Прочностные и ходовые испытания

Испытания с целью проверки прочности и ходовых качеств являются одними из важнейших в общем комплексе испытаний образца нового вагона. К этой группе относятся следующие испытания: статические на прочность; динамические на прочность; ходовые динамические.

Статические испытания на прочность проводят в стационар­ных условиях. Они заключаются в исследовании напряженного состояния, деформаций, устойчивости и несущей способности конструкции вагона (узла, элемента) при действии заданных статических испытательных нагрузок, которые прикладывают к конструкции при помощи соответствующего оборудования. Статическим испытаниям обычно подвергают металлоконструкции отдельно кузова вагона и тележек. При необходимости проводят статические испытания на прочность отдельных узлов и элементов.

Схемы нагружения конструкции вагона при статических испытаниях устанавливают, как правило, соответствующими характеру действия основных видов эксплуатационных и рас­четных нагрузок. Максимальная испытательная нагрузка при статических испытаниях Р_и = k _ф Р_р, где k _ф — коэффициент фор­сирования; Р_р — расчетная (нормативная) нагрузка. При испы­таниях несущей металлоконструкции вагона под действием (по­очередно) отдельных нагрузок обычно принимают коэффициент k _ф = 1, 0÷ З, 0. Величину k _ф уточняют с учетом уровня нагружен­ное™ конструкции данной нагрузкой по сравнению с суммарной эксплуатационной нагрузкой и расчетными нормативами запасов прочности и устойчивости.

Испытательные нагрузки прикладывают (создают) постепенно (ступенями), например по цикличной схеме: 0—50%—100%— 50%—0 и т. д. На каждой ступени испытательной нагрузки ре­гистрируют показания приборов, фиксирующих напряжения и деформации. Количество циклов испытательного нагружения должно быть достаточным для получения достоверных данных. Учитывая неизбежность случайных ошибок, обычно проводят не менее трех циклов, что дает не менее 12 разностей полученных показаний приборов.

По результатам статических испытаний определяют факти­ческие напряжения в элементах конструкции от расчетных на­грузок и суммарные напряжения от нормативных сочетаний нагрузок. Эти напряжения обычно определяют, осредняя их

по симметричным точкам замеров для исключения влияния слу­чайных факторов (неравномерности приложения испытательной нагрузки, отклонений размеров деталей из-за допусков, погреш­ностей измерений и т. д.). Осреднение измеренных напряжений позволяет применять для оценки прочности расчетные нормативы допускаемых напряжений и, таким образом, обеспечивать ло­гическую связь результатов расчетов и испытаний. Анализ на­пряженного состояния конструкции в характерных зонах поз­воляет установить пригодность применяемых методов расчета и более точно оценить ее фактическую несущую способность. Объем измерений при статических испытаниях зависит от сложности и новизны конструкции и от поставленных задач. При испыта­ниях кузовов пассажирских вагонов количество точек измерения напряжений достигает 600—800 и более.

Если при статических испытаниях необходимо установить разрушающую (предельную по несущей способности) нагрузку на деталь, то испытательную нагрузку увеличивают небольшими ступенями или непрерывно (но достаточно медленно) до тех пор, пока деталь воспринимает это увеличение. Такие испытания про­водят на специальных стендах с применением гидравлических нагрузочных устройств, специальных приборов для контроля нагрузки и с обеспечением техники безопасности при работе пер­сонала. Метод статических испытаний на разрушение традиционно применяют для проверки прочности литых деталей тележек гру­зовых вагонов. Для удобства проведения статических испытаний на прочность во ВНИИВ, ЦНИИ МПС и на вагоностроитель­ных заводах имеются специальные стенды.

