Технические решения по механике пассажирских вагонов: Методы обоснования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, доктор технических наук Светлов, Виктор Иванович

• Светлов, Виктор Иванович
• доктор технических наук
• 2002

Оглавление диссертации доктор технических наук Светлов, Виктор Иванович

9 ВВЕДЕНИЕ . 3

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭТАПАХ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ ДЛЯ СКОРОСТНОГО ДВИЖЕНИЯ 5

2. ОБЗОРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ О СОДЕРЖАНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ 13

3. СХЕМА ВЫБОРА ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ КУЗОВОВ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ 15

4. ПЛАНИРОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ ПАССАЖИРСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ СКОРОСТНЫХ ВАГОНОВ 27 a 5. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В НЕСУЩЕЙ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ КУЗОВОВ СКОРОСТНЫХ ВАГОНОВ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЕЁ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 37

6. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИКИ ВАГОНОВ 47

7. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВАРИАЦИОННЫХ МЕТОДОВ В ЗАДАЧАХ СТРОИТЕЛЬНОЙ МЕХАНИКИ ВАГОНОВ 71

8. НАГРУЗКИ, ВОСПРИНИМАЕМЫЕ НЕСУЩЕЙ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЕЙ КУЗОВОВ, РАСЧЁТНЫЕ РЕЖИМЫ И ПРОСТЕЙШИЕ МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИХ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ 117 a 9. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ ПАССАЖИРСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ В КУЗОВАХ СКОРОСТНЫХ ВАГОНОВ, И ИХ ИСПЫТАНИЯ НА ПОЖАРНУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ 135

10. ИСПЫТАНИЯ КУЗОВОВ СКОРОСТНЫХ ВАГОНОВ 143

11. ХОДОВЫЕ ЧАСТИ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ ДЛЯ СКОРОСТНОГО ДВИЖЕНИЯ 149

12. УДАРНО-ТЯГОВЫЕ ПРИБОРЫ И ПЕРЕХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА СКОРОСТНЫХ ВАГОНОВ 179

13. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ СКОРОСТНЫХ ВАГОНОВ 193

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технические решения по механике пассажирских вагонов: Методы обоснования»

ВВЕДЕНИЕ

Перевозки пассажиров по железным дорогам относятся к особой области транспортной работы.

Это, прежде всего, обусловлено тем, что удовлетворение потребностей населения в транспортных услугах в современном мире имеет очень заметное социально-экономическое значение. В условиях России железные дороги предоставляют основной массе населения заметную, по сравнению с другими видами транспорта, долю транспортных услуг.

Безопасность пассажирских перевозок по железным дорогам находится на высоком уровне, в любых погодных условиях достаточно чётко выполняется расписание движения пассажирских поездов, постоянно повышаются качество обслуживания и комфортабельность условий проезда.

На железнодорожном транспорте решение проблемных вопросов в области пассажирских перевозок напрямую связано с качеством пассажирских вагонов.

В среднесетевых условиях пассажирские вагоны подвергаются более интенсивному использованию, энергетические затраты на единицу пассажирских перевозок на 20 +30% больше по сравнению с грузовыми, средняя цена пассажирского вагона примерно в 6 раз выше, чем грузового. Это сопряжено не только с внутренним обустройством и системами жизнеобеспечения, создающими необходимые комфортные условия для пассажиров, но и с более дорогими техническими решениями, относящимися к области механики вагона, с существенно большим расходом материалов на изготовление несущих узлов конструкции.

Механика пассажирского вагона включает вопросы выбора линейных размеров несущих узлов вагона, оценки прочности и жёсткости этих узлов, а также определения нагруженности и ходовых качеств конструкции.

Все перечисленные вопросы, как известно, сопряжены с безопасностью движения.

Себестоимость пассажирских перевозок во многом определяется комфортабельностью конструкций. Так, если за 100 % взять себестоимость перевозок в плацкартном вагоне пассажирского поезда при электрической тяге, то в мягком вагоне она составит 180%, а в общем-74%.

Однако, если принять во внимание возрастающую конкуренцию всех других видов транспорта на рынке транспортных услуг, есть прямая необходимость решать проблему повышения комфортабельности современных пассажирских вагонов и создавать конструкции, пригодные для безопасной эксплуатации при высоких скоростях движения.

