УДК 629.4.015.001.57
Е.П. БЛОХИН, д-р техн. наук, профессор, ДИИТ (Украина)
А.М. БОНДАРЕВ, канд. техн. наук, доцент, ДИИТ (Украина)
В.Л. ГОРОБЕЦ, канд. техн. наук, ДИИТ (Украина)
А.Е. КРИВЧИКОВ, аспирант, ДИИТ (Украина)
В.В. ЧУМАК, канд. техн. наук, НПК «ДЭВЗ» (Украина)
Д.А. ЯГОДА, научн. сотр., ДИИТ (Украина)
РЕЗУЛЬТАТЫ УДАРНЫХ ИСПЫТАНИЙ
МАГИСТРАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА ДС-3
УроботіприведенорезультатиударнихвипробуваньмагістральногоелектровозаДС3.
ВработеприведенырезультатыударныхиспытаниймагистральногоэлектровозаДС3.
In paper results of impact tests of electric locomotive DS3 are submitted.
1 Методикапроведенияиспытаний
Целью испытаний являлось: определение напряженного состояния основных несущих конструкций рамы кузова и тележки, коэффи -циентов запаса прочности и проверка их соот -ветствия требованиям [1] и Нормам [2]; опре -деление ускоренийрамы тележки, кузова элек -тровоза, а также основных устройств систем управленияработойэлектровоза.
Припроведении испытаний использовались вагон-лаборатория, электровозДС3-001, тепло -воз ЧМЭ3 и состав из одиннадцати груженых вагоновПриднепровскойжелезнойдороги.
Приэтом измерялисьвпродольном направ -ленииускорения вследующихместах: нашка -фах оборудования в кузове электровоза (шесть шкафов, датчики А1…А6, рис. 1); на продоль -ной балке кузова электровоза (три точки по длине, датчикиА7…А9, рис. 1); нараметележ -ки (однаточка, датчикА10, рис. 2). Внаиболее нагруженных точках основных элементов не -сущихконструкцийрамыкузоваирамытележ -кис помощью тензорезисторов измерялись де -формации и далее вычислялись напряжения (всего двадцать одна точка, на рис. 3 приведе -ны основные из них). Эти точки были опреде -лены на основании предварительных расчетов, выполненных сотрудниками ГП НПК «Элек -тровозостроение», а также на основании ре -зультатовстендовых испытаний на продольное сжатие статическими нагрузками. Сила, возни -кающая в поглощающем аппарате автосцепки припродольном ударе и действующаяна раму кузова электровоза, измерялась с помощью специальной, с наклепом, динамометрической
автосцепки. Скоростьдвижениявмоментудара вычислялась с помощью приспособления, со -стоящего из двух датчиков, которые фиксиро -вали прохождение первой колесной пары, и датчикавремени (таймера).
Рис. 1. Схемаразмещениянапродольнойбоковой балкерамыкузоваэлектровозаинашкафахобору
-дованиядатчиковускорений
Рис. 2. Схемаразмещениянараметележкидатчика дляизмеренияпродольныхускорений
Таким образом, при проведении ударных испытанийизмерялись: ускоренияв 10 точках; напряжения в 21 точке; усилия в одном сече -нии.
Согласно [2] испытания проводились по двумсхемам. Прииспытанияхпопервойсхеме электровоз накатывался при помощи вспомо -гательного локомотива на заторможенный со -став из одиннадцати груженых полувагонов. При испытаниях по второй схеме на электро -воз, подпертый составом заторможенных гру -зовых вагонов, накатывался вагон-боек. Испы -туемый электровозоборудован эластомерными поглощающими аппаратами, а состав из полу -вагонов ивагон-боек – фрикционными. Схемы размещения единиц подвижного состава во время проведения испытаний приведены на рис. 4 и 5.
