Сравнительная оценка динамических и кинематических показателей тележки модели 18-9771

Сравнительная оценка динамических и кинематических показателей тележки модели 18-9771

Одним из важных направлений развития железнодорожного транспорта Российской Федерации является совершенствование ходовых частей грузового подвижного состава, направленное на минимизацию затрат на обслуживание вагонов, повышение эксплуатационной надежности, увеличение скорости движения и уменьшение воздействия на путь.

В связи с этим в отечественном вагоностроении активно ведется разработка новых и модернизация существующих тележек грузовых вагонов. При этом, как показывает практика, различные типы вагонов требуют дифференцированного подхода к подбору параметров, определяющих характеристики взаимодействующих систем «кузов - тележка», и параметров ходовых частей.

Кузов грузового вагона взаимодействует с тележкой  через опорное соединение «пятник – подпятник – скользуны» и совершает во время движения колебания и угловые повороты относительно вертикальной, продольной и поперечной осей. Главное назначение скользунов заключается в предотвращении чрезмерной перевалки кузова на подпятнике тележки и уменьшении амплитуды виляния тележки, однако при увеличении момента трения в опорном соединении «пятник – подпятник – скользуны» увеличивается силовое воздействие на рельсовый путь, колесные пары и буксовые узлы тележки.

Поэтому в зависимости от назначения грузового вагона и особенностей конструктивного исполнения кузова возникает необходимость выбора параметров скользунов. Обоснование параметров соединения системы «кузов – тележка» является важной и сложной задачей, от решения которой в значительной мере зависит улучшение динамических качеств вагонов. Существующие в настоящее время теоретические методы не позволяют с достаточной достоверностью исследовать влияние параметров скользунов и рессорного комплекта на динамические и кинематические показатели рельсовых экипажей. Поэтому актуальным является накопление и систематизация экспериментальных данных по динамике и кинематике тележек с различными параметрами скользунов.

В рамках данной задачи в Инженерном центре выполнен комплекс экспериментальных исследований по сравнительной оценке  динамических и кинематических показателей тележки модели 18-9771 производства ЗАО «Промтрактор-Вагон» (г. Канаш) и тележки модели 18-578 производства ФГУП «ПО «Уралвагонзавод» (г. Нижний Тагил) с эталоном. В качестве эталона была использована тележка модели 18-9770 производства ЗАО «Промтрактор-Вагон», конструкция которой предусматривает следующую схему взаимодействия «кузов – тележка»: кузов вагона через плоский пятник опирается на подпятник надрессорной балки тележки, при этом во время движения для ограничения амплитуды перевалки кузова предусмотрены жесткие скользуны.

Тележка модели 18-9771 имеет трехэлементную нежесткую раму, защиту пар трения в буксовом и рессорном проеме, линейное рессорное подвешивание с увеличенным до 68 мм статическим прогибом. Учитывая недостаточность информации о рациональных параметрах упругих скользунов, а также необходимость подбора параметров скользунов под различные типы кузова, при проектировании надрессорной балки тележки было разработано универсальное крепление, позволяющее использовать различные скользуны ведущих мировых производителей.

Таким образом, конструкцией тележки модели 18-9771 предусмотрена возможность установки упругих и упруго-роликовых скользунов фирм А.Stucki, Miner, ООО «Вагонмаш», ФГУП «УВЗ». Ответные части скользунов, устанавливаемые на кузов вагона для жестких и упругих скользунов, имеют различную конструкцию. Однако на практике может возникнуть необходимость в подкатке тележки модели 18-9771 под кузов вагона, предназначенный для эксплуатации на тележке 18-100. Поэтому конструкция надрессорной балки предусматривает возможность установки жесткого скользуна, полностью повторяющего скользун тележки 18-100.

В результате сформированы четыре варианта исполнения тележки 18-9771: вариант № 1 предусматривает установку упругого скользуна ВМ 003.000 с фрикционным клином фирмы «Рокада» (рис. 1а); вариант № 2 – установку упруго-каткового скользуна ISB-12 и фрикционного клина фирмы A.Stucki (рис. 1б); вариант № 3 – упругого скользуна ССВ и фрикционного клина фирмы A.Stucki (рис. 1в) и вариант № 4 предусматривает установку жесткого скользуна с фрикционным клином фирмы «Рокада» (рис. 1г).

