Краткий исторический обзор возникновения и развития железнодорожного транспорта в России и за рубежом 43 страница

или пространственная модель испытываемо­го элемента вагона 3 разной длины и высоты. Силовое нагружение модели произво­дится различными способами в зависимости от того, на действие какой силовой на­грузки испытывается модель элемента вагона. При действии только вертикальной ста­тической нагрузки обычно используются специальные мерные грузы 4 определенной массы, имитирующей статическую нагрузку. При испытании модели элемента вагона на нагружение продольными растягивающими или сжимающими силами используют­ся специальные гидравлические прессы.

Рис. 14.9. Схема стенда для испытания элемен тов металлической обшивки кузова вагона на прочность и устойчивость

Испытания на прочность и устойчивость элементов металлической обшивки кузова ва­гона производятся на стенде (рис. 14.9), состо­ящим из основания 7, соединенного со специ­альной рамкой 2, которая имитирует условия закрепления обшивки 3 на кузове вагона. На­грузка на испытываемую обшивку кузова ва­гона создается гидроцилиндрами 4.

Для испытания элементов и деталей натурной тележки пассажирского вагона на вертикальные силы применяются электрические, гидравлические или пневматичес­кие стенды, на которых производятся исследования прочности надрессорных балок, боковых балок рамы тележки, подвесок и других деталей, например, тележки типа КРЗ-ЦНИИ или типа КВЗ-5 с двойным рессорным подвешиванием (надбуксовое и центральное) пассажирских вагонов.

Несущая рама У стенда (рис. 14.10) установлена на мощном фундаменте и имеет пере­движные опоры 2 для установки на них испытываемой тележки 3, которая нагружается через измерительное устройство 4 для измерения прикладываемой к тележке вертикальной нагрузки с помощью пневматического, гидравлического или электрического нагрузочного устройства. Подобные стенды применяются также для исследования прочности отдельных деталей ваго­на с применением тензодатчиков (проволочных датчиков сопротивления) для определения напряжений в деталях.

При исследовании динамической прочности отдельных узлов и деталей вагона на мно­гократные повторяющиеся удары применяются маятниковые контровые ударные установки с одним и двумя маятниками.

Одномаятниковый репетиционный копер типа УКМ-1, разработанный в ВНИИЖТе и установленный на экспериментальном кольце на станции Щербинка Московской ж. д., состоит из маятника У (рис. 14.11) весом 8,0 т, подвешенного на тягах 2 к жесткой раме 2; пневматического толкателя 4 для возбуждения колебаний маятника У; рамы б, заделанной в железобетонный устой 7 для установки испытываемого узла 5.

Рис. 14.10. Схема стенда для испытания элементов Рис. 14.11. Схема одномаятникового

и деталей вагона от действия вертикальных сил репетиционного ударного копра тина УКМ-1

Величина энергии удара или скорость удара маятника регулируется изменением дав­ления воздуха в цилиндре пневматического толкателя 4, под воздействием которого маят­ник У перемещается на тягах 2 из нижнего положения в крайнее верхнее, из которого маят­ник возвращается в нижнее положение под действием силы его тяжести при отсутствии сжатого воздуха в цилиндре толкателя, при этом маятник ударяется в испытываемый узел.

После этого все повторяется сначала. Сила удара маятника достигает 50—250 тс, а частота ударов — 50 в минуту.

Для испытания, приработки и записывания силовой диаграммы «сила—деформация» поглощающего аппарата автосцепки применяется специальный стенд (рис. 14.12), состоя­щий из станины У, пневматического или гидравлического цилиндра 2, силоизмерителыюго

устройства 2, записывающего устройства 4, рычажной системы 5, соединенной с испытывае­мым аппаратом бис цилиндром 2.

В процессе испытания на этом стенде по­глощающего аппарата производится сопос­тавление фактически полученных на стенде диаграмм «сила —деформация» с норматив­ными расчетными диаграммами по развива­емой аппаратом максимальной силе, погло-

Рис. 14.12. Схема стенда для испытания щаемой энергии, по форме диаграммы энер-

поглощающих аппаратов автосцепки гоемкости.