Рис. 4. Схемаразмещенияединицподвижногосо
-ставапринакатыванииэлектровозанасоставизза
-торможенныхгрузовыхвагонов
Рис. 5. Схемаразмещенияединицподвижногосо
-стававслучае, когданаэлектровоз, подпертыйсо
-ставомзаторможенныхгрузовыхвагонов, накаты
-валсявагон-боек
В соответствии с требованиями [1] и реко -мендациями Норм [2] ударные испытания электровоза ДС3-001 начинались со скорости 2 км/ч. Интервал изменений скоростей движе -ния электровоза или вагона-бойка был равным 0,5 км/час.
Во время испытаний после первого ударно -го нагружения при данной скорости проводил -ся анализ измеряемых величин (напряжений, усилия в автосцепке, ускорений рамы кузова, рамы тележки и шкафов оборудования, распо -ложенныхвкузовеэлектровоза).
Проектируемый локомотив соответствует требованиям [1], если при максимальной вели
-чине продольной ударной силы в автосцепке, равной 2500 кН, величины коэффициентов за -пасапрочностиненижедопускаемыхзначений
([n]=1,1 для элементов несущих конструкций
кузова и [n]=1,2 дляэлементовнесущихконст -рукцийрамтележек).
Ускорения шкафов оборудования, располо -женныхвкузовеэлектровоза, определялисьдля проверки соответствия Техническому заданию на разработку и изготовление электровоза. Оборудование, расположенное в шкафах фир -мы «Siemens», рассчитано на ускорения не бо -лее 5g.
2 Результатыиспытанийнаудар
На рис. 6 и 7 приведены осциллограммы усилий Fa в поглощающем аппарате автосцеп
-ки, напряжений σ1Y в одном из элементов не
-сущих конструкций кузова, а также ускорений А10рамытележки.
Рис. 6. Осциллограммыприсоударениипопервой схемеприскоростиудара 10,3 км/ч
Из приведенных рисунков следует, что при соударенияхпопервойсхеме (см. рис. 4), когда электровоз накатывался на заторможенный сцепвагонов, усилиевавтосцепке Fаимеетвид одиночного импульса длительностью 0,15 с (см. рис. 6). Общая длительность ударного на -груженияэлектровозасоставляла 1,3 с.
Присоударениях посхеме 2 (см. рис. 5), ко -гда на электровоз, прицепленный к составу из десяти груженых и заторможенных вагонов, накатывалсявагон-боек, усилиевавтосцепке Fа имеетвидтрехимпульсовс амплитудами 2710, 1990 и 1160 кНсоответственно (см. рис. 7). Это обстоятельство объясняется возникающими продольными колебаниями в образовавшейся после удара системе. Показателен и тот факт, чтопослеударававтосцепке невозникаетрас -тягивающих усилий, что свидетельствует о хо -рошем поглощении энергии удара эластомер -нымпоглощающимаппаратом.
Сцелью получениявозможности оценивать величиныударных сил, формируемых впогло -щающем аппарате в зависимости от скорости соударений, а напряжений и ускорений – в за -висимости от продольной ударной силы, в ре -зультате соответствующей статистической об -работки были получены регрессионные зави -симости. Примеры этих зависимостейприведе -нынарис. 8 и 9.
Рис. 8. Зависимостьмаксимальныхсжимающих усилий Fававтосцепкеотскоростисоударения
попервойсхеме
Из приведенных рисунков следует, что при соударениях, когда наподпорную стенку нака -тывалсяопытный электровозДС3-001 (см. рис. 8), максимальные значения усилий вавтосцеп -ке от скорости зависят практически линейно. Во втором случае, когда электровоз был при -соединенксоставу вагоновинаопытныйэлек
-тровоз накатывался вагон-боек (см. рис. 9) при скоростях соударения 12 км/ч и более усилия возрастаютболееинтенсивно.