ОАО "Тверской вагоностроительный завод" (ТВЗ) совместно с Тверским институтом вагоностроения и другими организациями достигли заметных успехов в разработке и производстве современных пассажирских вагонов. В монографии дано обобщенное представление технических решений, получивших реализацию при создании вагонов пассажирского парка для скоростного движения, а также методов, использованных при обосновании этих решений.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭТАПАХ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ Д ЛЯ СКОРОСТНОГО ДВИЖЕНИЯ

Новое направление в развитии парка пассажирских вагонов получило своё начало в пятидесятых годах прошлого столетия. Оно было обусловлено проектированием и освоением в серийном производстве отечественных конструкций с металлическими цельнонесущими кузовами. Такие вагоны позволяли осуществлять пассажирские перевозки на тележках ЦМВ в диапазоне скоростей до 80 км/ч, а на тележках КВЗ-5 - до 130 км/ч.

Резко возрастающие пассажиропотоки, обусловленные хорошей экономической ситуацией в стране, требовали повышения скоростей движения.

Исследования, проведенные ЦНИИ МПС, показали, что повышение технических скоростей прямых пассажирских поездов на основных железнодорожных магистралях протяженностью около 20 тыс. км с 65 до 90+100 км/ч позволит сэкономить только на эксплуатационных расходах около 8 млн. руб. в год. Для решения этой проблемы началась дальнейшая модернизация и разработка подвижного состава. В начале шестидесятых годов прошлого столетия (1963) на производство была поставлена более совершенная тележка КВЗ-ЦНИИ, позволяющая на хороших путях увеличить скорость движения до 140 4-160 км/ч. В опытных поездках с вагонами на этих тележках была достигнута скорость 170 км/ч.

В 1965 году на таких тележках был пущен в эксплуатацию пассажирский поезд "Аврора", включающий вагоны с местами для сидения (рис. 1.1) и обеспечивающий маршрутную скорость движения на отдельных перегонах до 160 км/ч. Необходимо отметить, что поездки в этом первом скоростном поезде в России пользовались и пользуются в настоящее время большим спросом у пассажиров.

Раньше, чем в СССР, в середине пятидесятых годов скоростное железнодорожное движение начало развиваться в странах Европы (Франция, ФРГ, Австрия) и в Японии. В Японии был пущен поезд на линии Токио-Осака, максимальная скорость которого при испытаниях составила 256 км/ч.

Совет Министров СССР для поддержания престижа страны, как железнодорожной державы, в конце 1963 года принял постановление о развитии скоростного железнодорожного транспорта. В соответствии с этим постановлением ЦНИИ МПС и Всесоюзным научно-исследовательским институтом вагоностроения (ВНИИВ) был выполнен большой объём работ и подготовлены технические требования на скоростные вагоны.

Рис. 1.1. Пассажирский поезд «Аврора».

Основные позиции этих требований таковы: вагон предназначен для эксплуатации в составе скоростного поезда специального формирования с локомотивной тягой; вагон вписывается в габарит О-Т ГОСТ 92238-59, рассчитывается на скорость движения 225 км/ч; ходовые части обеспечивают прохождение кривых радиусом R=150 м. Каждая тележка должна иметь двойное подвешивание. При этом прогиб центрального подвешивания должен быть не менее 200+220 мм, прогиб буксового подвешивания не менее 50+60 мм; вагон оборудуется установкой кондиционирования воздуха, местами для сидения с поворотными креслами, термоизолированным баком для сбора дренажа, системой отопления от электрокалорифера и электропечей; все оборудование вагона должно работать в диапазоне температур от -50 до +50°С, а по прочности, устойчивости, безопасности движения отвечать требованиям "Норм для расчёта и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) "[1].

Работы по созданию первого отечественного скоростного поезда были поручены Министерством тяжелого и транспортного машиностроения Калининскому вагоностроительному заводу и Калининскому филиалу ВНИИВ.

