Разработка экипажной части скоростного пассажирского электровоза с асинхронным тяговым приводом (стр. 4 )

В данной работе выполнена оценка устойчивости движения колесных пар по европейским нормам EN 14653 «Testing for the acceptance of running characteristics of railway vehicles» на основании результатов испытаний опытного электровоза. В основе оценки устойчивости лежат значения поперечных ускорений, замеренные на раме тележке над корпусом буксы.

Четвертая глава посвящена результатам исследования взаимодействия экипажных частей скоростного пассажирского электровоза с АТП с осевыми формулами 20-20-20, 30-30 и пути при движении по прямому участку пути, в кривых радиусом 350, 650, 1000 и 1500 м, а также по стрелочному переводу Р65 1/11 в пошерстном и противошерстном движении.

Моделирование осуществлялось в прямом участке пути до скорости движения 250 км/ч, в кривых участках пути со скоростями соответствующими непогашенному ускорению 0,7 м/с2, в стрелочном переводе до скорости 50 км/ч. Результаты моделирования приведены в таблицах 2 и 3: максимальные значения показателей, которые отражают непосредственное воздействие экипажа на путь, приведены в таблице 2, а максимальные значения показателей, отражающие силы взаимодействия внутри экипажной части – в таблице 3.

Таблица 2 – Показатели взаимодействия экипажной части и пути

Наименование показателя	Прямая	R=1500 м	R=1000 м	R=650 м	R=350 м	Р 65/11
2х	3х	2х	3х	2х	3х	2х	3х	2х	3х	2х	3х
Вертикальная нагрузка от колеса на рельс, кН	168	179	131	163,4	127	144,3	181	202	146,9	155,9	122	145
Боковое давление колеса на рельс, кН	81, 8	86	39,7	65,9	36,7	49,3	87	104	50, 1	56,9	68	77,6
Удельная работа сил трения в контакте гребня и рельса, кДж/м	0,35	0,27	0,19	0,4	0,08	0,19	0,15	0,16	0,13	0,72	0,74	0,76
Удельная работа сил трения в контакте круга катания и рельса, кДж/м	0,18	0,14	0,07	0,12	0,13	0,34	0,62	0,86	0,28	0,26	0,23	0,19

Примечание: жирным шрифтом выделен показатель, имеющий преимущество

Таблица 3 – Показатели взаимодействия внутри экипажной части

Наименование показателя	Прямая	R=1500 м	R=1000 м	R=650 м	R=350 м	Р 65/11
2х	3х	2х	3х	2х	3х	2х	3х	2х	3х	2х	3х
Рамная сила, кН	46,79	69,08	18,5	40,9	17,9	20,6	63	94	27,9	38,45	44,6	56
Коэффициент вертикальной динамики первой ступени	0,389	0,511	0,28	0,23	0,25	0,16	0,4	0,5	0,24	0,16	0,13	0,11
Коэффициент вертикальной динамики второй ступени	0,073	0,072	0,16	0,17	0,13	0,11	0,18	0,15	0,12	0,12	0,08	0,09

Примечание: жирным шрифтом выделен показатель, имеющий преимущество

В результате исследования взаимодействия экипажных частей 30–30 и 20–20–20 и пути было установлено, что электровоз с осевой формулой 20–20–20 по большинству критериев взаимодействия экипажной части и пути и по взаимодействию внутри экипажной части ведет себя существенно лучше, чем электровоз с осевой формулой 30–30.

Пятая глава посвящена сравнению результатов испытаний электровоза ЭП20, экипажная часть которого создана на основании предложений диссертационной работы, с наиболее близким ему по конструкции прототипом – электровозом ЭП10 с АТП который имеет, как и ЭП20, осевую формулу экипажной части 20–20–20. Оба электровоза двух системные, с АТП имеют одинаковое распределение масс между кузовом с оборудованием и тележками.

На основании полученных данных моделирования взаимодействия экипажной части и пути выполнен анализ показателей динамики, воздействия на путь, удельных показателей износа в зонах контакта колес и рельсов и выбор осевой формулы экипажной части скоростного пассажирского электровоза с АТП. Это позволило исключить стадию разработки, изготовления и испытания макета, как это было на электровозе ЭП10.

Сравнение результатов испытаний показало, что электровоз ЭП20 имеет лучшие показатели динамики и воздействия на путь, чем электровоз ЭП10 и удовлетворяет требованиям по воздействию на путь до скорости 220 км/ч. На рисунке 8 показаны рамные силы, а на рисунке 9 – боковые силы в прямом участке пути. Испытания проводились до скорости 160 км/ч на испытательном полигоне ОАО «ВНИИЖТ» в г. Белореченск, до скорости 220 км/ч на Октябрьской железной дороге.

Сравнение результатов моделирования с результатами испытаний показало, что они имеют хорошую сходимость. Некоторые из них показаны на рисунках 10 и 11.

Рис.8- Рамные силы в прямой Рис.9 – Боковые силы в прямой

Выполнена оценка стабильности движения колесных пар в соответствии с европейскими нормами EN 14653 «Testing for the acceptance of running characteristics of railway vehicles». Исходными данными для оценки поведения колесных пар приняты значения измеренных горизонтальных ускорений, замеренных на рамах тележек акселерометрами во время испытаний электровоза ЭП20-001 на испытательном полигоне в г. Белореченск со скоростями движения 60…160 км/ч и электровоза ЭП20-002 на Октябрьской железной дороге на участке С. Петербург – Бологое со скоростями движения 160…220 км/ч.

Российские нормативные документы не нормируют величины вертикальных и горизонтальных ускорений тележек. В соответствии с нормами EN 14653 допускаемое значение поперечных ускорений тележки (в м/с2) в диапазоне частот 0–10 Гц рассчитывается по формуле:

;

где MТ – масса тележки в тоннах.

Масса крайних тележек и средней тележки электровоза ЭП20 приблизительно равна 17 т. Подставляя значение массы тележки в формулу, получаем, что допускаемое значение поперечных ускорений тележек для электровоза ЭП20 составляет не более 0,86g (8,6 м/с2). Наибольшее замеренное ускорение на раме средней тележки равно 3,77 м/с2, что значительно ниже нормативного значения. Таким образом, была обоснована устойчивость движения колесных пар.

Рис.10 - Рамные силы в прямой Рис.11 – Боковые силы в прямой

Шестая глава посвящена оценке усталостной прочности рамы тележки.

В связи с тем, что рама тележки, имеющая новую конструкцию, подвергается сложному силовому воздействию, для нее были проведены исследования по обеспечению нормативной прочности.

Необходимость проведения исследовательских работ по раме двухосной тележки обусловлена также тем, что эта рама имеет прогнутые боковины, которые необходимы для того, чтобы понизить уровень пола и центр тяжести кузова с оборудованием, а также увеличить объем в кузове для размещения оборудования, объем которого значительно увеличивается при применении АТП. Прогнутые боковины имеют дополнительные концентраторы напряжений в местах перегибов.

Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) рамы тележки выполнялось на конечно-элементной модели, состоящей из объемных конечных элементов. Для выполнения работы применен программный комплекс ANSYS.

Для получения более реальной картины нагружения в модель были включены буксовые пружины. В качестве нагружающих сил применены силы, действующих на раму тележки со стороны кузова и колесных пар вычисленные в результате моделирования движения экипажной части в прямых и кривых участках пути. НДС рамы тележки в одном из эксплуатационных режимов показано на рис.12.

«НЭВЗ» изготовил опытный образец рамы тележки и передал в для испытаний на прочность. Испытания с целью оценки усталостной прочности рамы тележки проводились на стенде СТ-211М (рис.13).