In Russian)

6. Zagorskiy D. I. Sovershenstvovaniye metodiki ispytaniy na ustalost' ram dlinnobaznykh konteynernykh vago-nov-platform [Improvement of the fatigue test method for frames of long-base container flatcars]. Sovershenstvovaniye konstruktsiy universal'nykh gruzovykh vagonov [Improvement of the designs of universal freight cars]. Sb.

nauch. trudov. Pod red. A.A. Bityutskogo [Collection of articles. Ed. by A. A. Bityutsky]. Saint Petersburg, OM-Press, 2010, iss. 8, pp. 65-74. (In Russian)

7. State standart GOST33788. Vagony gruzovyye i passazhirskiye. Metody ispytaniy na prochnost' i dina-micheskaya kachestva [Freight and passenger cars. Test methods for strength and dynamic properties]. Moscow, Standartinform Publ., 2016, 33 p.

8. RD 24.050.37.95. Vagony gruzovyye ipassazhirskiye. Metody ispytaniy na prochnost' i khodovyye kachestva [Freight and passenger cars. Test methods for strength and riding performance]. Moscow, GosNIIV [State Research Institute of Carriage Building] Publ., 1995, 102 p. (In Russian)

9. Zagorskiy D. I. Sovershenstvovaniye raschetnogo metoda opredeleniya amplitudy dinamicheskikh naprya-zheniy pri otsenke ustalostnoy prochnosti ramy vagona-platformy [Improvement of the calculation method for determining amplitudes of dynamic stresses in assessing the fatigue strength of the flat car frame]. Issledo-vaniye parametrov gruzovykh vagonov. Sb. nauch. trudov. Pod red. A. A. Bityutskogo [Research of parameters of freight cars. Collection of research papers. Ed. by A. A. Bityutsky]. Saint Petersburg, OM-Press, 2011, iss. 10, pp. 110-122. (In Russian)

10. State standart GOST34387-2018. Skol'zuny tele-zhek gruzovykh vagonov. Obshchiye tekhnicheskiye usloviya [Side bearing of freight car bogies. General technical conditions]. Moscow, Standartinform Publ., 2018, 13 p. (In Russian)

Received: June 30, 2020 Accepted: July 20, 2020

Author's information:

Denis I. ZAGORSKIY - Deputy Head of Comprehensive Testing Department; [email protected] Maxim G. MYADELETS - Test Engineer; [email protected]