Перечисленные упругие скользуны прошли комплекс стендовых статических и динамических испытаний, по результатам которых определены их основные параметры (табл. 1).

Рис. 1. Варианты исполнения тележки модели 18-9771

Тележки модели 18-9771 во всех четырех исполнениях проходили ходовые испытания на Скоростном полигоне ВНИИЖТа (ст. Белореченская Северо-Кавказской железной дороги) в апреле-мае 2007 года (рис. 2). Тележки испытывались в составе полувагонов моделей 12-1302, 12-1303 производства ЗАО «Промтрактор-Вагон» (табл. 2) в порожнем и груженом режимах. При этом единственное отличие этих полувагонов состоит в том, что они имеют различную конструкцию ответных частей скользунов, установленных на кузове.

Для проведения испытаний был сформирован опытный состав (рис. 3). В качестве вагона-эталона принят полувагон модели 12-1302 с тележками модели 18-9770, а в качестве вагонов № 1 и № 2 – полувагоны моделей 12-1302 (тележки модели 18-9771 вариант № 4) и 12-1303 (тележки модели 18-9771 варианты 1, 2 и 3).

Рис.2. Скоростной полигон для испытаний подвижного состава

Рис.3. Схема опытного состава для проведения ходовых испытаний

На испытаниях применялось следующее оборудование:

– в качестве аналого-цифрового преобразователя – тензометрический усилитель MGCplus производства Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH;

– для регистрации ускорений – датчики ускорений марки B12/500;

– для измерения прогибов и перемещений элементов тележки и вагона относительно друг друга – пластинчатые прогибомеры с тензодатчиками.

В процессе испытаний регистрировались данные, которые можно разделить на динамические и кинематические (взаимные перемещения элементов тележки). С целью корректного сравнения динамических и кинематических показателей тележек опытные поездки проводились с исследуемыми тележками и эталоном одновременно.

Динамические показатели определялись в соответствии с РД 24.050.37-95 [1]. Кинематические показатели – согласно методике, разработанной в Инженерном центре, в основу которой положена кинематическая схема тележки (рис. 4).

Рис. 4. Кинематическая схема тележки с номерами тел и степенями свободы

В качестве глобальной системы координат, связанной с кузовом вагона, принята система координат со следующим направлением осей: ось Z направлена вверх, ось Х – вдоль оси пути в направлении движения вагона, ось Y – влево по ходу движения вагона. Начало глобальной системы координат находится в центре опорной поверхности пятника кузова вагона.

При исследовании кинематики тележек в ходе испытаний регистрировались следующие показатели:

– взаимное забегание боковых рам тележки;

– горизонтальные (поперечные) перемещения боковой рамы относительно надрессорной балки;

– перемещения колесных пар относительно кузова по трем направлениям (продольное, поперечное и вертикальное);

– вертикальные перемещения надрессорной балки относительно кузова.

На схеме синим цветом обозначены регистрируемые перемещения тел в направлении соответствующей оси, при этом цифра в обозначении указывает номер тела (в соответствии с рис. 4), а индекс – соответственно правую и левую сторону. 

Рис. 5. Регистрируемые перемещения элементов тележек

Для регистрации перемещений элементов тележек (рис. 5) применялись пластинчатые прогибомеры со специально разработанными приспособлениями для их крепления:

– вертикальные перемещения надрессорной балки относительно кузова регистрировались при помощи прогибомеров 1, установленных на обоих концах надрессорной балки 2 и соединенных упругой связью 3 с боковыми рамами 4 и через жесткую связь 5 с кузовом вагона 6 (рис. 6).

Рис.6. Схема крепления прогибомеров для определения вертикального перемещения надрессорной балки относительно кузова

– перемещение колесных пар относительно кузова регистрировалось прогибомерами по трем направлениям – продольному, поперечному и вертикальному (рис. 7);

Рис. 7. Схема крепления прогибомеров для регистрации перемещений колесных пар относительно кузова по трем направлениям (продольное, поперечное и вертикальное)

– взаимное забегание боковых рам регистрировалось с использованием прогибомера 1, установленного на боковой раме 2 и жестко соединенного балкой 3 с другой боковой рамой 4 (рис. 8).

