Краткий исторический обзор возникновения и развития железнодорожного транспорта в России и за рубежом 44 страница

наклеиваются вдоль продольной оси балки, а компенсационные К — в поперечном на­правлении. Каждый активный и компенсационный тензодатчики соединены попарно в от­дельные электронные схемы (девять схем), как показано на рис. 14.21, б.

датчиков А в сечении В—В Рис. 14.21. Размещение тензодатчиков на продольной боковой балке тележки типа ТВЗ-ЦНИИ (а) и электрическая схема соединения тензодатчиков в каждой точке сечения В—В (б)

14.2.4. Вибрационные испытания

Вибрационные испытания вагонов проводятся с целью определения усталостной проч­ности (долговечности) вагона и его отдельных деталей и узлов на специальных стендах для получения абсолютных или сравнительных данных по долговечности. В первом случае кон­струкция вагона или отдельных элементов подвергается воздействию вибрационных нагру­зок, эквивалентных по повреждающему действию всем эксплуатационным нагрузкам, выз­ванным колебаниями обрессоренных и необрессоренных частей вагона. Во втором случае режим опытных (испытательных) нагрузок обычно является форсированным, но при ус­ловии сохранения физической природы разрушения конструкции вагона в целом или от­дельных его узлов и элементов. При сравнительных вибрационных испытаниях в равных
условиях проверяются два или более узлов соединения и сопоставляется их долговечность. При этом целесообразно сравнивать новую конструкцию, новую конфигурацию вагона с серийной, хорошо зарекомендовавшей себя в эксплуатации.

Вибрационные испытания на долговечность вагона в целом требуют особенно тщатель­ного обоснования методики и режимов испытания; обычно такие испытания, как правило, являются сравнительными и проводятся на специальных стендах, например, во ВНИИЖТе или на вагоностроительных заводах в Нижнем Тагиле Свердловской области, в Барнауле (Алтайский вагоностроительный завод), в Твери, Мариуполе и Кременчуге.

Особенно распространены вибрационные испытания отдельных узлов и элементов ва­гона, например, рамы, кузова, надрессориой балки, боковой рамы грузовой тележки, рамы пассажирской тележки, рессорного комплекта. При этих испытаниях обычно используются типовые испытательные машины и стенды для испытания на усталость, например, прессы с гидропульсаторами или специальные электромагнитные возбудители вибраций, работаю­щие, как правило, в резонансном режиме. Исходными данными для разработки методики таких испытаний являются статические закономерности изменения нагрузок и напряжений, действующих в рассматриваемом узле или элементе вагона во время его эксплуатации.

Вследствие того, что в настоящее время нормируются показатели надежности для многих элементов вагонов, особое значение имеет внедрение соответствующих виб­рационных испытаний на вагоностроительных заводах. Эти испытания, как правило, проводятся по достаточно малой выборке статических данных, объем которой зави­сит от заданной точности определения показателей надежности вагона.

1 4 Рис. 14.22. Схема стенда для вибрационных испытаний вагонов

Для вибрационных испытаний вагона в целом применяется вибрационный стенд, по­казанный на рис. 14.22. Стенд состоит из пульсаторов в фундаментных нишах. В нижней части тележек установлены плиты 4 для возбуждения колебаний кузова 3 вагона. В начале вибрационных испытаний включаются в работу возбудители 1 с регулируемой частотой возбуждения, которые при взаи­модействии с плитами 4 возбуж­дают колебания кузова 3 вагона.

Рис. 14.23. Схема стенда для виб­рационных испытаний рессорных комплектов тележек модели 18-100

После этого включаются в рабо­ту пневматические пульсаторы 2 и производятся длительные виб­рационные испытания отдель­ных узлов вагона и элементов ку­зова, тележки, а также электро­двигателей, компрессоров, уст­ройств кондиционирования воз­духа в пассажирских вагонах и других агрегатов с неполностью уравновешенными силами инер­ции вращающихся колес.

