Выбор конструкции первой ступени подвешивания трехэлементных тележек инновационных грузовых вагонов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

88

Современные технологии - транспорту

УДК 629.4.027:629.46

А. М. Орлова, Е. А. Рудакова, И. В. Турутин, А. В. Саидова

ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ПОДВЕШИВАНИЯ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ ТЕЛЕЖЕК ИННОВАЦИОННЫХ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

В работе представлен краткий обзор упругих связей колесных пар и боковых рам; на основе результатов расчетов динамических качеств вагона на трехэлементных тележках показана возможность применения в первой ступени подвешивания упругофрикционной связи для обеспечения скоростей движения до 140 км/ч. Предложена конструктивная реализация упругофрикционной связи, приведены результаты расчетов статической прочности предложенной конструкции упругой скобы.

трехэлементные тележки, первая ступень подвешивания, упругая связь колесной пары и боковой рамы.

Введение

Проблема повышения скоростей движения и осевых нагрузок грузовых вагонов на трехэлементных тележках давно стоит перед железнодорожным транспортом России. Многими работами доказано [1], [2], [3], что введение упругой связи между колесными парами и боковыми рамами тележек поднимает конструкционную скорость вагона и снижает его воздействие на путь, однако до сих пор буксовое подвешивание не получило эффективной конструктивной реализации. В связи с этим актуальными являются исследования по обоснованию конструктивного исполнения первой ступени подвешивания тележек грузовых вагонов.

1 Краткий обзор конструкций связи колесной пары и боковой рамы в трехэлементных тележках

В опытных образцах тележек с повышенной осевой нагрузкой в качестве упругих элементов первой ступени подвешивания применены амортизаторы различной конфигурации, представляющие собой чередующиеся слои эластомера и армирующих металлических листов, которые обеспечивают равномерную передачу сил на эластомерный слой и препятствуют возникновению локальных концентраторов напряжений, повышая таким образом долговечность упругого элемента.

В тележке модели 18-1711 [4] совместной разработки ОАО «Мариупольский завод тяжелого машиностроения» (ОАО «МЗТМ», Мариуполь, Украина) и ОАО «Научно-внедренческий центр «Вагоны» (ОАО «НВЦ «Вагоны», Санкт-Петербург, Россия) связь колесных пар и боковых рам осуществля-

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

89

ется за счет полиуретанометаллических рессорных комплектов, состоящих из двух амортизаторов параллелограммной формы (рис. 1, а), расположенных симметрично в буксовом проеме боковой рамы.

Проведенные ходовые динамические испытания показали [3], что введение упругих элементов первой ступени подвешивания обеспечило значительное снижение динамической нагруженности боковой рамы тележки модели 18-1711 по сравнению с тележкой модели 18-100. Коэффициент вертикальной динамики, измеренный по боковой раме под груженым вагоном, уменьшился в среднем в 1,5 раза, максимальные рамные силы снижены в 1,5-2,0 раза. Прочность и долговечность амортизаторов подтверждена их стендовыми усталостными испытаниями [5].

Несмотря на положительный эффект, полученный при испытаниях, данная конструкция не лишена недостатков, главным из которых является то, что опорные поверхности боковой рамы и адаптера кассетного подшипника выполнены в виде плоскостей, имеющих противоположные и равные углы наклона к вертикальной плоскости, проходящей через центр оси колесной пары. Наличие плоских опорных поверхностей на боковой раме приводит к появлению на ней тупого угла в центре буксового проема и тупых углов в зоне перехода от опорных поверхностей к наклонному поясу и концевой части, являющихся концентраторами механических напряжений при приложении вертикальной нагрузки к боковой раме и продольной - к оси колесной пары.

Наличие плоских опорных поверхностей на адаптере подшипника приводит к повышению его массы, а также к тому, что контактные напряжения между адаптером и подшипником сосредотачиваются в его верхней части.

В тележке модели 18-9750 (рис. 1, б) разработки ПГУПС опорные поверхности боковых рам и адаптеров кассетных подшипников образованы двумя круговыми секторами попарно равных радиусов, симметрично сдвинутыми в противоположные стороны от вертикальной плоскости, проходящей через центр оси колесной пары, между опорными поверхностями боковых рам и каждым из адаптеров установлены по два упругих элемента, состоящих из цилиндрических металлических пластин и цилиндрических слоев эластичного материала, имеющих постоянную ширину, разную для каждого слоя, большую со стороны адаптера и меньшую со стороны боковой рамы [6].