Для испытания натурных вагонов на про­дольные растягивающие и сжимающие силы при­меняется специальный гидравлический стенд- пресс (рис. 14.13), состоящий из гидравлической станины 7, которая подает рабочую жидкость (мас­ло) в силовой гидроцилиндр 2, взаимодействующий с автосцепкой 3 испытуемого вагона 4; несущей прямоугольной рамы 5 с упорами 6 на попереч­ной балке 7, которая может передвиг аться по дли- р_ис 1413 Схема стенда для испытания вагонов не стенда с шагом 2,0 м с целью установки на стен- па продольные сжимающие и растягивающие де вагонов различной длины. ^силы

1 2 3 4 5 6 7

Давление в гидроцилиндре 2 до 50 МПа создается топливным насосом с приводом от элек­тродвигателя. Гидравлическая станция обеспечивает плавное повышение и понижение давления масла и его постоянство в процессе испытаний. Смонтированная на стенде-прессе электронная измерительная система обеспечивает одновременную регистрацию показаний большого коли­чества тензодатчиков, с помощью которых одновременно определяются напряжения в 200 точ­ках вагона. Максимальная продольная сила, получаемая на стенде-прессе, составляет 4000 кН.

На этом стенде имеется также пневматическое устройство для испытания кузова вагона на вертикальную статическую нагрузку до 3000 кН. Такой стенд-пресс, спроектированный под руко­водством О.Г. Бойчевского, в течение длительного времени работает на экспериментальном кольце ВНИИЖТа на станции Щербинка.

Для испытания вагонов на продольные ударные нагрузки с целью оценки его напря­женного состояния, проверки прочности и устойчивости вагона и его узлов при ударе в автосцепку с заданной величиной продольной силы или скорости соударения применя­ется стенд-горка (рис. 14.14), имеющая рельсовый путь 2 с уклоном спуска 50 %<>, мощный П-образный упор 7 массой 5500 т, машинное отделение 3.

Рис. 14.14. Схема специального стенда-горки для испытаний ваго­нов на продольные ударные нагрузки, прикладываемые к вагону через автосцепку

Для испытания на растяги­вающие силы имеется траверса 5, прикрепленная жестко к испыту­емому вагону 4. Подъем вагона наверх горки после удара в упор производится лебедкой, установ­ленной в машинном отделении 3.

Мощность электродвигателя ле­бедки 125 кВт, наибольшее тяго­вое усилие — 140 кН. Время од­ного цикла испытаний при ско­рости соударения 25,2 км/ч рав­но 2 мин при массе испытывае­мых вагонов до 132 т и 3,5 мин при массе испытываемых ваго­нов от 132 до 264 т.

14.2.2. Динамические поездные испытания

Динамические поездные (ходовые) испытания являются одним из основных этапов отработ­ки конструкции вагона и оценки его динамических и прочностных качеств. В зависимости от целей они бывают общединамическими и специальными. К общединамическим испытаниям относятся: — заводские, проводимые заводом-изготовителем. Целью их является проверка рабо­ты отдельных узлов вагона и конструкции его в целом; но результатам этих испытаний завод-изготовитель дорабатывает опытный образец вагона;

— приемочные поездные испытания, во время которых проверяется соответствие динамичес­ких качеств вагона требованиям заказчиков вагона и всем действующим нормам расчета и эксплу­атации вагонов. При этих испытаниях определяются ходовые качества вагона (плавность хода, устойчивость против поперечного опрокидывания вагона в кривых, устойчивость колеса на рель­се), динамические силы, действующие на элементы вагона и железнодорожного пути, динамичес­кие силы, от которых зависит прочность и надежность вагона в длительной эксплуатации.

По результатам приемочных испытаний устанавливаются пригодность вагона к эксп­луатации на сети железных дорог России, стран Балтии и стран СНГ и условия обращения вагонов на них. В частности, устанавливается допустимая скорость движения вагона, при которой обеспечивается безопасность движения, требуемая прочность, устойчивость и не­обходимая плавность хода вагона (в основном для пассажирского вагона) на прямых и кривых участках современной типовой конструкции верхнего строения пути, удовлетво­ряющей установленным нормам текущего содержания.

Кроме общединамических испытаний проводятся также специальные поездные (хо­довые) испытания: тормозные по оценке эффективности тормозных систем вагона, на ус­тойчивость вагона против выжимания его из поезда продольными силами в тяжеловесных длинносоставных поездах; длительные для определения величии и характера распределе­ния во времени динамических сил, действующих на вагон за время его длительной эксплу­атации; по погрузочно-разгрузочным операциям с определением сил, возникающих в эле­ментах конструкции грузового вагона при погрузке и выгрузке с применением специаль­ных устройств (вагоноопрокидыватели, грузоподъемные краны, вибро-инерционные раз­грузочные установки, накладные вибраторы и т.п.).

Методика проведения испытаний разрабатывается в зависимости от поставленной за­дачи и определяет порядок подготовки вагона к испытаниям, виды и объем измерительной регистрирующей аппаратуры и ее размещение на вагоне, режимы нагружения испытывае­мого вагона и порядок проведения испытаний, характеристики опытного участка пути, ме­тоды автоматической обработки опытных данных и применяемая при этом аппаратура.

Частоты собственных колебаний вагона и моменты инерции обрессоренной массы испытываемого вагона определяются перед началом динамических (ходовых) испытаний путем свободного перекатывания вагона через подложенные под колеса специальные кли­нья, устанавливаемые в определенном порядке для имитации подпрыгивания, галопиро­вания и боковой качки кузова вагона. При падении колес с клиньев возникают собствен­ные колебания кузова вагона на рессорном подвешивании, соответствующий анализ кото­рых позволяет определить частоту, декремент затухания амплитуд колебаний и момент инерции обрессоренной массы вагона.

При динамических (ходовых) испытаниях вагонов измеряются специальными прибо­рами и регистрируются следующие величины и процессы:

— вертикальные и поперечные (иногда и продольные) горизонтальные ускорения ку­зова вагона в зоне пятника кузова (для пассажирского вагона также и в средней части ку­зова) и на раме тележки;

— динамические напряжения в иадрессорной балке и боковых рамах грузовых теле­жек, в боковых балках рамы и элементах люлечного подвешивания тележки пассажирско­го вагона, в оси колесной пары и в диске колеса;

— поперечные горизонтальные (рамные) силы, действующие от колесных пар на раму тележки;

— частоты и характер колебания вагона и его узлов (колебания кузова и рамы тележ­ки, виляние тележки относительно кузова и рельсов в рельсовой колее, взаимное забегание или обгон боковых рам грузовой тележки).

При динамических прочностных испытаниях измеряются динамические напряжения через деформации в исследуемых элементах и узлах вагона и динамические силы, действу­ющие при этом на исследуемые элементы и узлы вагона, а также вертикальные и попереч­ные горизонтальные ускорения элементов и узлов вагона.

По результатам динамических (ходовых) испытаний определяются следующие дина­мические показатели для оценки динамических качеств вагона:

— коэффициент динамической добавки вертикальных сил по обрессоренной и нео- брессоренной массам вагона, представляющий собой отношение динамической силы или динамического напряжения к статической силе или статическому напряжению соответ­ственно в надрессориой балке и боковой раме тележки;

— поперечная горизонтальная (рамная) сила;

— условный коэффициент горизонтальной динамики, представляющий собою отноше­ние рамной силы к осевой нагрузке (нагрузка брутто-вагона от колесной пары на рельсы);

— коэффициент динамической нагрузки рессорных комплектов вагона;

— коэффициент запаса устойчивости колеса от вкатывания его гребнем на головку рельса с последующим сходом с головки рельса;

— коэффициент запас устойчивости рельсошпальной решетки пути от поперечного сдвига по балласту под воздействием рамной силы как отношение рамной силы к верти­кальной нагрузке от колесной пары на рельсы;

— коэффициент запаса поперечной устойчивости вагона в кривых от опрокидывания как отношение статической нагрузки колеса на рельс к дополнительной нагрузке колеса на рельс от центробежной силы и силы ветра;

— показатель плавности хода вагона (обычно для пассажирских вагонов);

— показатели кинематики узлов вагона (поворот тележки относительно кузова ваго­на, обгон или забегание боковых рам грузовой тележки, перемещение колесных пар отно­сительно рамы тележки и рельсов, поперечный относ кузова и т.п.).

