Проект новой единицы подвижного состава включает сведения и расчеты, определяющие ее динамическое поведение во всем диапазоне скоростей движения, включая максимальную конструкционную скорость. Это необходимо для того, чтобы в проектах были обеспечены: условия безопасности движения проектируемого экипажа; требования минимизации динамических процессов при движении экипажа по пути во всем установленном для него диапазоне скоростей движения; требования по плавности хода экипажа; минимальный уровень интенсивности износа колес и рельсов и расстройств пути.
К сожалению, до сих пор не созданы нормативные документы, устанавливающие подходы к решению задач, которые ставятся при разработке проекта экипажа, в частности при оценке его динамических качеств и воздействия на путь. Имеющиеся нормативные документы, например, для расчетов вагонов на прочность [115] лишь частично касаются вопросов, связанных с динамикой только одного вида экипажей — вагонов. По-видимому, целесообразно составить перечень основных исходных данных, необходимых для составления проекта, описать методы их определения, тенденции, намечающиеся в их выборе, перечислить необходимые расчеты при проектировании экипажа и указать возможные способы их выполнения.
При проектировании экипажа основными характеристиками по которым дается оценка взаимодействия его с железнодорожным путем, являются: 1) колесная формула экипажа; 2) общие габариты и, в частности, база экипажа, схема и размеры, определяющие точки опирания кузова на тележки; 3) база тележек, расстояния между осями в тележках; 4) параметры кузова: его размеры, масса, положение центра тяжести, моменты инерции кузова относительно подвижных осей координат, проходящих через центр тяжести кузова; 5) параметры тележек: основные размеры, массы элементов, положение их центров тяжести, моменты инерции относительно осей координат, проходящих через эти точки (по обрессоренным и необрессоренным массам); 6) вертикальные нагрузки от осей на рельсы и погонные нагрузки от экипажа на путь и от каждой тележки; 7) принципиальная схема рессорного подвешивания; 8) значения вертикального статического прогиба рессорного подвешивания (общего и по ступеням) и его запаса на колебания; 9) параметры демпфирования рессорного подвешивания; 10) горизонтальная гибкость рессорного подвешивания и демпфирование горизонтальных колебаний; 11) амплитудно-частотные характеристики вертикальных и боковых колебаний экипажа; 12) вертикальные динамические силы, возникающие при колебаниях обрессоренных и необрессоренных частей экипажа; 13) параметры возможных вертикальных вибраций кузова как гибкой упругой конструкции; 14) оценка устойчивости невозмущенного движения экипажа; 15) максимальные динамические вертикальные и горизонтальные поперечные силы, возникающие при движении экипажа на прямых участках пути; 16) динамические поперечные горизонтальные силы, появляющиеся при вписывании экипажей в кривые, а также минимально допустимый радиус кривой, по которой еще возможно движение экипажа; 17) вертикальные и горизонтальные динамические силы, возникающие при прохождении экипажем стрелочных переводов; 18) запас устойчивости экипажа от въезда гребней колес на головку рельсов; 19) показатели плавности хода экипажа; 20) факторы износа колес и рельсов; 21) оценки запаса устойчивости пути поперечному сдвигу при движении экипажа; 22) величины, характеризующие безопасность движения экипажа (средние и максимальные силы, воспринимаемые рельсами, напряжения в элементах верхнего строения пути); 23) величины, характеризующие безопасность движения и определяемые прочностью элементов экипажа (силы и напряжения в элементах экипажа, разрушение которых может привести к крушению или аварии).
Первая группа этих характеристик (1—6) является исходной в расчетах и оценке процессов взаимодействия подвижного состава и пути. Они выбираются или определяются при разработке технических требований и технического задания на проектирование- экипажа и служат основной частью проектного задания (эскизного проекта) на экипаж. Исходные данные определяются на основе комплексного системного подхода по конечным технико-экономическим показателям большого числа вариантов. Общее представление об этой части работы можно составить по специальной литературе, описывающей конструкции подвижного состава и приемы их расчета [94, 115, 220, 221, 222 и др.].
Методы выбора этих параметров для различных видов подвижного состава различны и зависят главным образом от технико-экономических требований, вытекающих из целевого назначения проектируемого экипажа, достигнутых и перспективных технических и технико-экономических показателей по рассматриваемому в проекте виду подвижного состава. Однако оценка принимаемых в таких случаях основных исходных характеристик и параметров подвижного состава с точки зрения взаимодействия пути и подвижного состава совершенно необходима.
Вопросы выбора колесной формулы, осевых и погонных нагрузок, базы экипажа и тележек, а следовательно, и общих размеров экипажа, его кузова и тележек тесно связаны между собой. Ключевыми параметрическими характеристиками наряду с выбором габаритов для экипажа являются его погонные нагрузки и нагрузки от оси колесной пары на рельсы.