Для вибрационных испытаний рессорных комплексов грузовой тележки модели 18-100 применяется вибростенд, показанный на рис. 14.23. Стенд имеет станину I с закреп­ленными на ней стойкой 2 и шарнирной балкой 3 с грузом 4, имитирующим массу кузова вагона. Привод стенда с по­мощью катка и толкателя 5 имитирует воздействие желез­нодорожного пути по оси буксового проема на боковую раму тележки 6. В другом буксовом проеме боковой рамы тележки и на надрессориой балке тележки установлены измерительные устройства 7. Привод стенда возбуждает
вынужденные колебания груза 4, а измерительные устройства 7 регистрируют амплитуд­но-частотные характеристики, по которым определяются динамическая нагруженность рес­сорного комплекса и техническое состояние упругих и демпфирующих элементов (фрик­ционный клин и фрикционная планка) рессорного комплекта.

Процесс затухания свободных колебаний внешне проявляется в уменьшении амплитуд отклонения груза 4 от его равновесного положения вследствие рассеивания кинетической энергии колебания фрикционными гасителями колебаний тележки. Анализ полученной виб- ратограммы (рис. 14.24) позволяет определить частоту колебаний со. по формуле:

Рис. 14.24. Виброграмма свободных затухающих колебаний одномассовой колеблющейся системы: с — ампли­туда колебаний; 7— период колебаний; / — время; Лг — уменьшение амплитуды колебаний за один период

По измерению уменьшения амплитуд колебаний Дл. за один период колебаний можно определить коэффициент поглощения механической энергии.

14.2.5. Измерительно-регистрирующие приборы, применяемые

при испытании вагонов

Наиболее часто для измерения механических параметров (деформация, сила, ускоре­ние) применяются электрические методы, имеющие следующие преимущества:

— позволяют дистанционно измерять и непрерывно записывать (регистрировать) на бумажную осциллографическую или магнитную ленту, а также вводить в компьютер через аналогово-числовой преобразователь измеряемые механические параметры;

— позволяют достичь большой чувствительности измеряемых схем;

— позволяют устранять инерционные погрешности, связанные с влиянием собствен­ной массы измерительных приборов, называемых тензодатчиками или тензорезисторами.

Для измерения электрическим методом механических напряжений или каких-либо других механических величин измеряемый параметр преобразуется в пропорциональ­ное изменение соответствующей электрической характеристики (ток, напряжение, ча­стота и т.п..) с помощью тензодатчиков. Работа тензодатчика основана на тензоэф- фекте проводника или полупроводника, прочно приклеенного к поверхности нагру­женной детали или элемента испытываемого вагона специальным клеем. Под тензо- эффектом подразумевается свойство проводника или полупроводника изменять свое электрическое сопротивление при их деформации (растяжение, сжатие, изгиб),

вследствие чего возникает разбалансировка мостовой схемы ^а (мост сопротивлений Уитстона) с тензодатчиками, на кото­рую реагируют измерительно-регистрирующие приборы (ос­циллограф, магнитограф, преобразователь с компьютером).

Известно большое количество тензодатчиков, которые можно условно разделить на проволочные, фольговые и полу­проводниковые. Проволочный тензодатчик сопротивления (рис. 14.25) представляет собой изолированную проволочную решетку в виде зигзагообразной спирали, заклеенной между двумя слоями специальной тонкой бумаги или пластмассы. Тен- зодатчики имеют номинальное сопротивление 50, 100, 200 Ом и базу Н 5, 10 и 20 мм. Для таких тензодатчиков применяется константановая (сплав меди и никеля) или нихромовая (сплав никеля с хромом) проволока диаметром 0,015—0,025 мм. К кон­цам зигзагообразной спирали припаяны проволочные выводы.

Фольговые тензодатчики изготавливаются методом трав­ления или штамповки из Константиновой фольги, закрепляе­мой на планочной или бумажной основе. Все фольговые датчи­ки самотермокомпенсационные, при их применении возможно проведение весьма стабильного или высокоточного измерения деформаций любого тела независимо от изменения температу­ры окружающей среды, если тензодатчики соответствуют ко­эффициенту линейного расширения материла.

Особенно успешно освоили серийный выпуск фольговых тен­зодатчиков японская фирма Киова (рис. 14.26) и германская фирма НВМ для измерения деформаций в деталях из углеродистой стали, нержавеющей стали, сплавов алюминия, магниевого сплава.