Динамические (ходовые) испытания на устойчивость вагона на рельсах, при которых не исключена возможность схода его с рельсов, или испытания со скоростями, существен­но превышающими допускаемые в эксплуатации, обычно проводятся на специальных по­лигонах (экспериментальное кольцо на станции Щербинка Московской ж. д., скоростной испытательный полигон Белореченская—Майкоп Северо-Кавказской ж. д.). В этом слу­чае на участках пути полигона создаются, как правило, различного вида искусственные неровности на обоих рельсах в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Величина ам­плитуд, характер и сочетание этих неровностей выбираются наиболее неблагоприятными для возбуждения интенсивных колебаний вагона при заданной определенной скорости дви­жения вагона, но в пределах допускаемых инструкцией по текущему содержанию пути, при которых еще нет необходимости вводить ограничение скорости движения поездов.

При комплексных динамических испытаниях и испытаниях по воздействию вагона на путь выбирают, как правило, фиксированные прямые и кривые участки пути ограничен­ной длины, которые оборудуются соответствующими измерительными приборами для определения напряжений в рельсах, изгибов рельсов под воздействием поперечных гори­зонтальных сил со стороны вагона, напряжения на основной площадке земляного полот­на, усилий от рельсов на шпалы и балласт. Максимальная скорость движения при испыта­ниях должна превышать проектную конструкционную скорость опытного вагона не менее чем на 15—20 км/ч.

Динамические ударные испытания грузовых вагонов, при которых продольные удар­ные силы прикладываются к раме вагона через автосцепку, проводят с целью определения динамических напряжений и их распределения в элементах рамы и кузова вагона, предель­ной допустимой величины продольной силы, при которой может произойти разрушение рамы или кузова вагона; для оценки соответствия характеристик поглощающего аппарата автосцепки массе данного вагона и условиям его эксплуатации.

Ударные испытания могут проводиться с одиночным вагоном, который ударяет­ся в группу заторможенных груженых вагонов, стоящих на прямом горизонтальном участке железнодорожного пути, или в который ударяется груженый вагон-боек,

при различной скорости соударения. Кроме того испытания группы вагонов на действие продольных сил проводятся при трогании грузового поезда с места, осаживании поезда, при торможении (служебное, экстренное) и при движении поезда по переломам профиля пути, т.е. при неустановившихся режимах движения грузового поезда.

При динамических испытаниях на соударение одиночного грузового вагона груженый вагон-боек накатывается на стоящий в группе заторможенных вагонов испытываемый ва­гон, оборудованный измерительными приборами, локомотивом, который отцепляется от вагона-бойка при достижении им заданной скорости соударения (по скоростемеру локомо­тива). Уточненная скорость соударения вагона-бойка с испытываемым вагоном определяет­ся но времени прохода вагоном-байком контрольного участка пути длиной 10 м, располо­женного непосредственно перед стоящим испытываемым на соударение вагоном.

Сигналы от измерительных приборов на стоящем испытываемом вагоне поступают по электрическим кабелям с защитным экраном от электрических помех в вагон-лаборато­рию, стоящую на параллельном железнодорожном пути.

Рис. 14.15. Схема динамометрической автосцепки: а — электрическая; 6 — монтажная

Для измерения продольной силы удара, передающейся через корпус ав­тосцепки на раму вагона, применяет­ся динамометрическая автосцепка (рис. 14.15) с наклеенными на хвосто­вике корпуса автосцепки активными (рабочими) проволочными тензодат- чиками 1—4, наклеенными вдоль оси действия и компенсационными датчи­ками К,—К₄, наклеенными поперек оси действия продольной силы. Дина­мическая автосцепка оттарирована с помощью гидравлического пресса с целью определения соотношения меж­ду продольной силой и вызываемым ею напряжением в хвостовике авто­сцепки в зоне упругости по показани­ям тензодатчиков.

Кроме продольной силы удара измеряются также напряжения в элементах конст­рукции вагона с помощью тензодатчиков, продольные ускорения вагона с помощью ускорениемеров; относительные продольные и поперечные перемещения ударяющихся вагонов и деформации сжатия поглощающих аппаратов автосцепки с помощью рео- хордных прогибомеров, а также скорость соударения вагонов.