 

Рис. 8. Схема крепления прогибомера для регистрации взаимного забегания боковых рам тележки

При ходовых испытаниях были получены блоки экспериментальных данных по следующим показателям:

динамические показатели

– рамная сила;

– коэффициенты вертикальной динамики обрессоренных и необрессоренных частей;

– угол виляния тележки относительно кузова в прямых участках пути;

кинематические показатели

– угол виляния надрессорной балки относительной кузова;

– угол боковой качки надрессорной балки относительно кузова;

– углы виляния колесных пар относительно кузова;

– угол виляния боковой рамы относительно кузова;

– угол забегания боковых рам относительно друг друга;

– углы набегания колесных пар на рельсы (кривая R500 м).

Углы набегания колесных пар на рельсы в кривой определялись по методике, разработанной ВНИИЖТом [2].

В качестве иллюстраций результатов испытаний приводятся сравнительные диаграммы динамических и кинематических показателей тележек, полученных при скорости движения опытного состава 90 км/ч (допускаемая скорость для грузовых поездов по Приказу МПС России от 12.11.2001 г. № 41 [3]) (рис. 9).

Рис. 9. Диаграммы сравнения динамических и кинематических показателей тележек

Таким образом, в результате анализа полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:

– получены экспериментальные данные, позволяющие сравнивать динамические и кинематические показатели тележек модели 18-9771 в различных исполнениях с тележкой модели 18-9770 – эталоном;

– применение в тележке 18-9771 пружин с увеличенным статическим прогибом и клиньев с уретановой накладкой позволило снизить коэффициенты вертикальной динамики по сравнению с тележкой-эталоном. Причем упругие скользуны постоянного контакта (1, 2 и 3 вариант исполнения тележки 18-9771) снижают коэффициенты вертикальной динамики в среднем на 26% в порожнем режиме и на 30% в груженом режиме по сравнению с тележкой модели 18-9770;

– установка упругих скользунов постоянного контакта снижает амплитуду виляния тележки на прямом участке пути, причем с увеличением жесткости скользунов амплитуда колебаний виляния уменьшается. Максимальное уменьшение достигает 70% при установке скользунов А.Stucki CCB (вариант исполнения № 3);

– максимальные рамные силы у тележек модели 18-9771 в различных комплектациях меньше, чем у тележки модели 18-9770 в порожнем режиме в среднем на 32%, в груженом режиме – на 11%;

– сравнительный анализ динамических показателей тележек модели 18-9771 в различных комплектациях с тележкой 18-578 показал, что тележка 18-9771 по ходовым качествам не хуже тележки 18-578;

– при установке упругих скользунов постоянного контакта уменьшаются взаимные угловые перемещения надрессорной балки, колесных пар относительно кузова и уменьшается перевалка кузова (угол боковой качки надрессорной балки относительно кузова) по сравнению с тележками, оборудованными жесткими скользунами;

– на прямых участках и при высоких скоростях движения требуются тележки со скользунами с большей жесткостью и соответственно с большим моментом сопротивления повороту тележки относительно кузова, что приводит к уменьшению амплитуды и частоты виляния тележки;

– на маршрутах с малыми скоростями движения и большим количеством кривых требуется меньшее сопротивление повороту тележки и лучшее вписывание в кривые. В этом случае целесообразно применение скользунов с меньшей жесткостью;

– по каждому из кинематических показателей для разных вариантов исполнения тележки получены зависимости, которые являются исходными данными для оценки ресурса и темпов изнашивания основных пар трения тележки при дальнейших исследованиях

В настоящее время Инженерным центром совместно с заводом-изготовителем проводятся работы по дальнейшему совершенствованию конструкции тележки модели 18-9771 с целью увеличения усталостной прочности, износостойкости и улучшения динамических и эксплуатационных показателей.

Список литературы

1. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества: РД 24.050.37‑95. – ГосНИИВ, 1995. – 102 с.

2. Ромен Ю. С. Влияние перемещений элементов тележки грузового вагона на углы набегания колесных пар в кривых / Ю. С. Ромен, В. М. Богданов, А. В. Заверталюк // Вестник ВНИИЖТ. – М., 2002. – № 2.

3. О нормах допускаемых скоростей  движения подвижного состава по железнодорожным путям колеи 1520 (1524) мм : приказ МПС № 41 от 12.11.2001 г. – М., 2001.