Динамические испытания вагонов и их узлов на прочность проводят как на стендах, так и в натурных условиях движе­ния, маневрового соударения, погрузки-выгрузки. Динами­ческие стендовые прочностные испытания позволяют в стацио­нарных условиях изучить динамическую прочность конструкции при выбранных режимах нагрузки вибрационного или ударного характера. Для этих испытаний нагрузку устанавливают на основе реального распределения сил, действующих при эксплуа­тации, или в виде условного форсированного режима. Схема приложения динамических сил к конструкции должна быть воз­можно ближе к схеме, соответствующей эксплуатации. Для та­ких испытаний применяют гидравлические пульсаторы, электро­магнитные вибростенды и специальные копровые установки. Подобные стенды есть во ВНИИВ, ЦНИИ⁷МПС и на вагоностро­ительных заводах. Стендовые испытания на динамическую проч­ность ведут до разрушения опытных образцов или до достижения базового числа циклов.

Динамические стендовые испытания по оценке частотных характеристик вагона и демпфирования в рессорном подвешивании предусматривают исследование колебаний вагона как механи­ческой системы. В этом случае специальным оборудованием воз-

буждают необходимые колебания вагона, что позволяет экспери­ментально установить собственные частоты колебаний и скорость их затухания. Стенды и приспособления для таких испытаний имеются в Калининском и Рижском филиалах ВНИИВ.

На основании стендовых динамических испытаний на проч­ность определяют предел выносливости конструкции и зависимость долговечности детали от величины нагрузки. По этим данным оценивают запас прочности детали, а также некоторые другие факторы (эффективный коэффициент концентрации, рассеива­ние прочности и др.). Наиболее точную оценку получают при использовании надежных экспериментальных данных о вероят­ностном распределении эксплуатационных нагрузок. По резуль­татам частотных стендовых динамических испытаний устанавли­вают частоты собственных колебаний системы, значения которых сопоставляют с нормативными или расчетными величинами. В частности, по результатам этих испытаний определяют собствен­ную частоту изгибных колебаний кузовов пассажирских вагонов, имеющую важное значение для обеспечения плавности их хода.

В натурные динамические испытания вагонов на прочность при эксплуатационных режимах работы входят динамические прочностные линейные испытания, испытания на соударения и испытания при погрузке-выгрузке. Данные испытания, как пра­вило, проводят с полностью достроенными и снабженными всем проектным оборудованием вагонами. Величина полезной нагрузки в вагоне зависит от цели испытаний и ее устанавливают в про­грамме, как и некоторые другие условия: скорости движения, расположение вагонов в поезде и т. д.

При динамических прочностных линейных испытаниях ана­лизируют напряженное состояние элементов конструкции ва­гона и определяют величины отдельных динамических сил, воз­никающих при движении вагона в поезде с разными скоростями по различным участкам пути. Результаты таких испытаний поз­воляют точнее оценить действительное напряженное состояние и несущую способность конструкции, сравнив их с результатами предварительного расчета, а также более точно определить экс­плуатационные нагрузки. Это необходимо для обоснования ре­жимов стендовых испытаний деталей, уточнения методов теоре­тических расчетов и расчетных нормативов. Достоверность ре­зультатов данных испытаний зависит от характера и параметров участков железнодорожного пути, на которых проходят опытные поездки, и режимов движения.

В зависимости от конкретной цели (получение вероятных максимальных сил и напряжений, статистических распределений повторяемости и т. п.) в рабочей методике линейных динамико-прочностных испытаний предусматривают соответствующую по­следовательность и объем измерений. В общем случае измерения проводят как на характерных заранее выбранных отрезках же­лезнодорожного пути определенной длины, конструкции и со-

Стояния, так и на случайных отрезках пути при движении по мар­шруту значительной протяженности. Результаты линейных ди­намических испытаний анализируют с учетом вероятностно-статистических представлений. Для надежной оценки безо­пасности движения вагона при высоких скоростях необходимо, чтобы максимальная скорость движения при испытаниях на 10—20 км/ч превышала расчетную конструкционную скорость вагона.

Динамические прочностные испытания вагона на соударение и испытания при погрузке-выгрузке позволяют получить досто­верные экспериментальные величины усилий, ускорений, дефор­маций и напряжений, возникающих при соответствующих ус­ловиях эксплуатационного нагружения. Режимы этих испытаний устанавливают с учетом наиболее тяжелых возможных (или до­пустимых) случаев нагружения и ожидаемой повторяемости дей­ствия нагрузок в эксплуатации. В отдельных случаях испыта­тельные режимы можно форсировать для оценки предельной несущей способности вагона или его элемента. Методика этих испытаний, объем и последовательность измерений зависят от конкретной постановки задачи.

В целях изучения эффективности и работоспособности ударно-сцепных устройств испытания на соударение проводят с загру­женными вагонами при максимальных скоростях набегания ва­гона-бойка до 10—15 км/ч. Подобный режим используют при исследовании прочности кузова и рамы вагона. Одновременно для изучения прочности узлов соединения кузова с тележкой и прочности крепления оборудования вагона целесообразно про­водить соударения порожних вагонов, ориентируясь на получе­ние ударных сил, равных максимальным расчетным значениям или даже несколько превышающих их. В испытаниях при погрузке-выгрузке можно предусмотреть изучение прочности конструкции в режимах загрузки вагона автопогрузчиком, грейферным краном, экскаватором и т. д., а также в режимах выгрузки на вагоно-опрокидывателе или другим способом.

Динамические ходовые испытания вагонов проводят для про­верки безопасности движения, оценки ходовых качеств в отно­шении комфорта пассажиров, воздействия на перевозимый груз и установления допустимых скоростей движения. Поскольку эти испытания также предусматривают серию поездок опытного вагона с разными скоростями по железнодорожным путям раз­личного состояния и конструкции, их можно объединить с ди­намическими прочностными линейными испытаниями по времени и месту проведения. Ходовые испытания проводят для полностью загруженного и для порожнего состояний вагонов, а часто и для их частичной загрузки. При ходовых испытаниях вагонов опре­деляют следующие основные динамические показатели экипажа: характер и частоты колебаний кузова и тележек: вертикальные и горизонтальные динамические силы, действующие на ко-

Лесные пары; вертикальные и горизонтальные ускорения ку­зова и тележек; прогибы рессор; перемещения элементов те­лежки.

В зависимости от конкретной постановки задачи устанавли­вают число и последовательность измерений показателей ходовых качеств. Для оценки ходовых качеств вагонов в практике испы­таний используют критерии, рассмотренные в § 5. Допускае­мую скорость движения вагона определяют как по условиям безопасности (устойчивость от схода с рельс, прочность элемен­тов ходовых частей, нормальная работа рессор, воздействие на путь), так и по условиям допустимого ускорения в кузове вагона или показателя плавности хода.

Ходовые испытания опытных вагонов можно проводить как на специальных экспериментальных полигонах, так и на участках эксплуатационной сети железных дорог. Максимальная скорость движения при ходовых испытаниях должна по возможности на 10—20 км/ч превышать проектную конструкционную скорость движения вагона. Состояние пути на участке, где проводят хо­довые испытания, должно быть типичным для сети железных дорог и соответствовать хорошей оценке по применяемым мето­дам контроля, если в задачу испытаний не входит проверка хо­довых качеств вагона специально на путях худшего состояния. Ходовые качества вагона измеряют на различных участках пути, учитывая соображения, отмеченные ранее для динамико-проч-ностных линейных испытаний. Опытные поездки необходимо начинать с малых скоростей движения (40—50 км/ч), а затем, оперативно анализируя материалы измерений, постепенно повы­шать скорости. Особую осторожность следует соблюдать при пе­реходе к качественно новым скоростям движения.

Кроме перечисленных основных испытаний, при необходимо­сти проводят специальные (например, испытания напряженного состояния осей колесных пар, проверку динамических параметров колесных пар и привода подвагонных генераторов, воздействия на путь и т. д.).

При прочностных и ходовых испытаниях вагона применяют специальную аппаратуру и приборы, позволяющие исследовать и регистрировать напряжения, ускорения, силы, деформации, колебания и т. д. Особое распространение в практике вагоностро­ения получили методы электротензометрии. Для измерения виб­раций, ускорений и перемещений применяют приборы с датчиками индукционного, пьезоэлектрического и реостатного типа. Пока­зания приборов при статических испытаниях регистируют обычно визуальным отсчетом по шкале усилителя. В последние годы находит применение аппаратура, фиксирующая результаты из­мерений на бумажную ленту при помощи печатающего устройства. Результаты динамико-прочностных и ходовых испытаний ре­гистрируют на фотобумажных лентах при помощи светолучевых осциллографов. Наибольшее распространение получили осцилло-

графы Н-004М и К-20-21, позволяющие фиксировать на ленте шириной 190—200 мм до 20 процессов одновременно.

В последние годы при экспериментальных исследованиях вагонов применяют новые методы, позволяющие автоматизиро­вание) обрабатывать записи процессов, регистрируемых при хо­довых и динамико-прочностных испытаниях. Эти методы основаны на записи динамических процессов на магнитную ленту и вос­произведении их в аналоговой или цифровой форме при введе­нии в электронно-вычислительные машины. Применяют также специальные вычислительные устройства, позволяющие полу­чить те или иные характеристики непосредственно в процессе проведения опыта.

Динамические процессы регистрируют на магнитную ленту при помощи магнитографов точной записи, использующих раз­личные виды модуляции сигнала и позволяющих регистрировать сигналы с частотным диапазоном до десятков килогерц. Важными преимуществами этого вида записи измерительной информации являются большая емкость, высокая точность записи и воспро­изведения сигналов, широкий диапазон регистрируемых частот, удобство преобразования аналоговых сигналов для ввода в вы­числительные устройства. Сигналы, записанные на магнитную ленту, можно воспроизводить (перезаписывать) на осциллогра-фическую бумагу. Основные технические характеристики неко­торых применяемых магнитографов приведены в табл. 24.

Для получения некоторых характеристик процессов непосред­ственно при опыте применяют анализатор случайных сигналов (АСС-8), разработанный Рижским филиалом ВНИИВ совместно с Пензенским политехническим институтом. Для анализа уско­рений применяют аппаратуру «Кристалл», специально разрабо­танную в Рижском филиале ВНИИВ для исследования динамики вагонов. Она позволяет записывать ускорения на магнитную ленту или осциллографическую бумагу в заданном диапазоне частот до 16 000 Гц при помощи фильтров с крутизной среза 38 дВ на октаву. Прибор имеет на каждом канале выход измери-

теля текущего среднего квадратического отклонения процесса. Кроме того, прибор допускает измерения плавности хода в еди­ницах Шперлинга по показаниям стрелочного прибора.

Динамические процессы, записанные на магнитную ленту, обрабатывают в лабораторных условиях на ЭВМ, которые допол­няют устройствами ввода информации — аналого-цифровыми пре­образователями (АЦП). Если ЭВМ имеют небольшую оператив­ную память, АЦП комбинируют со специальными устройствами уплотнения информации.

§ 55. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

При исследованиях теплотехнических качеств пассажирских вагонов определяют следующие параметры: средний коэффици­ент теплопередачи ограждений кузова; герметичность кузова; температурно-влажностный режим в кузове; теплотехнические характеристики; надежность отдельных систем и агрегатов.

Коэффициент теплопередачи ограждений определяют в стацио­нарных условиях в закрытом помещении. Наиболее удобно эти испытания проводить в специально оборудованных «климатиче­ских» камерах, где можно создать заданные температурные и другие условия, в том числе обдувание вагона воздушным пото­ком, имитирующим движение поезда с необходимой скоростью. В отдельных случаях эти испытания при благоприятных атмо­сферных условиях можно проводить и под открытым небом. Средним коэффициентом теплопередачи ограждающих конструк­ций вагона называют количество тепла, проходящее в среднем через 1 м² поверхности (пола, стен, крыши, окон и т. д.) вагона за 1 ч при разности температур воздуха внутри и снаружи вагона, равной 1°С. Для определения среднего коэффициента тепло­передачи воздух внутри вагона нагревают электропечами до установления постоянного перепада (разности) температур воз­духа внутри и снаружи вагона. За начало постоянного перепада температур принимают тот момент, при котором достигнутое максимальное значение перепада стабильно продержится не менее 4 ч.

Мощность электропечей, устанавливаемых в вагоне, выби­рают по данным расчета в зависимости от типа и размеров вагона, предполагаемого значения коэффициента теплопередачи и требу­емого перепада температур воздуха снаружи и внутри вагона. В практике отечественного вагоностроения принято проводить такие испытания при обеспечении перепада температур внутри и снаружи вагона не менее 25° С.

Температуру воздуха внутри и снаружи вагона измеряют дистанционными термометрами при использовании термостанции, располагаемой вне вагона. Расход электроэнергии на обогрев внутреннего объема вагона измеряют электросчетчиками. Термо­метры внутри вагона устанавливают обычно на трех уровнях

по высоте и в нескольких сечениях по его длине, примерно через каждые 5 м. Для измерения температуры наружного воздуха устанавливают по одному-двум термометрам около середины внешних поверхностей боковых и торцовых стен, пола и крыши на расстоянии —200 мм. После достижения постоянного пере­пада температур снаружи и внутри вагона проводят цикл изме­рений в течение расчетного периода. Для обеспечения достовер­ности результатов испытаний продолжительность их расчетного периода принимают равной не менее 8 ч для закрытых помеще­ний и 18 ч — для открытого воздуха.

Коэффициент теплопередачи, определяемый по средним ре­зультатам испытаний,

где W — расход электроэнергии на нагрев воздуха внутри ва­гона, кВт-ч; F —среднее геометрическое значение внутренней и наружной поверхностей вагона, м²; т — продолжительность расчетного периода испытаний, ч; t_a и t_H — средняя темпера­тура соответственно внутри и снаружи вагона, ° С.

Полученный коэффициент теплопередачи сопоставляют с тре­буемыми значениями, установленными стандартами и техничес­кой документацией.

Данная методика испытаний позволяет определить статиче-кий коэффициент теплопередачи, при котором воздухообмен внутреннего помещения вагона и окружающей среды через не­плотности незначителен. Однако в реальных условиях эксплуа­тации условия теплообмена вагона и окружающей среды изме­няются, причем влияние воздухообмена на тепловые потери ва­гона оказывается весьма существенным. Исследования ВНИИВ показали, что коэффициент теплопередачи пассажирских ваго­нов зависит от скорости их движения, т. е.

K _да = K{l+Cv),

где К _да — коэффициент теплопередачи в условиях движения со скоростью v; К — статический коэффициент теплопередачи; С — коэффициент пропорциональности; С = 0, 003÷ 0, 007 — в зависимости от степени герметичности кузова; v — скорость движения, км/ч.

Герметичность конструкции кузова вагона наиболее правильно определять, измеряя воздухообмен внутреннего объема вагона и окружающей среды. Однако из-за методических трудностей обычно используют косвенный метод оценки, определяя подпор воздуха во внутренних помещениях при работающей системе приточной вентиляции. Подпором воздуха называют избыточное давление относительно окружающей среды при работе системы приточной вентиляции. Подпор принято обозначить символом ∆ р

и измерять в Паскалях или в мм вод. ст. (1 Па ^ 0, 1 мм вод. ст.). Методика определения подпора воздуха в пассажирских вагонах регламентирована отраслевыми руководящими материалами.