Использование упругих элементов цилиндрической формы позволяет создать форму буксового проема боковой рамы без концентраторов механических напряжений, обеспечивает более равномерное нагружение роликов, повышая долговечность подшипника. Вместе с тем применение амортизаторов в виде сегмента усложняет конструкцию буксового узла, повышает трудоемкость процесса изготовления боковой рамы, адаптера и амортизатора, а также его монтаж-демонтаж в буксовом узле.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

90

Современные технологии - транспорту

а)

б)

Рис. 1. Буксовый узел: а - тележки модели 18-1711; б - тележки модели 18-9750

В тележке модели 18-9800 (рис. 2) разработки ОАО ВНИКТИ (г. Коломна) в буксовом узле между адаптером подшипника и боковой рамой установлен V-образный амортизатор, который обеспечивает гибкость в продольном и поперечном направлении [7]. Недостатком данного амортизатора является его малый прогиб в вертикальном направлении, который не обеспечивает обрессоривание боковой рамы.

Общим недостатком применения неметаллических упругих элементов в буксовом подвешивании является зависимость их жесткости от температуры окружающей среды. Проведенные статические испытания полиуретановых амортизаторов при действии низких температур показали, что жесткость полиуретана при температуре минус 50°С увеличивается в 5-10

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

91

раз, однако через 5-10 циклов нагружения материал нагревается и жесткость уменьшается до номинального значения [1].

Рис. 2. Буксовый узел тележки модели 18-9800

Кроме того, при невысокой продольной жесткости амортизаторов (2,5...5,0 МН/м на один подшипник), необходимой для снижения износов колес при вписывании в кривые участки пути, под действием силы, прижимающей колодки к колесам (а в трехэлементных тележках обеспечивается одностороннее нажатие на колеса), колесная пара сдвигается, что приводит к срабатыванию авторегулятора. После возвращения колесной пары в исходное положение тележка продолжает движение с прижатыми к поверхности катания колеса тормозными колодками. В случае фрикционной связи в буксовом узле (как в тележке модели 18-100) подобных проблем при торможении не наблюдается, однако отсутствие упруго элемента в первой ступени подвешивания может обеспечить безопасное движение только для скоростей движения до 80...90 км/ч в зависимости от загрузки вагона.

Конструкция тележки модели 18-100 в целом и буксового узла в частности ограничивает скорость движения до 90 км/ч. При движении порожних вагонов на тележках модели 18-100 по прямым участкам пути со скоростями свыше 70 км/ч возникает извилистое движение колесных пар, которое увеличивает боковые силы и угрожает сходом вагона с рельсов. При движении груженых вагонов по кривым участкам пути тележка принимает параллелограммную конфигурацию и возникают большие боковые силы, ведущие к интенсивному износу колес и рельсов.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

92

Современные технологии - транспорту

Конструктивная схема опирания боковой рамы тележки модели 18-100 предусматривает передачу вертикальных нагрузок через два плоских опорных выступающих вертикальных прилива корпуса буксы, разнесенных в продольном направлении, а поперечные, продольные и угловые нагрузки передаются через продольные упоры и ограничительные приливы на корпусе буксы, в результате опорные поверхности боковой рамы и вертикальные приливы корпуса буксы взаимодействуют плоскостями, что ограничивает возможность боковой рамы качаться в поперечном направлении, приводит к повышению поперечной жесткости подвешивания, ухудшению ходовых качеств тележки.

Обеспечение более высоких скоростей движения возможно с применением в буксовом узле конструктивной схемы с сухим трением, но при этом характеристики центрального подвешивания должны обеспечивать значительное увеличение жесткости на забегание боковых рам по сравнению с тележкой модели 18-100. Так, проведенный комплекс ходовых динамических и эксплуатационных испытаний тележки модели 18-9810 показал безопасность ее эксплуатации со скоростями движения вплоть до конструкционной (120 км/ч) [8].

В тележке модели 18-9810 боковая рама опирается на колесную пару с двухрядным кассетным подшипником через сменную износостойкую скобу и адаптер, который в верхней части имеет опорную поверхность для боковой рамы, выполненную сектором цилиндра с образующей вдоль оси колесной пары [9].

Цилиндрическая опорная поверхность адаптера позволяет боковой раме качаться в поперечном направлении при движении вагона на тележках. При этом снижается поперечная жесткость подвешивания и действующие на вагон ускорения, то есть улучшаются его ходовые качества.

Вместе с тем конструктивная схема только с сухим трением в буксовом узле не может обеспечить устойчивого движения на скоростях свыше 120 км/ч. Для повышенных скоростей движения (до 140 км/ч) необходимо применять конструктивную схему с наличием упругости в продольном направлении.