Рис. 9. Зависимостьмаксимальныхсжимающих усилий Fававтосцепкеотскоростисоударения
повторойсхеме
Эту особенность можно объяснить тем, что поглощающий аппарат автосцепки вагона, к которому был присоединен опытный электро -воз, закрывался при меньшем уровне ударной силы, нежели это было при соударениях по первой схеме. Отметим также, чтоприменение эластомерного поглощающего аппарата авто -сцепки на электровозе ДС3 позволило в срав -нении с поглощающим аппаратом Ш1Т, кото -рый установлен на электровозе ДЭ1, снизить уровень ударных нагрузок при одинаковых скоростяхсоударений. Так, наэлектровозеДЭ1 максимальные значения ударных сил Fа=2500 кН достигались при скоростях соуда -рений V=8,5 км/ч, а на электровозе ДС3 – при V=13…15 км/ч. Это обстоятельство позволяет сделатьвывод отом, чтоблагодарястабильной работеэластомерного поглощающегоаппарата, экипажная часть электровоза ДС3 лучше за -щищенаотударныхнагрузок.
На рис. 10 и 11 приведеныпримерырегрес -сионных зависимостей наибольших напряже -ний σ для точки 1Y от наибольших значений продольных усилий, возникающих в погло -щающемаппаратеавтосцепки Fа.
превышающих 800 кН, достоверность всех по -строенных регрессионных зависимостей доста -точновысока. Наибольшиенапряжения возни -каютвточках 1У, Х, У, 1Х1, 1Х3, 11Х1, 11Х2. При этом в некоторых точках наибольшими оказались растягивающие напряжения, а в не -которых точках – сжимающие напряжения. Ра -нееобращалосьвниманиенатообстоятельство, чтозасчеткратковременных изгибных колеба -ний в некоторых точках наблюдаются как рас -тягивающие, так и сжимающие напряжения. Продольные колебания кузова электровоза как системы с конечным числом степенейсвободы или как системы с распределенными парамет -раминенаблюдаются (посколькупослеударав автосцепке не наблюдалось растягивающих усилий).
Рис. 10. Наибольшиерастягивающиенапряженияв точке 1Y присоударенияхпопервойсхеме
Рис. 11. Наибольшиерастягивающиенапряженияв точке 1Y присоударенияхповторойсхеме
На рис. 12 приведены распределения зави -симостей наибольших значений измеренных ускоренийот наибольших усилий вавтосцепке длядатчика наА6. Наибольшиеускорения, как и ожидалось, испытывают шкафы оборудова -ния, расположенные ближе к месту действия ударнойпродольной силы. Нараме кузованаи -большие ускорения возникают на противопо -ложнойотносительноместаударачастикузова. Из приведенного рисунка следует также, что зависимость ускорения рамы тележки от удар -нойсилыпрактически линейна. Это объясняет -сябольшойжесткостьюсвязичерезнаклонную тягу между узлом восприятия ударной силы и рамойтележки.
Рис. 12. Наибольшиезамеренныезначенияускорений вточкеА6 присоударенияхпопервойсхеме Значения коэффициентов запаса прочности определялись согласно положению Техниче -скихтребований [1] поформуле
)
( у СТ
к Т
n
σ
σ
β
σ
+= , (1)
где n – коэффициент запаса прочности; σТ – предел текучестиматериала; βК– эффективный коэффициент концентрации напряжений (для сварных швов, выполненных автоматической сваркой, этот коэффициент равен 1,5); σУ –
наибольшее значение измеренного динамиче -скогонапряженияприударномнагруженииси -лой 2500 кН; σСТ – статическая составляющая напряжений в соответствующей точке от веса установленного оборудования, полного запаса песка и воды и от собственного веса данного элементаконструкции.
-женияпримерно на 35…40 % меньше по срав -нениюсточкой 1Y. Вточке 1Y припродольной ударной силе, изменяющейся в диапазоне
2400…2700 кН, и скоростях соударения
13...15 км/ч, максимальные значения напряже -ний оказались равными 306 МПа, что практи -чески равно пределу текучести материала 305 МПа. Необходимоотметить, чтовуслови -ях эксплуатации скорость соударения локо -мотивапри подходе к поезду не должнапре -вышать 5 км/ч. При таких скоростях соударе -ний усилия в автосцепке будут не выше 850…900 кН, анапряжениявопаснойточке 1Y непревысят 120 МПа.