Если исходить из условий эксплуатации подвижного состава в перспективе, а именно эксплуатации на участках высокой грузонапряженности, а также из того, что строительство и эксплутация железных дорог будут захватывать районы с суровым климатом, т. е. районы, где железнодорожный путь из-за замерзания большую часть года имеет большую жесткость, динамические характеристики проектируемого подвижного состава приобретают особое значение. К этому следует добавить, что новые железные дороги будут строиться и в районах со сложным рельефом, где большое количество кривых в плане и сложный профиль пути требуют, чтобы экипажи были «гибкими» в плане и хорошо вписывались в кривые. Характерным примером таких линий может быть Байкало-Амурская магистраль.
В описанных условиях для экономии средств на строительство железных дорог необходимо будет стремиться повышать сцепной вес локомотивов и погонные нагрузки на путь у вагонов при минимальных уровнях осевых нагрузок. Эти положения справедливы и применительно к существующей сети железных дорог, особенно там, где провозная способность дорог может быть повышена только за счет увеличения массы поезда, а значит, за счет повышения силы тяги локомотива и погонных нагрузок на путь у вагонов.
Следует считать прогрессивным такое направление в конструировании локомотивов, при котором максимальная сила тяги по сцеплению обеспечивается при минимальных осевых нагрузках. Для грузовых вагонов прогрессивным показателем конструкции следует считать максимально возможную по прочности пути и искусственных сооружений общую погонную нагрузку от вагона (при возможно меньших осевых нагрузках), что позволяет поднять массу состава до максимума без удлинения станционных путей при минимальных силах взаимодействия подвижного состава и пути.
Увеличение погонных нагрузок от экипажей (особенно грузовых вагонов) должно происходить без заметного увеличения погонных нагрузок у отдельных его тележек, поскольку это увеличивает напряжения в основании пути, а следовательно, и интенсивность накопления остаточных деформаций балластного слоя и земляного полотна. Более того, чрезмерное повышение погонных нагрузок отдельных тележек может быть причиной внезапного разрушения насыпей земляного полотна из-за выпирания грунтов из насыпи и пластических их деформаций.
Следовательно, наиболее целесообразной мерой по повышению сцепного веса локомотивов, а особенно общей и погонной нагрузки вагонов у вновь проектируемых экипажей, может быть увеличение числа осей. Напротив, как показывают исследования, повышение погонной нагрузки у грузовых вагонов путем применения повышенных осевых нагрузок менее эффективно, чем за счет увеличения числа осей вагона и, безусловно, приводит к повышенному воздействию этих вагонов на путь.
Для повышения грузоподъемности существующих и эксплуатируемых грузовых вагонов (если они обладают резервами прочности) за счет некоторого снижения надежности вагонов и пути может быть экономически оправдано повышение осевых, а тем самым погонных нагрузок этих вагонов. Так, в последние годы были подняты осевые нагрузки у грузовых вагонов с 215—220 кН в начале до 230 кН, а затем до 255 кН.
Выбор уровней осевых нагрузок подвижного состава является технико-экономической задачей, в которой должны сопоставляться прибыли от увеличения перевозок и сокращения некоторых расходов в эксплуатации, достигаемые повышением осевых нагрузок, с убытками, возникающими из-за снижения надежности подвижного состава и пути, увеличения расходов на их ремонт и содержание, а также из-за снижения провозной способности и повышения отказов в работе подвижного состава и пути.
При современных условиях эксплуатации (качестве рельсовой стали, размерах износа колес и рельсов и т. п.) максимальные осевые нагрузки до 180—200 кН почти не вызывают или вызывают очень небольшое количество контактно-усталостных повреждений колес и рельсов. Это подтверждается результатами эксплуатации рельсов на подавляющем количестве железных дорог Европы.
Повышение максимальных осевых нагрузок сверх 180—200 кН приводит к появлению в рельсах дефектов контактно-усталостного происхождения, а свыше 220—240 кН — к повышению выхода из строя колес и рельсов по этим и другим дефектам. Однако сейчас на некоторых железных дорогах считают экономически оправданным увеличение вагонных нагрузок до 230—255 кН (СССР) и 250—290 кН (США), а локомотивных — до 250— 275 кН (СССР) и 300 и даже 355 кН (США).
Максимальные погонные нагрузки на путь, исходя из современного уровня несущей способности земляного полотна и искусственных сооружений, приняты равными 900 кН/м [115]. В недалекой перспективе они, по-видимому, будут подняты и достигнут 100—105 кН/м. Максимальные динамические погонные нагрузки от одной тележки на 1 м пути определяются по формуле
(6.167)
исходя из результатов расчетов устойчивости грунта в верхней части насыпи, применительно к климатическим условиям СССР, они не должны превышать 150—170 кН/м.
В формуле (6.167) Qтел. дин наибольшая динамическая на
грузка на тележку, включающая статическую и динамическую нагрузки от подпрыгивания и галопирования, кН; 2а+ — база тележки, м. В знаменателе формулы константа 2,2 введена для учета передачи давления подрельсовому основанию от тележки за пределами ее крайних колес.
После выбора указанных выше (см. пп. 1—6) исходных данных на основании имеющегося опыта расчетов и экспериментальных данных, а также рекомендаций по использованию различных нормативных характеристик выбираются конструктивная схема и ее параметры, относящиеся к рессорному подвешиванию и необрессоренным массам (пп. 7—12 приведенного выше перечня); при этом уточняются и параметры кузова (п. 4).