Перед испытаниями выполняют следующие подготовительные работы: проверяют исправность системы вентиляции и ее соот­ветствие паспортным данным; контролируют исправность всех дверей, окон, дефлекторов, люков и т. д. Двери, окна и другие устройства, через которые происходит сообщение воздуха внутри вагона с окружающей средой, после проверки плотно закрывают. Избыточное давление (или разрежение) внутри вагона измеряют мембранным микроманометром, например тягонапоромером ТНМ-П1 (модель 2007). В стационарных условиях можно ис­пользовать жидкостные микроманометры. Во время испытаний оператор с прибором находится внутри исследуемого вагона. Измерения выполняют при режимах работы системы вентиляции, установленных программой испытаний. Замеры проводят на стоянке и при движении вагона с различными скоростями — вплоть до конструкционной скорости (измерения при скоро­сти 120 км/ч обязательны). Значение подпора при каждом режиме испытаний рассчитывают как среднее арифметическое получен­ных результатов. Для обеспечения необходимой статистической достоверности опытных данных количество измерений при каждом режиме не должно быть менее 10.

Экспериментальное определение температурно-влажностного режима среды внутри пассажирского вагона является одним из способов проверки теплотехнических и климатических ком­фортных условий проезда пассажиров. С этой целью измеряют температуру, влажность и скорость движения воздуха в опре­деленных точках помещений вагона в различных зонах по их длине, ширине и высоте.

Параметры температурно-влажностного режима в вагоне сле­дующие: температура воздуха в пассажирских и служебных помещениях; разность температур воздуха в помещениях по высоте и длине вагона; температура подаваемого в вагон воздуха на выходе из вентиляционных выпусков; температура внутренних поверхностей ограждений помещений вагона; температура по­верхности кожухов отопительных приборов; относительная влаж­ность воздуха в вагоне; скорость движения воздуха в пассажир­ском помещении.

Температуру воздуха, как правило, измеряют в трех сечениях по длине вагона и на трех уровнях по высоте в каждом сечении (100, 1000 и 1700 мм от пола). Относительную влажность воздуха измеряют во всех сечениях в их средней зоне по высоте. Темпера­туру измеряют термометрами сопротивления (терморезисторами и термисторами), а влажность — аспирационными психрометрами (психрометрами Ассмана) или гигрометрами. Для регистрации показаний термометров сопротивления применяют термостан­ции или электронные автоматические мосты. Скорости движения

воздуха измеряют непосредственно анемометрами или по дина­мическому давлению (напору) при помощи микроманометров. Количество и расположение точек измерения, а также последо­вательность измерений температуры, скорости и влажности воз­духа устанавливают в программе испытаний. На основании ре­зультатов испытаний оценивают общую эффективность систем обогрева и охлаждения воздуха и проверяют обеспеченность в ва­гоне заданных в технической документации температурно-ком-фортных условий.

В комплекс теплотехнических испытаний пассажирского ва­гона входят работы по исследованию и определению теплотех­нических характеристик и режимов работы его отдельных систем и агрегатов оборудования. Такие работы включают определение следующих параметров: производительности системы вентиляции при различных условиях и режимах ее работы по скорости воз­душного потока в воздуховоде; теплопроизводительности кало­рифера измерением температуры воздуха до и после калорифера; теплопроизводительности водяного отопления измерением тем­пературы воды в характерных точках разводящей системы труб, температуры воздуха вблизи труб и расхода воды; теплопроизво­дительности электрического отопления замером расхода электро­энергии; холодопроизводительности холодильной установки из­мерением температуры воздуха до и после ее испарителя или замером параметров хладагента (температуры и давления) в ха­рактерных точках системы; скорости и точности регулирования автоматическими устройствами теплового режима в вагоне.

Описанные разновидности теплотехнических испытаний ха­рактерны также для вагонов городского рельсового транспорта, рефрижераторного подвижного состава и некоторых специализи­рованных грузовых вагонов.