Фирма Киова выпускает фольговые тензодатчики моделей KFC-5-C1; KFC-2-C1; KFC-2-D1 до KFC-2-D9; KFC-5-D16; KFC-2-D16; KFC-5-D17; KFC-2-D17 с длиной решетки от 0,9 до 4,0 мм, коэффициентом тенозочувствительности 2,0—2,1 и сопротивлением 120 Ом.

Для приклеивания тензодатчиков на отшлифованной поверхности измеряемой детали при­меняются клеи видов: РС-6, затвердевающий при нагревании, для диапазона рабочих темпера­тур от-50 до +100 °С; ДС-12, затвердевающий при обычной температуре окружающей среды, для диапазона рабочих температур от -50 до +170 °С; СС-15, затвердевающий при обычной температуре окружающей среды, для диапазона рабочих температур от -20 до +100 °С.

Фирма НВМ выпускает фольговые датчики серий Y, С, К, G, V, каждая из которых содер­жит по несколько типов датчиков, отличающихся параметрами и формой укрепления (приклеи­вания) их к изолирующей подложке. Тензодатчики имеют номинальное сопротивление 120,350, 700 и 1000 Ом; базу 0,6; 1,5; 3; 6; 10; 20; 50; 100 и 120 мм. Есть тензодатчики с одной, двумя, тремя и четырьмя измерительными решетками на одной изоли­рующей подложке. Ряд тензо­датчиков делается в форме цепочки (с десятью последо­вательно расположенными измерительными резистора­ми на узкой изолирующей подложке). Длина и ширина измерительной решетки со­ответственно 1, 2,0, 4,0 и 1,0, р_ис 14.26. Фольговые тензодатчики различных видов типа PH ESTER 1,3; 2,1; 3.0; 4,1 мм. (Япония)

Некоторые тензодатчики делаются в форме розетки или с измерительными решетка­ми, наклеенными на круглую изолирующую подложку и расположенными относительно друг друга под углом 45 или 90°.

Полупроводниковые тензодатчики. изготовляются из полупроводниковых материа­лов и представляют собой тонкую полоску из германия или кремния с припаянными к ней металлическими выводами для соединения тензодатчиков между собою в измерительную электрическую цепь и с электрическим кабелем с защитным экраном, присоединенным к электронной усилительной аппаратуре, расположенной на испытательном стенде или в передвижном динамометрическом вагоне. Полупроводниковые тензодатчики имеют чув­ствительность на один, два порядка выше, чем проволочные и фольговые тензодатчики.

Основными характеристиками тензодатчиков всех типов являются чувствительность, номинальное сопротивление и база. Для испытания вагонов используются чаще прово­лочные тензодатчики с номинальным сопротивлением 100 и 200 Ом и с базой соответ­ственно 10 и 20 мм. Для испытания отдельных деталей вагона сложной конфигурации мо­гут применяться также тензодатчики с номинальным сопротивлением 30 и 50 Ом и с базой соответственно 3 и 5 мм.

Рассмотренные выше тензодатчики используются для создания самых различных измерительных приборов: динамометров, прогибомеров, ускорениемеров или аксе­леромеров.

В качестве динамометров при испытаниях вагонов используются отдельные детали ваго­нов, например, диск колеса, ось колесной пары, боковая рама и надрессорная балка тележки, корпус автосцепки с наклеенными на них в определенных местах тензодатчиками, соединен­ными в электрические цепи и отпарированными на прессах или с помощью специальных при­способлений для измерения вертикальных и поперечных горизонтальных (рамных) сил.

Для измерения вертикальных динамических сил или динамичес­ких напряжений, возникающих при колебаниях вагона под воз­действием неровностей пути, ис­пользуется надрессорная балка те­лежки с наклеенными на ней тен­зодатчиками (рис. 14.27). Прово­лочные тензодатчики наклеены в сечении А—А около бокового скользуна и в среднем сочленении Б—Б надрессорой балки.

Тензодатчики так соединены между собой в отдельные элект­рические схемы, что регистриру­ют деформации только от верти­кальных сил, так как в местах на­клейки тензодатчиков, включен­ных в разные плечи полумоста со­противлений, возникают дефор­мации одинакового знака (плюс или минус) и не возникают разба- лансировки моста сопротивлений с тензодатчиками.

Вертикальные силы, действую­щие на боковую раму тележки, мож­но определять с использованием
активного тензодатчика, наклеенного вдоль боковой рамы, и температурного (компенсацион­ного) датчика, наклеенного вблизи активного датчика поперек боковой рамы. Оба тензодатчи­ка соединяются между собою последовательно во внешнюю часть измерительного моста.

Для определения масштаба записи вертикальных сил на осциллографическую бумагу или магнитную ленту производится тарировка измерительных схем путем подъемки и опус­кания груженого кузова с заранее известным весом. Взвешивание производится на железно­дорожных весах вагона в целом и по двум тележкам отдельно электрическими домкратами с одновременной регистрацией деформаций надрессорной балки и боковой рамы тележки в местах наклейки тензодатчиков. На основании этой тарировки находится соотношение между напряжениями, найденными по записанным деформациям, и вертикальной силой.

Для определения поперечной горизонтальной (рамной) силы при испытаниях ваго­на тензодатчики наклеиваются на боковые рамы тележки и собираются в электрические схемы так, как показано на рис. 14.28. Рамная сила, действующая от колесной пары на боковые рамы тележки, равна сумме рамных сил, действующих от каждого колеса на боковую раму тележки.

Для установления зависимо­сти между рамной силой и напря­жением в боковых балках рамы тележки, определяемым через де­формацию металла боковых рам тележки в месте наклейки тензо­датчиков, производится тари­ровка измерительных схем путем прикладывания к боковым ра­мам заранее известной попереч­ной силы с помощью тяги — ди­намометра, устанавливаемого на тележке вместо одной выкачен­ной колесной пары.

Для определения малых про­гибов и относительных переме­щений деталей вагона, в частно­сти надрессорной балки тележки при прогибе пружин рессорных комплектов, применяются плас­тинчатые или язычковые проги- бомеры (рис. 14.29), на консоль- но закрепленной пластине 1 ко­торых сверху и снизу наклеены тензодатчики R1 и R2, включен­ные в противоположные плечи измерительного моста.

Пропорциональные прогибу пластины деформации ее верхних и нижних волокон одинаковые по величине, но различные по знаку, что приводит к разбалан- сировке измерительного моста сопротивления.

Для измерения достаточ­но больших величин прогиба упругих элементов рессорного подвешивания вагона обычно применяются реохордные про- гибомеры (рис. 14.30), в кото­рых при передвижении ползу­на и по реохорду 5 изменяется пропорционально перемеще­нию ползуна 4 электрическое сопротивление между точками /; 2 и 2, подключенными к бло­ку балансировки моста.

Рис. 14.30. Электрический реохордный прогибомер для измерения до­статочно больших прогибов рессорных комплектов и относительных перемещений деталей вагона (обгон боковых рам грузовой тележки, поворот надрессориой балки относительно боковой рамы грузовой тележки и т.н.)

Для определения масш­таба записи прогиба прогибо­мер тарируется путем откло­нений ползуна (поводка) 4 на заданную величину и в за­данном направлении. Масш­

таб определяется как отношение амплитуды перемещения ползуна 4, зафиксированной на осцилографической или магнитной ленте, к заданной величине перемещения ползуна 4 прогибомера при его тарировке.

Применяются также индуктивные и емкостные датчики перемещений, последние обла­дают высокой чувствительностью, но требуют применения достаточно сложной аппарату­ры и весьма чувствительны к внешним воздействиям. Индуктивный датчик представляет собою катушку индуктивности, параметры которой могут изменяться под воздействием из­меряемой величины переме­щений и которая взаимодей­ствует с подвижным якорем.

Для измерения ускоре­ний обрессоренной массы ва­гона (кузов, надрессорная бал­ка тележки) и необрессорен- ной массы (боковая рама, те­лежки, букса) применяются ус- корениемеры различных ти­пов. В частности, применяет­ся ускорениемер типа УВТ-66 конструкции ВНИИЖТа (рис. 14.31), состоящий из инер­ционной сейсмической массы 3, подвешенной к корпусу ус- корениемера 2 через упругий шарнир подвески 6. Ускорени­емер прочно соединяется через резиновую прокладку с колеб­лющейся деталью вагона I. Возникающая пропорцио­нальная ускорению сила инер- Рис. 14.31. Ускорениемер типа УВТ-66 (а) для регистрации низкочас- ,

тотных ускорений, его принципиальная схема (6) и осциллограмма Д^ии деформирует тонкие упру-

тарировки (в) гие пластины или ленты 4 и 5,

вызывая соответствующие изменения сопротивлений R1 и R2, наклеенных на пластины тен­зодатчиков, что фиксируется измерительными приборами, включенным в одну из диаго­налей моста сопротивлений Уитстона. Такой ускорениемер применяется для измерения ускорений обрессоренной части вагона (кузов, надрессорная балка, тележка). Ускорение­мер для измерения ускорений необрессоренной массы вагона (боковая рама тележки, бук­са) аналогичен по конструкции и принципу действия ускорениемеру для измерения уско­рений обрессоренной массы вагона.

Рис. 14.32. Ускорениемерфирмы Кио­ва для измерения ускорений в трехос­ном направлении: а — серии AS-B; 6 - серии AS-A

Отличие состоит в том, что он имеет значительно мень­шую сейсмическую массу и поэтому практически не чувстви­телен к ускорениям малой величины и позволяет замерять ускорения необрессоренной массы с более высокой частотой.

Из ускорениемеров, выпускаемых за рубежом, наиболь­ший интерес представляют ускорениемеры японской фир­мы Киова, выпускающей ускорениемеры типа А (для заме­ра ускорений от 1,0 до 10 g) и типа AS (для замера ускоре­ний от 10 до 1000 g) с использованием в них проволочных или фольговых тензодатчиков для измерения ускорений в одноосном направлении. Для измерения ускорений в тре­хосных направлениях фирма выпускает миниатюрные ус- коренисмеры (рис. 14.32) для измерения ускорений до 50 g при частоте до 700 Гц (типа AS-B) и для измерения ускоре­ний до 1000 g при частоте до 3500 Гц (тип AS-A). Благодаря малому весу (от 50 до 500 г) и малогабаритности они не ис­кажают вид колебания испытываемого элемента вагона.

Для усиления электрических сигналов, идущих от измерительных приборов, при­меняются электронные полупроводниковые двенадцатиканальные усилители типа ТУП- 12 производства ВНИИЖТ, шестиканальные усилители типа DPM-E и DPM-G японс­кой фирмы Киова, усилители немецкой фирмы НБМ и др. Выходная мощность усили­телей позволяет записывать результаты измерения деформаций испытываемых дета­лей вагона на электромагнитные осциллографы с черно-белой или цветной фотобума­гой, магнитные самописцы (магнитографы) или вводить результаты измерения через аналогово-цифровой преобразователь в компьютер.

С помощью компьютера результаты измерений обрабатываются по заранее разрабо­танной программе. Методика и программа обработки результатов испытаний вагонов за­висят от особенностей регистрируемых процессов. Так как измеряемые показатели в ос­новном имеют вероятную (случайную) природу, то при их обработке преимущественно применяют методы математической статистики. При экспериментальных исследованиях эти методы применяются для решения следующих задач:

— оценки степени точности измерений прочностных динамических показателей ваго­нов и воздействия их на путь;

— определения статических закономерностей распределения измеряемых случай­ных величин, имеющих вероятностную природу (динамические напряжения, силы, де­формации, ускорения, время работы до отказа и т.д.);

— определения показателей надежности по результатам испытаний;

— при планировании и проведении многофакторных экспериментов.

Для ускорения обработки результатов испытаний вагонов применяются различные автома­тические установки, непосредственно соединенные с компьютерами, в которые вводятся заранее разработанные соответствующие программы. Например, для получения коэффициента запаса ус­тойчивости колеса на рельсе и показателя плавности хода пассажирских вагонов применяются автоматические методы и соответствующее автоматическое устройство с использованием магни­тографов для записи мгновенных значений вертикальных и поперечных горизонтальных сил, дей­ствующих на набегающее и ненабегающее колесо колесной пары, а также компьютеров.