2 Исследование влияния параметров первой ступени подвешивания на ходовые качества грузовых вагонов при скоростях до 140 км/ч

Исследование влияния параметров первой ступени подвешивания на ходовые качества грузовых вагонов при скоростях до 140 км/ч проводилось методом математического моделирования в программном комплексе MEDYNA [10].

Для расчета была использована нелинейная математическая модель платформы для перевозки контейнеров с максимально допустимой осевой статической нагрузкой 20 тс. Были рассмотрены две конструктивные схемы буксового узла трехэлементной тележки, которая в центральном под-

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

93

вешивании имеет кусочно-линейную вертикальную характеристику и пространственную клиновую систему.

1. Первая ступень подвешивания с упругодиссипативной связью (пара амортизаторов, имеющая жесткость в трех направлениях: вертикальную 15...20 МН/м, продольную 2,5...5,0 МН/м, поперечную 0,75...3,0 МН/м).

2. Первая ступень подвешивания с упругофрикционной связью (сухим трением на опорной поверхности буксового проема и упругостью в продольном направлении 2,5...5,0 МН/м с возможностью суммарного продольного перемещения 7.12 мм).

ТАБЛИЦА 1. Сравнение показателей ходовых качеств порожнего вагона

Скорость движения на участке пути Расчетное значение параметра

Максимальное горизонтальное ускорение на пятнике кузова, доли g Максимальное вертикальное ускорение на пятнике кузова, доли g Отношение Нр/Ро Минимальный коэффициент запаса устойчивости

Прямая 80 км/ч Вариант 1 0,20 0,17 0,20 1,65

Вариант 2 0,21 0,15 0,20 1,62

100 км/ч Вариант 1 0,30 0,23 0,27 1,65

Вариант 2 0,30 0,22 0,27 1,55

120 км/ч Вариант 1 0,39 0,33 0,29 1,37

Вариант 2 0,39 0,30 0,31 1,31

140 км/ч Вариант 1 0,44 0,45 0,35 1,34

Вариант 2 0,44 0,42 0,34 1,40

Кривая 350 м 80 км/ч Вариант 1 0,20 0,17 0,24 2,75

Вариант 2 0,20 0,15 0,24 2,22

Кривая 650 м 120 км/ч Вариант 1 0,41 0,34 0,35 1,30

Вариант 2 0,41 0,30 0,36 1,48

Допускаемое значение параметра 0,55 0,75 0,40 1,30

Примечание. Вариант 1 - упругодиссипативная связь в первой ступени подвешивания; вариант 2 - упругофрикционная связь в первой ступени подвешивания.

Сравнение показателей ходовых качеств порожнего и груженого вагонов с неполной загрузкой одним груженым сорокафутовым контейнером (осевая нагрузка 12,6 тс) на тележках с различной конструктивной схемой буксового узла по результатам моделирования представлено в таблицах 1 и 2.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

94 Современные технологии - транспорту

ТАБЛИЦА 2. Сравнение показателей ходовых качеств груженого вагона

Скорость движения на участке пути Расчетное значение парамет ра

Максимальное горизонтальное ускорение на пятнике кузова, доли g Максимальное вертикальное ускорение на пятнике кузова, доли g Отношение Нр/Ро Минимальный коэффициент запаса устойчивости

Прямая 80 км/ч Вариант 1 0,21 0,18 0,15 2,04

Вариант 2 0,23 0,18 0,18 2,47

100 км/ч Вариант 1 0,36 0,26 0,20 2,04

Вариант 2 0,38 0,25 0,25 2,44

120 км/ч Вариант 1 0,53 0,37 0,25 1,61

Вариант 2 0,51 0,33 0,30 1,73

140 км/ч Вариант 1 0,58 0,45 0,27 1,78

Вариант 2 0,55 0,41 0,36 1,51

Кривая 350 м 80 км/ч Вариант 1 0,25 0,18 0,23 2,93

Вариант 2 0,23 0,18 0,23 2,87

Кривая 650 м 120 км/ч Вариант 1 0,45 0,36 0,32 2,05

Вариант 2 0,48 0,32 0,34 1,68

Допускаемое значение параметра 0,55 0,75 0,40 1,30

Примечание. Вариант 1 - упругодиссипативная связь в первой ступени подвешивания; вариант 2 - упругофрикционная связь в первой ступени подвешивания.

Как видно из таблиц 1 и 2, при скоростях движения до 140 км/ч по показателям ходовых качеств упругофрикционная связь не хуже упругодиссипативной связи. Это означает, что существует альтернатива применению горизонтально-упругих неметаллических элементов (амортизаторов) в первой ступени подвешивания.

3 Предложенная конструкция упругой скобы, устанавливаемой в первой ступени подвешивания трехэлементных тележек

В качестве конструкции, реализующей упругофрикционную связь в первой ступени подвешивания, была разработана упругая металлическая скоба (рис. 3), которая заклепочным соединением крепится к опорной поверхности буксового проема в концевой части боковой рамы. Упругая скоба имеет изогнутые вертикальные захваты с вырезами под ограничители продольных перемещений, плотно (с натягом) прилегающие к боковым поверхностям адаптера.

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

95

Рис. 3. Буксовый проем с установленной упругой скобой:

1 - упругая скоба; 2 - опорная поверхность буксового проема;

3 - вертикальные захваты; 4 - адаптер; 5 - ограничители продольных перемещений

При воздействии на колесные пары динамических возмущений, передающихся от неровностей железнодорожного пути при их качении, возбуждению колебаний извилистого движения препятствуют упругие скобы, плотно (с натягом) установленные на адаптеры через вертикальный захват. В результате скорость, при которой возбуждаются интенсивные колебания извилистого движения колесных пар, возрастает, а при низких скоростях улучшаются ходовые качества вагонов.

4 Результаты расчета скобы на прочность

Расчет прочности скобы производился с учетом требований «Норм...» [11] по первому и третьему расчетным режимам с учетом возможных максимальных износов упоров, ограничивающих перемещения адаптера в буксовом проеме.

По первому расчетному режиму рассматривалось относительно редкое сочетание экстремальных нагрузок, возникающих при торможении тележки вагонным замедлителем, при котором происходит контакт между упорами адаптера и боковой рамы. Основное требование при расчете на

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

96

Современные технологии - транспорту

прочность по этому режиму - не допустить появления остаточных деформаций (повреждений) в детали.

По третьему расчетному режиму рассматривалось относительно частое возможное сочетание умеренных по величине нагрузок, соответствующее рабочему режиму движения тележки, при котором зазор между упорами адаптера и боковой рамы не выбирается. Основное требование при расчете по этому режиму - не допустить усталостного разрушения узла или детали.

Расчет производился методом конечных элементов на основе трехмерной модели конструкции скобы, представленной на рисунке 4. Для расчета использовались объемные 20-узловые параболические конечные элементы.

Рис. 4. Трехмерная модель скобы

В качестве граничных условий было принято жесткое закрепление скобы по плоской поверхности, силовых условий - задание перемещений к изгибам малого радиуса с внутренней стороны.

Первому расчетному режиму соответствовало перемещение 7 мм (скоба полностью выпрямилась, и зазор между упорами адаптера и боковой рамы замкнулся), а перемещения по третьему расчетному режиму определялись с учетом осциллограмм продольных перемещений по результатам моделирования движения (рис. 5). По результатам моделирования в режиме движения максимальные перемещения в связи адаптер - боковая рама составили 1,25 мм.

В соответствии с конструкторской документацией скоба изготавливается из стали марки 60С2ХФА. Для этой стали допускаемое напряжение при первом режиме составляет 1470 МПа, при третьем - 750 МПа.

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

97

Рис. 5. Характерная осциллограмма перемещения в связи адаптер - боковая рама

В качестве результатов расчета методом конечных элементов были получены эпюры распределения эквивалентных напряжений в скобе, представленные на рисунке 6.

а)

б)

Рис. 6. Распределение полей эквивалентных напряжений в скобе, МПа: а - первый расчетный режим; б - третий расчетный режим

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

98

Современные технологии - транспорту

При первом и третьем расчетных режимах максимальные напряжения в скобе возникают на внутренних кромках полукруглого выреза и составляют 746 МПа и 134 МПа соответственно, что не превышает допускаемых напряжений.

Таким образом, конструкция скобы удовлетворяет условию прочности по первому и третьему расчетным режимам.

Заключение

Проведенный обзор конструкций буксового узла трехэлементных тележек грузовых вагонов позволил выявить основные недостатки применения неметаллических амортизаторов в качестве упругих элементов первой ступени подвешивания, а также невозможность обеспечения безопасного движения со скоростями свыше 120 км/ч при фрикционной связи колесных пар и боковых рам.

Методом математического моделирования движения платформы с осевой статической нагрузкой 20 тс на основе анализа полученных показателей ходовых качеств порожнего и груженого вагона показана возможность движения вагона со скоростями вплоть до 140 км/ч при использовании упругофрикционной связи в первой ступени подвешивания. При этом явных преимуществ упругодиссипативной связи не установлено.

Предложенная конструктивная реализация упругофрикционной связи в виде упругой скобы на основе конечно-элементного расчета обладает необходимой статической прочностью, что делает возможным ее установку в первую ступень подвешивания трехэлементных тележек.

Работа выполнена при поддержке Правительства Российской Федерации (субсидия Министерства образования и науки 2010-218-01-228).

Библиографический список

1. Экспериментально-теоретические исследования надежности полиуретановых упругих элементов в соединении «рама - букса» тележек грузовых вагонов / Ю. П. Бороненко, А. М. Орлова, Е. А. Рудакова, С. Г. Васильев, Г. В. Аношин // Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте : труды VI междунар. науч.-техн. конф. / ред. С. В. Елизаров, В. З. Васильев, А. В. Бенин. - СПб. : ПГУПС, 2004. -С. 71-77.

2. Обоснование возможности реализации рациональной горизонтальной жесткости тележки трехэлементной конструкции / А. М. Орлова // Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту iменi академша В. Лазаряна. -Вип. 5. - Дншропетровськ : Дншропетр. нац. ун-т залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна, 2004. - C. 157-162.

3. Создание тележки с самоцентрирующимися колесными парами на базе трехэлементной рамы / Ю. П. Бороненко, В. М. Бубнов, А. М. Орлова, Е. А. Рудакова // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты : сб. науч. статей - СПб. : ПГУПС, 2005. - С. 27-32.

4. Новая тележка для грузовых вагонов / В. М. Бубнов, Ю. П. Бороненко, А. М. Орлова, Е. А. Рудакова // Железные дороги мира. - 2005. - № 7. - С. 45-48.

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

99

5. Усталостные испытания амортизаторов буксового подвешивания тележек грузовых вагонов / А. М. Орлова, Е. А. Рудакова // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты : сб. научн. статей / ред. Ю.П. Бороненко, А. М. Орлова. - Вып. 4. -СПб. : ПГУПС, 2007. - С. 77-81.

6. Тележка модели 18-9750 для грузовых вагонов с осевой нагрузкой 25 т / Ю. П. Бороненко, А. М. Орлова // Проблемы и перспективы развития грузового вагоностроения : материалы науч.-техн. конференции / ред. проф. А. В. Смольянинов. - Екатеринбург : УрГУПС, 2006. - С. 81-83.

7. Тележка для грузового вагона нового поколения с осевой нагрузкой 25 тс / В. С. Коссов, В. А. Чаркин, Л. К. Добрынин, Ю. В. Мещерин, Э. С. Оганьян, В. Н. Огуенко, В. В. Березин // Проблемы и перспективы развития грузового вагоностроения : материалы науч.-техн. конференции / ред. проф. А. В. Смольянинов. - Екатеринбург : УрГУПС, 2006. - С. 131-133.

8. Тележка модели 18-9810: современные технологии, безопасность движения, снижение износов / А. М. Орлова, Е. А. Щербаков // Вагоны и вагонное хозяйство. -2010. - № 2. - С. 24-26.

9. Пат. 101985 Российская Федерация, МПК B 61 F 5/00. Узел соединения боковой рамы с колесной парой в тележке грузового железнодорожного вагона / Рудакова Е. А., Орлова А. М., Сухих И. В.; патентообладатель «АФСТ ЭДВАНСД ФРАЙТ КАР ТЕКНОЛОДЖИ ЛИМИТЕД» - № 2010143695/11; заявл. 27.10.10; опубл. 10.02.11, Бюл. № 4 - 2 с. : ил.

10. Компьютерное моделирование задач динамики железнодорожного подвижного состава. Ч. 3. Моделирование динамики грузовых вагонов в программном комплексе MEDYNA : учеб. пособие / В. С. Лесничий, А. М. Орлова. - СПб. : ПГУПС, 2002. - 35 с.

11. Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 319 с.

УДК 656.043.1

К. С. Шапиро, В. А. Соколов, В. Б. Соколов

СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА КОНТАКТНОЙ СЕТИ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ

В статье приводится доказательство необходимости использования систем непрерывного мониторинга контактной сети железных дорог. Произведен анализ существующих систем мониторинга состояния контактной сети на отечественных и зарубежных железных дорогах. Рассмотрена система диагностики и удаленного мониторинга состояния контактной сети (СДУМКС) разработки ООО «Мостовое бюро» и ПГУПС. Приведена методика оценки экономической эффективности от внедрения систем мониторинга контактной сети.

контактная сеть, высокоскоростная магистраль, технический мониторинг, датчик, экономический эффект.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3