Выбор схемы рессорного подвешивания представляет собой -сложную задачу, которая решается с учетом общих требований по динамике надрессорного строения, специфических требований, предъявляемых к данному экипажу, а также общей технической компоновки конструкции экипажа. Возможные схемы рессорного подвешивания и их классификация приведены, например, в работах [223, 224, 225].
При проектировании рессорного подвешивания экипажей стремятся обеспечить минимальные амплитуды колебаний и ускорений кузова, тележек, тяговых двигателей и другого их оборудования. Вместе с тем при проектировании локомотивов для увеличения возникающих при тяге сил сцепления колес с рельсами стремятся добиться максимального выравнивания нагрузок от колес на рельсы за счет выбора схем подвешивания и размещения тяговых двигателей. Для этого используются также противоразгрузочные устройства [94].
В соответствии с техническими требованиями на проектирование локомотивов по условиям динамики можно принять следующие ориентировочные значения общего статического прогиба рессорного подвешивания: для пассажирских локомотивов с конструкционными скоростями 140—160 км/ч — не менее 140 мм, для грузовых с конструкционными скоростями 100—120 км/ч — не менее 100 мм и для маневровых с конструкционными скоростями 60—90 км/ч — не менее 80 мм.
Для вагонов [115] рекомендуются следующие значения статических прогибов рессорного подвешивания: для пассажирских общего назначения (под тарой) 150—200 мм для скоростей до- 160 км/ч и 250—300 мм для скоростей до 200 км/ч и более; для почтовых и багажных под нагрузкой брутто 130—160 мм; для изотермических под нагрузкой брутто 70—100 мм; для грузовых вагонов под нагрузкой брутто (новых) 45—60 мм и модернизированных 30—50 мм. В пассажирских вагонах и локомотивах рекомендуется делать двойное подвешивание при статическом прогибе в первой ступени, составляющей 20—30% полного статического- прогиба рессор в обеих ступенях.
Максимальный полный статический прогиб рессор должен быть больше расчетного статического прогиба не менее чем на 80% у грузовых вагонов, на 50—70% У пассажирских вагонов и на 70—80% у локомотивов. Для гашения вертикальных колебаний рекомендуется коэффициент сопротивления демпфера
где k кр — критическое его значение; при k кр возникают апериодические колебания экипажа;
— жесткость рессорного комплекта; fст — его статический прогиб; g — ускорение свободного падения.
Для гашения горизонтальных колебаний рекомендуется коэффициент сопротивления демпфера определять по формуле
lп — приведенная длина люлечной подвески, определяемая как отношение половины веса кузова к удельному возвращающему усилию (жесткости) шарнирно-маятниковой люльки (центрального подвешивания) тележки при ее боковых отклонениях.
При гашении вертикальных колебаний сухим трением на рессорах с характеристикой, близкой к линейной, коэффициент относительного трения рекомендуется принимать равным 2—6%, для гашения горизонтальных колебаний — 2,5—8%.
В буксовом подвешивании обычно применяют фрикционные демпферы с постоянной силой трения или силой трения, пропорциональной нагрузке на рессорный комплект. Сила трения в этом случае должна составлять 5—7% статической нагрузки на рессорный комплект под груженым экипажем.
При выборе параметров рессорного подвешивания необходимо также проверять его на валкость (устойчивость) кузова, т. е. на способность кузова восстанавливать свое вертикальное положение. Для этого, как известно, метацентр кузова должен находиться выше центра тяжести кузова. В нормах проектирования вагонов размер этого превышения (метацентрической высоты) предусматривался равным 1,5—2,0 м.
Высота метацентра над центром колебаний экипажа с одинарным подвешиванием определяется по формуле
а при двойном
Здесь b — расстояние между рессорами, измеренное поперек пути при одинарном подвешивании; b1 и b2 — соответственно расстояния между рессорами в первой и второй ступенях подвешивания; f1 и f2 — значения статических прогибов первой и второй ступеней.
Необрессоренные массы должны быть минимальными. Так, в технических требованиях к проектируемым локомотивам по условиям прочности, динамики и воздействия на путь [194] рекомендуется принимать массу необрессоренных частей в расчете на одну ось не более 3,5 т при опорно-рамном подвешивании электровозов и тепловозов, не более 4,5 т при опорно-осевом подвешивании для тепловозов, 5 т для электровозов переменного тока и 6 т для электровозов постоянного тока. В настоящее время в связи с применением современных материалов в конструкциях двигателей и редукторов указанные выше нормы необрессоренных масс необходимо несколько понизить.
По принятым таким образом в первом приближении конструктивным данным определяются характеристики экипажа, перечисленные в пп. 12—23. Для этого используются методы расчетов, описанные в главах 3 и 4 настоящей книги.
Результаты таких расчетов анализируются и на основе этого анализа корректируется конструкция экипажа или параметры его элементов и оценивается эффективность такой корректировки. Иначе говоря, конструкция уточняется методом последовательных приближений. Получаемые значения действующих динамических сил используются на всех стадиях проектирования, в том числе для расчетов прочности различных элементов экипажа.