Дальнейшее развитие и совершенствование экспериментальных исследований (ис­пытаний) вагонов является важной задачей разработки новых более рациональных кон­струкций вагонов и повышения их надежности. Большое значение имеет применение новых принципов планирования многофакторных экспериментов, позволяющих одно­временно оценить влияние различных факторов на исследуемые характеристики вагона и получить математическую модель исследуемого процесса.

Важное значение для прогресса вагоностроения и совершенствования вагонного пар­ка железных дорог России имеет дальнейшее развитие методов стендовых и поездных (хо­довых) испытаний вагонов в целом и их узлов в отдельности, что должно обеспечиваться укреплением экспериментальной базы вагоностроительных заводов и научно-исследова­тельских институтов. Среди стендовых испытаний вагона на прочность наиболее важны испытания на усталость. Совершенствование методов и практики таких испытаний пред­полагает расширение возможностей силонагружающих устройств с целью более полного воспроизведения на стендах схем и характера действия на конструкцию вагона или его отдельных узлов реальных эксплуатационных нагрузок и их комбинаций. Для оператив­ных оценок целесообразно более широко применять апробированные методы ускоренных испытаний, в частности, по типу метода Лохати.

Для расширения возможностей регистрации вероятностно-статистического анализа исследуемых динамических показателей вагонов при экспериментальных исследованиях вагонов следует применять современную тензометрическую технику в совокупности с бор­товой многоканальной регистрирующей и обрабатывающей аппаратурой на базе персо­нальных компьютеров. При этом необходимы систематические исследования по иденти­фикации параметров железнодорожного пути, на котором проводились ходовые испыта­ния в качестве представительного отрезка всей сети железных дорог России. Это дает воз­можность выработки обоснованных рекомендаций по уточнению методик проведения ди­намических ходовых и прочностных испытаний вагонов и оценки результатов.

Дальнейшие исследования по этим направлениям позволят повысить достоверность проектных и экспериментальных оценок прочностных и динамических качеств вновь создаваемых вагонов, что обеспечит дальнейшее повышение прочности, надежности и безопасности движения вагонов.

14.3. Общие сведения о гарантийном сроке службы вагонов

Под гарантийным сроком службы вагонов понимается срок эксплуатации или нара­ботка вагона до первого планового (деповского) ремонта после постройки вагона. Он за­висит от структуры системы ремонта, интенсивности эксплуатации, прочностных характе­ристик конструкции вагона, стоимости постройки и затрат на ремонты вагона. Гарантий­ный срок службы вагона может быть определен из квадратного уравнения:

я/² +Ы, + с = 0. (14.9)

-Ь±л[ь² + 4 ас

Откуда /[7 ⁼ ~ ,

2 а

^п 1 ^п 1 ^п а/ 1 п (п -а,)²

nea-W + M—lt b-b_l(a,2—-2-M с -1 I ^W °^l) ■■ -(D ₊ S -Q),

к =2 к =2 Ufc k^lbk 4 £=2 Ьк

Здесь a a₂ a .. ..a_n; b, b₂ b₃ .. .b_n — параметры роста затрат на текущие ремонты вагона по мере его старения; определяются по статическим данным отцепок вагона в текущие ремонты;

D — суммарные затраты на деповские и капитальные ремонты за срок службы вагона, оп­ределяются по установленным МПС нормативам затрат на деповской и капитальный ремонт;

S — покупная цена вагона, руб.;

Q — ликвидная цена вагона (10—15 % от покупной цены).

От гарантийного срока службы вагона зависит нормированный срок службы вагона (НСС) до его списания из инвентарного парка вагонов

НСС где/, /, /₃ ..../₂₍₎ — межремонтные сроки службы вагона.

/=|

Ь, .1 _t Щ-ч

- Ь₂ 2Ък Ъ_к ¹ 2Ьк

Значения коэффициентов а и Ь указаны выше.

На основании расчетов установлены следующие нормированные сроки службы гру­зовых вагонов:

— полувагоны — 22 года;

— вагоны-хопперы для перевозки цемента, минеральных удобрений — 26 лет;

— вагоны-хопперы для перевозки зерна — 30 лет;

— крытые вагоны, цистерны, платформы — 32 года.