14.2.3. Статические прочностные испытания вагонов

Статический режим нагружения характеризуется однократным и длительным прило­жением внешней нагрузки к узлам вагона, монотонно достигающей своей максимальной величины. Основными задачами статических прочностных испытаний являются:

— всестороннее исследование прочности новой конструкции вагона или исследование прочности только его отдельных элементов или узлов в связи с частичным изменением конст­рукции вагона;

— исследование устойчивости несущей конструкции вагона в целом или ее отдель­ных элементов;

— проверка правильности и рациональности конструктивного решения;

— проверка правильности применения расчетных схем вагона и результатов расчетов и сопоставление между собою результатов расчетов и испытаний.

Режим нагружения вагона выбирается с учетом максимальных сил, возникающих в экс­плуатации вагона. При статических прочностных испытаниях основными силами являются силы от вертикальной статической нагрузки (вес груза и тары вагона), продольные силы, силы скручивания кузова вагона, приложенные в плоскости шкворневых балок; силы от рас­пора сыпучих грузов на боковые стены кузова вагона; гидростатическое давление жидкости и внутреннее давление газов в котле цистерны; силы, возникающие при разгрузке вагона на вагоноопрокидывателе; силы, возникающие при подъеме кузова вагона домкратами при ре­монте вагона, располагаемыми по диагонали под концами шкворневых балок или под од­ним концом шкворневой балки, или под лобовой (торцевой) балкой рамы кузова.

При статических прочностных испытаниях важное значение имеет правильный вы­бор мест наклейки тензодатчиков для измерения деформаций, по которым впоследствии определяются напряжения в элементах вагона. Тензодатчики должны наклеиваться в мес­тах ожидания наибольших напряжений, в местах предположения излишней затраты ме­талла конструкции вагона; в местах, позволяющих проверить расчетную схему и результа­ты расчетов, а также на наиболее ответственных элементах, от которых непосредственно зависит безопасность движения вагона по условиям его прочности.

Направление установки тензодатчиков и их количество в каком-либо месте конструкции ва­гона зависит от вида напряженного состояния. При прост ом линейном напряженном сост оянии достаточно установить в каждом исследуемом месте вагона один активный тензодатчик в направ­лении наибольших деформаций. В этом случае можно использовать измерительные схемы разме­щения тензодатчиков (А — активный, К — компенсационный), приведенные в табл. 14.2.

При плоском линейном напряженном состоянии могут быть два случая: направления главных напряжений известны; направления главных напряжений неизвестны. В первом случае каждый из двух тензодатчиков наклеивается по направлениям действия главных напряжений (рис. 14.16). При такой схеме размещения тензодатчиков напряжения равны:

ь | + с р с т — е | р

о, =£- о, = £-=------------- —, (14.4)

1-11- 1-ц-

где Е - модуль упругости стали; и коэффициент Пуассона;

г, и £,- деформации элемента конструкции вагона, регистрируемыетензодатчикамисоответственно первым и вторым:

К ч ¹ /

£, =— (o-i - Ц^₂); е₂ = — (а₂-ро,). (14.5)

b L

Во втором случае необходимо использовать три тензодатчика (рис. 14.17), при распо­ложении которых под углами 0°, 45° и 90° направление первого главного напряжения оп­ределяется углом а:

_tg2a _ bzzklbs)' _(I46)

£₀

где e , г.., и £,,.. — деформации, измененные тензодатчиками, расположенными под углами соответ-

О 4 Г' 90 ¹

ствснно 0°, 45° и 90°.

Величины деформаций по направлению главных напряжений определяются по формулам:

1 / Ч + £90 ) ¹ (_{г |г} ^е()^-е9(Л

” 2 ⁺ _Cos2a j" 2 ( ~ cos2a ]' ⁽¹⁴⁷⁾

Рассмотрим на ряде примеров схемы расположения тензодатчиков на некоторых эле­ментах вагона.

Рис. 14.18. Схема установки тензодатчиков 7,2 и 3 на про­катном стержне (уголок)

Рис. 14.17. Размещение тензодат­чиков 7, 2 и 3 при неизвестном на­правлении главных напряжений

Рис. 14.16. Размещение тензодат­чиков 7 и 2 при известном на­правлении главных напряжений