Специалистами завода и института с привлечением других организаций (МИИТа, ЛИИЖТа, ЦНИИ ЖГ, БИТМа, ЦНИИ МПС и т.д.) в 1966-1969 годах был выполнен большой комплекс теоретических и экспериментальных исследований на моделях и натурных образцах по выбору материала для кузова, планировочных решений, основных размеров кузова и формы поперечного сечения, конструкции ходовых частей, конструкторских решений для систем жизнеобеспечения (отопления, водоснабжения, вентиляции и других). На каждом этапе работ проводились соответствующие технико-экономические расчеты й технико-экономический анализ. Согласно этим расчетам были установлены такие линейные размеры, как длина вагона по осям сцепления 27,15 м, по буферным балкам 26,35 м, ширина —3,052 м.

У вагона имелись два тамбура, служебное отделение, два туалетных помещения. В пассажирском салоне устанавливалось 38 двухместных поворотных кресел по схеме 2+2 (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Пассажирский салон вагона с 38 двухместными поворотными креслами

Необходимо отметить, что поезду с такими вагонами было дано название "Русская Тройка" РТ-200.

Кузов вагона выполнялся с рамой без хребтовой балки, имел меньшую высоту по сравнению с серийными вагонами, пониженный центр тяжести. С целью уменьшения аэродинамического сопротивления каждая боковая стена имела наклон к центру, равный 2° 52'. Подвагонное пространство на длине 8,16 м между шкворневыми балками перекрывалось несущим кожухом-обтекателем, повышающим изгибную жесткость вагона и уменьшающим также воздушное сопротивление.

При изготовлении кузова были использованы алюминиевые сплавы 0915Т для элементов жесткости, прессованных профилей и АМГ6 для обшивки. Применительно к вагону была спроектирована тележка ТСК-1 (рис. 1.3) с двойным подвешиванием: буксовое из витых пружин и центральное безлюлечное из упругих пневматических элементов диафрагменного типа с резинокордной оболочкой. Кузов опирался на тележки через скользуны. Над рессорный брус тележки связывался с рамой продольными поводками, имеющими резинометаллические упругие элементы по концам. В буксовых узлах использовались по три подшипника: два роликовых для восприятия радиальных и один шариковый — для восприятия осевых сил. Для предотвращения заклинивания колес при торможении тормоз снабжался электронным противоюзным устройством.

В конце 1971 года Калининским вагоностроительным заводом по документации, откорректированной на основании результатов испытаний кузова, узлов тележки и систем внутреннего оборудования, был изготовлен опытный вагон поезда РТ-200 (рис. 1.4). Масса тары вагона составляла 44,7 т. Завершающим этапом работ по созданию скоростного вагона были ударные и ходовые динамические испытания.

Ходовые динамические испытания проводились специалистами КФ ВНИИВ, ЦНИИ МПС, ЛИИЖТа на участке Ленинград - Чудово Октябрьской железной дороги в июне-июле 1973 года.

Опытный поезд состоял из локомотива ЧС-2М, двух вагонов-лабораторий и опытного вагона. Было совершено шесть поездок. Максимальная скорость при испытаниях составила 220 км/ч. Результаты испытаний подтвердили правильность выбранных конструкторских решений.

Рис. 1.3. Тележка ТС К-1

Рис. 1.4. Салон вагона поезда РТ-200

В 1974 году заводом был изготовлен весь скоростной поезд, включающий восемь пассажирских вагонов, вагон-бар с купе, оборудованным радиоустановкой. Регулярная эксплуатация поезда РТ-200 началась в 1975 году на Октябрьской железной дороге. Через три года эксплуатации поезд был отставлен на ремонт, т.к. требовалась замена пневморессор и части другого оборудования. Из-за определенных трудностей с получением ряда узлов поезд РТ-200 для перевозки пассажиров больше не использовался.

В 1969 году авиационное конструкторское бюро под руководством генерального конструктора А.С. Яковлева выступило с инициативой по использованию реактивной тяги для движения пассажирских поездов. Для проверки этой идеи сотрудниками бюро совместно с отделом главного конструктора Калининского вагоностроительного завода был разработан технический проект по переоборудованию прицепного вагона электропоезда под скоростную вагон-лабораторию, оснащенную двумя газовыми турбинами. В 1970 году Калининским вагонзаводом такой вагон был изготовлен (рис. 1.5).

Кузов вагона устанавливался на тележки КВЗ-ЦНИИ, имеющие в центральной ступени подвешивания вместо винтовых пружин пневматические рессоры.

Рис. 1.5. Скоростной вагон-лаборатория, оснащенный двумя газовыми турбинами.

Испытания вагона проводились в конце 1971 и первой половине 1972 годов специалистами бюро Яковлева, Днепропетровского института инженеров транспорта (ДИИТа), ВНИИВ и ЦНИИ МПС на одном из участков Московской железной дороги.

Было сделано несколько поездок и в одной из них достигнута скорость 270 км/ч. В то время такой результат представлял рёкорй скорости на железных дорогах (в феврале 1972 года в Японии на линии Сан Осака - Окаяма была достигнута скорость 286 км/ч).

Результаты испытаний подтвердили принципиальную возможность использования реактивной тяги на железнодорожном транспорте. Однако, по экологическим соображениям (большой шум), а также в связи со значительным расходом топлива на 1 км пройденного пути работы в этом направлении дальнейшего развития не получили.

Постоянно растущие скорости движения на железнодорожном транспорте Европейских стран (эксплуатация скоростных поездов TGV во Франции, ICE в Германии и т.д.) побуждали Министерство пу тей сообщения и отечественных вагоностроителей возвращаться к проблеме увеличения скоростей пассажирских поездов. В 1989-1992 годах Тверским вагоностроительным заводом по инициативе МПС был разработан и изготовлен вагон модели 61-838 (с местами для сидения) для скоростей движения до 200 км/ч.

Кузов этого вагона выполнен из коррозионно-стойкой безникелевой стали 10Х13Г18Д (ДИ-2), для рамы использована низколегированная сталь марок 09Г2Д и 09Г2.

Кузов устанавливали на принципиально новые скоростные тележки модели 61-810, спроектированные специалистами завода, Калининского филиала ВНИИВ и ЦНИИ МПС. Особенностью их является центральное безлюлечное подвешивание, включающее комплект высоких пружин, с помощью которых реализуется суммарный статистический прогиб подвешивания до 300 мм.

В пассажирском салоне расположено 68 кресел для пассажиров. Длина вагона по осям сцепления 27,43 м, по буферным балкам 26,8 м, база 19,25 м, ширина 3,05 м. Масса тары равна 48,3 т. На каждой боковой стене для обеспечения выхода пассажиров в аварийных ситуациях устроен аварийный выход (дверь-люк).

Вагон прошел весь комплекс испытании, включая ходовые при скоростях 200 км/ч, и были получены положительные результаты. Однако его не приняли к серийному производству по ряду причин, основная из которых заключалась в сложной экономической ситуации, сложившейся в стране в 90-х годах.

В начале 90-х годов, после образования Российского государства, рядом ученых, специалистов, руководителей правительства был поднят вопрос о строительстве высокоскоростной магистрали от Москвы до Санкт-Петербурга, обеспечивающей движе-иис пассажирских поездов со скоростью до 300 км/ч. Предполагалось, что в перспективе эта дорога должна быть связана со скоростными дорогами Европейских стран. Рядом организаций были проведены поисковые исследования и начаты работы по проектированию подвижного состава, подготовке наземной инфраструктуры магистрали.

Руководство МПС в то время придерживалось несколько иной точки зрения и считало, что наиболее целесообразно провести реконструкцию Октябрьской железной дороги, построить новый подвижной состав и организовать на дороге регулярное скоростное движение поездов.

В 1995 году по инициативе МПС акционерным обществом "Тверской вагоностроительный завод" (ОАО "ТВЗ") и рядом других организаций был начат очередной этап работ по созданию отечественного скоростного поезда. На базе тележки моделей

• .*. ■ . - .-f ' «'*• ' .'r-, * ■ Jil ,.- „ J к .'n't , rt t, K»' >i 11 «.i .й i-. St ».*,». 4S «fSs,,^ 4 ft,»»u:'. - ,

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Светлов, Виктор Иванович, 2002 год

1. Нормы для расчёта и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). М.: ВНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 320 с.

2. Вагоны/Под ред. проф. JI.A. Шадура. М.: Транспорт, 1980. - 440 с,

3. ГОСТ 9238-73 Габариты приближения строений и подвижного состава железных дорог колеи 1520(1524) мм. ГруппаЖ-83.

4. Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы прикладной математики. М.: Наука,1965.-616 с.

5. Эльсгольц Л.Э, Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. М.: Наука, 1965.-424 с.

6. Смирнов А.Ф., Александров А.В., Лащенников Б.Я., Шапошников Н.Н. Строительная механика (динамика и устойчивость сооружений). М.: Стройиздат,1984. -416 с.

7. Пратусевич Я.А. Вариационные методы в строительной механике. М.: Гостехиз-дат, 1948.-400 с.

8. Александров А.В., Потапов В,Д. Основы теории упругости и пластичности. М,: Высшая школа, 1990. - 400 с.

9. Рекач В.Г. Руководство к решению задач теории упругости. М.: Высшая школа,1966.-228 с.

10. Вершинский С.В., Данилов В.А., Хусидов В.Д. Динамика вагона. М.: Транспорт, 1991.-360 с.

11. Воронков И.М. Курс теоретической механики. М.: Гостехиздат, 1957. - 596 с.

12. Никольский ЕЛ. Оболочки с вырезами типа вагонных кузовов. М.: Машгиз, 1963.-312 с.

13. Расчёт вагонов на прочность/Под ред. проф. Л.А. Шадура. М.: Транспорт, 1971. -432 с.

14. Филин А.П. Прикладная механика твёрдого деформируемого тела, том II. М.: Наука, 1978.-616 с.

15. Власов В,3. Общая теория оболочек. М.: Издательство тех. теор. литературы, 1949. - 784 с.

16. Годунов С,К. Уравнения математической физики. М.: Физматиздат, 1971. - 416 с.

17. Колкунов Н.В. Основы расчёта упругих оболочек. М.: Высшая школа, 1963. -278 с.

18. Натушкин В.Ф. Влияние жидкости на свободные колебания цилиндрических оболочек. Избранные главы по строительной механике оболочек. Харьков: ХВАИВУ, 1964, - 164 с. , . . .7 » • •• i- • •> „ К •

19. Александров Е.В. Напряжённо-деформированное состояние кузовов вагонов для перевозки автомобилей. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. М.: МИИТ, 2001, - 20 с.

20. Вагоны. Схемы оценки проектных решений /Под ред. д-ра техн. наук проф. В.Н. Котуранова. М.: МИИТ, 1999. - 188 с.

21. Ведомственные нормы пожарной безопасности. Вагона пассажирские. Требования пожарной безопасности ВНТБ-97 М.: МПС РФ, 1997. - 59 с.

22. Никольский Е.Н. Расчёт кузовов на прочность. Тула: Тульский политехнический институт, 1978. - 48 с.

23. Никольский Е.Н. Расчёт кузовов вагонов на прочность. Брянск: БИТМ, 1983. -98с.

24. Кобищанов В.В. Расчёт кузовов вагонов на прочность. Брянск: БИТМ, 1987. - 80 с.

25. РД 24050.37-91 "Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества". М.: МПС, 1985. - 49 с.

26. Вагоны грузовые и пассажирские колеи 1520. Типовая методика статических испытаний на прочность. М.: ВНИИЖТ, МПС РФ, ИЦЖТ, 1994.-39 с.

27. Динамика пассажирского вагона и пути модернизации тележки КВЗ-ЦНИИ/В.В. Хусидов, А.А. Хохлов, Г.И. Петров, В.Д. Хусидов. -М.: МИИТ, 2001. * 164с.

28. ОСТ 24.050. 16-85 Вагоны пассажирские. Методика определения плавности хода. М.: Госстандарт, МПС, 1987. - 15 с.

29. Конструирование и расчёт вагонов/Под ред. д.т.н., проф. В.В. Лукина. М.: УМК МПС, 2000. - 728 с.

30. Автосцепное устройство железнодорожного подвижного состава/В.В. Коломий-ченко, НА. Костина, В.Д. Прохоренков, В Л Бимеев. М.: Транспорт, 1991. - 232 с,

31. Никольский Л.Н., Кеглин Б.Г., Амортизаторы удара подвижного состава. М.: Машиностроение, 1986. - 144 с.

32. Блохин Е.П, Мамошин Л.А. Динамика поезда (нестационарные продольные колебания). М.: Транспорт, 1982. - 224 с. .г