Наибольшие продольные ускорения, возни -кающие при продольных ударах, оказались в точках А9, А1. При максимальной продольной силе 2710 кН ускорения в указанныхточках, а также на раме тележки оказались равными: на рамекузовавточкеА9 – 2,69g, нашкафахобо -рудованиявточке А1 – 2,99g, нараметележки вточкеА10 – 1,94g.
Врезультате расчета коэффициентовзапаса прочностиисравненияих сдопускаемыми бы -ло установлено, чтово всехточках, кроме точ
-ки 1Y, расчетныезначениябольшеминимально
допустимых. Вточке 1Y, котораянаходится на нижнем листе, примыкающем к лобовомубру -су, взоне розетки поглощающего аппарата ав -тосцепки, коэффициентзапасапрочностиравен 0,66 (придопускаемомзначении 1,1).
Коэффициентызапасапрочностиопределялись при величине предела текучести σТ =305 МПа. Значения статических составляющих напря -жений
σ
СТрассчитывались специалистами ГП НПК «Электровозостроение».Значения коэффициентов запаса прочности приведенывтабл. 1.
Таблица 1
Значения коэффициентов запаса прочности
№п/п Точка Значение n Допустимоезначение n
1 1Y 0,66 1,1 2 2Y 1,77 1,1 3 Х 1,14 1,1 4 Y 1,77 1,1 5 В1Х 2,23 1,1 6 В2Х 1,88 1,1 7 Α 1,94 1,1 8 1Х1 1,1 1,1 9 1Х2 3,31 1,1 10 1Х3 1,1 1,1 11 YП1 2,2 1,1
Максимальные ускорения рамы кузова и рамы тележкине превышают 3g даже примак -симальной продольной ударной силе, равной 2710 кН.
Выводы
В процессе проведения ударных испытаний по двум схемам было выполнено свыше семи -десяти соударений со скоростями в диапазоне от 2 до 15 км/час.
По результатам расчетов вточке 1Y не вы -полняются требования по условию прочности. Поэтому специалистамГПНПК «Электровозо -строение» была дана рекомендация выполнить работы по усилению данногофрагмента розет -киавтосцепки путемприварки полосыметалла соответствующейтолщины. Толщиналистаоп -ределяласьна основаниитеоретическогорасче -та по методу конечных элементов. После про -веденных заводом-изготовителем работ по усилению указанногофрагментаконструкции кузовной части с целью снижения макси -мальных динамических напряжений в точке 1Y до уровня 180 МПа электровоз ДС3-001 былпереданнаэксплуатационныеиспытания.
В процессе обработки результатов измере -ний былипостроены: регрессионныезависимо -сти ударных усилий в автосцепке от скорости соударения; регрессионные зависимости мак -симальных значений напряжений в основных элементахнесущихконструкцийивнаклонной тяге от усилия вавтосцепке; зависимости мак -симальных ускорений кузова, рамы тележки и шкафов основного оборудования от усилия в автосцепке.
На основании регрессионных зависимостей наибольших значений динамических напряже -ний от силы удара были определены наиболь -шиеихзначенияприсилеудара 2500 кН. Далее по методике, изложенной в требованиях [1], определялиськоэффициентызапасапрочности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК 1. Технические требования к проектируемым ло
-комотивампоусловиямпрочности, динамикии воздействиянапуть. – М.: ВНИИЖТ, 1964. 2. Нормы для расчета и оценки прочности несу
-щих элементов, динамических качеств и воз
-действия на путь экипажей локомотивов же
-лезных дорог МПС РФ колеи 1520 мм. – М.:
