ГОСТ Р 55513-2013 Локомотивы. Требования к прочности и динамическим качествам (с Поправкой).
ГОСТ Р 55513-2013
Группа Д51
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ЛОКОМОТИВЫ
Требования к прочности и динамическим качествам
Locomotives. Requirements for strength and dynamic properties
ОКС 45.060.10
ОКП 31 8100
34 5100
34 5200
Дата введения 2014-07-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Открытым акционерным обществом "Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава" (ОАО "ВНИКТИ") и Открытым акционерным обществом "Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта" (ОАО "ВНИИЖТ")
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 45 "Железнодорожный транспорт"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 26 августа 2013 г. N 536-ст
4 Настоящий стандарт может быть применен на добровольной основе для соблюдения требований технического регламента Таможенного союза ТР ТС 001/2011 "О безопасности железнодорожного подвижного состава"
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (gost.ru)
ВНЕСЕНА поправка, опубликованная в ИУС N 5, 2020 год
1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на локомотивы колеи 1520 мм, предназначенные для эксплуатации на железных дорогах Российской Федерации со скоростями движения до 200 км/ч включ.
Настоящий стандарт устанавливает требования к прочности и жесткости узлов экипажной части локомотивов, динамическим качествам локомотивов, а также объем расчетов и виды испытаний по подтверждению показателей динамики и прочности.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ Р 27.002-2009 Надежность в технике. Термины и определения
ГОСТ Р 52944-2008 Цикл жизненный железнодорожного подвижного состава. Термины и определения
ГОСТ 25.101-83 Расчеты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов
ГОСТ 25.502-79 Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость
ГОСТ 380-2005 Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки
ГОСТ 535-2005 Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия
ГОСТ 977-88 Отливки стальные. Общие технические условия
ГОСТ 1050-88 Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия
ГОСТ 1452-2011 Пружины цилиндрические винтовые тележек и ударно-тяговых приборов подвижного состава железных дорог. Технические условия
ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение
ГОСТ 2246-70 Проволока стальная сварочная. Технические условия
ГОСТ 4784-97 Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки
ГОСТ 5457-75 Ацетилен растворенный и газообразный технический. Технические условия
ГОСТ 5583-78 (ИСО 2046-73) Кислород газообразный технический и медицинский. Технические условия
ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки
ГОСТ 6331-78 Кислород жидкий технический и медицинский. Технические условия
ГОСТ 6713-91 Прокат низколегированный конструкционный для мостостроения. Технические условия
ГОСТ 6996-66 (ИСО 4136-89, ИСО 5173-81, ИСО 5177-81) Сварные соединения. Методы определения механических свойств
ГОСТ 7871-75 Проволока сварочная из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия
ГОСТ 8050-85 Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия
ГОСТ 8479-70 Поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали. Общие технические условия
ГОСТ 9087-81 Флюсы сварочные плавленые. Технические условия
ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах
ГОСТ 9466-75 Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки сталей и наплавки. Классификация и общие технические условия
ГОСТ 10157-79 Аргон газообразный и жидкий. Технические условия
ГОСТ 10885-85 Сталь листовая горячекатаная двухслойная коррозионно-стойкая. Технические условия
ГОСТ 14637-89 (ИСО 4995-78) Прокат толстолистовой из углеродистой стали обыкновенного качества. Технические условия
ГОСТ 16504-81 Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения.
ГОСТ 18855-94 (ИСО 281-89) Подшипники качения. Динамическая расчетная грузоподъемность и расчетный ресурс (долговечность)
ГОСТ 19281-89 (ИСО 4950-2-81, ИСО 4950-3-81, ИСО 4951-79, ИСО 4995-78, ИСО 4996-78, ИСО 5952-83) Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия
ГОСТ 21354-87 Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчет на прочность
ГОСТ 22703-2012 Детали литые сцепных и автосцепных устройств железнодорожного подвижного состава. Общие технические условия
ГОСТ 23207-78 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения
ГОСТ 23949-80 Электроды вольфрамовые сварочные неплавящиеся. Технические условия
ГОСТ 24955-81 Подшипники качения. Термины и определения
ГОСТ 26271-84 Проволока порошковая для дуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей. Общие технические условия
ГОСТ 26388-84 Соединения сварные. Методы испытаний на сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке плавлением
ГОСТ 26389-84 Соединения сварные. Методы испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке плавлением
Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 27.002, ГОСТ Р 52944, ГОСТ 16504, ГОСТ 23207, ГОСТ 24955, а также следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 локомотив: Железнодорожный подвижной состав, предназначенный для обеспечения передвижения по железнодорожным путям поездов или отдельных вагонов.
3.2 конструкционная скорость: Наибольшая скорость движения, заявленная в технической документации на проектирование.
3.3 несущие конструкции: Конструкции локомотива, воспринимающие эксплутационные* нагрузки.
3.4 несущий элемент: Часть конструкции или деталь, воспринимающие эксплутационные* нагрузки.
3.5 экипажная часть локомотива: Конструкция, представляющая собой механическую повозку, обеспечивающую движение локомотива по рельсовой колее и предназначенную для установки силового и вспомогательного оборудования, приводов, тормозной системы.
3.6 базовая часть: Несущая составная часть конструкции локомотива, которая определяет срок службы локомотива и замена которой до списания локомотива невозможна или нецелесообразна.
Примечание - Базовыми частями локомотива являются рама тележки, промежуточные рамы (балки, брусья и т.п.) второй ступени рессорного подвешивания, кузов (главная рама).
3.7 мягкое нагружение: Циклическое нагружение при постоянной амплитуде напряжений.
3.8 жесткое нагружение: Циклическое нагружение при постоянной амплитуде деформаций.
3.9 рамная сила: Поперечная горизонтальная сила взаимодействия колесной пары с рамой тележки или главной рамой экипажной части.
3.10 максимальная статическая нагрузка (осевая, на узел первой/второй ступени рессорного подвешивания): Статическая нагрузка, действующая от силы тяжести локомотива в полностью экипированном состоянии.
3.11 непогашенное ускорение: Доля поперечного горизонтального ускорения, действующая на локомотив при движении в кривой вдоль оси колесной пары, некомпенсированная возвышением наружного рельса.
3.12 надрессорное строение: Совокупность всех подрессоренных конструкций экипажной части.
3.13 галопирование: Вращательное колебание надрессорного строения вокруг горизонтальной поперечной оси.
Примечание - Колебания этого рода, сопровождаемые попеременным опусканием и подниманием то переднего, то заднего концов тележки или надрессорного строения, вызываются двусторонними неровностями верхнего строения пути (например, при расположении стыков не вразбежку, а друг против друга), резкими переходами в продольном профиле (например, от уклона к площадке), а также торможениями, когда появляются опрокидывающие моменты, разгружающие одни оси и нагружающие другие.
3.14 подпрыгивание: Поступательное колебание надрессорного строения вдоль вертикальной оси.
3.15 боковая качка: Вращательное колебание надрессорного строения вокруг горизонтальной продольной оси.
3.16 виляние: Вращательное колебание надрессорного строения вокруг вертикальной оси.
3.17 относ: Перемещение надрессорного строения вдоль горизонтальной поперечной оси.
3.18 макротрещина: Трещина, видимая невооруженным глазом.
4 Требования к динамическим качествам
- 0,35 для пассажирского и грузопассажирского локомотива с конструкционной скоростью 160 км/ч и менее;
- 0,30 для пассажирского и грузопассажирского локомотива с конструкционной скоростью более 160 км/ч;
- 0,35 для грузового и маневрового электровоза;
- 0,40 для прочих локомотивов.
- 0,20 для пассажирских и грузопассажирских локомотивов;
- 0,25 для прочих локомотивов.
- 3,25 для пассажирских и грузопассажирских электровозов;
- 3,50 для пассажирских и грузопассажирских тепловозов (газотепловозов);
- 3,75 для прочих локомотивов.
- 1,60 - при включении в схему нагружения упругого упора;
- 1,40 - до включения в схему нагружения упругого упора.
4.8 Должно быть обеспечено отсутствие взаимного касания элементов экипажной части, не предусмотренного конструкторской документацией.
4.9 При наличии в конструкции экипажной части ограничителей перемещений, предназначенных для функционирования в штатной эксплуатации, они должны иметь упругие упоры.
4.10 Конструкция экипажной части и узлов крепления оборудования локомотива должна обеспечивать отсутствие резонансных колебаний при движении локомотива и работе размещенных на кузове (главной раме) агрегатов.
При невозможности исключения резонансных колебаний должны быть применены конструктивные меры для снижения нагруженности несущих элементов экипажной части.
5 Требования к прочности, жесткости и ресурсу
5.1 Несущую способность элементов конструкции экипажной части оценивают при действии установленных настоящим стандартом расчетных нагрузок по допускаемым значениям:
- напряжений;
- деформаций;
- коэффициентов запаса сопротивления усталости;
- коэффициентов запаса устойчивости.
5.2 Напряжения в конструкциях при действии расчетных нагрузок в соответствии с 6.3 не должны превышать допустимых значений, приведенных в таблице 8.1.
- для стальных конструкций - 2,0;
- для конструкций из алюминиевых сплавов - 2,2.
Выполнение данного требования на стадии проектирования проверяют по результатам расчетов математической модели, а при наличии опытного образца подтверждают результатами испытаний (см. 8.3).
5.5 Сопротивление усталости рам тележек и промежуточных рам (балок, брусьев и т.п.) второй ступени рессорного подвешивания должно быть подтверждено отсутствием усталостных трещин после 10 млн. циклов нагружения на вибрационном стенде при нагружении согласно требованиям 8.3.7.
5.7 Жесткость конструкции элементов экипажной части и узлов крепления оборудования должна обеспечивать выполнение требований 4.10.
5.8 Коэффициенты запаса прочности для пружин рессорного подвешивания должны быть не менее:
6 Расчет показателей динамики и прочности
6.1 Общие требования
6.1.1 При проектировании несущих конструкций экипажной части проводят:
- выбор материалов, размеров и конструктивных форм несущих элементов для заданных параметров нагружения;
- выбор характеристик рессорного подвешивания;
- оценку динамических качеств локомотива;
- анализ напряженно-деформированного состояния в наиболее нагруженных зонах для различных расчетных нагрузок;
- оценку прочности и сопротивления усталости;
- оценку ожидаемого ресурса.
6.1.2 Для оценки динамических качеств локомотива и выбора упруго-диссипативных характеристик рессорного подвешивания при проектировании используют программные комплексы, позволяющие путем компьютерного моделирования определить значения динамических показателей, указанных в разделе 4, при движении в прямых и кривых участках пути с учетом возвышения наружного рельса и неровностей пути, а также с одновременным расчетом ускорений, скоростей и перемещений заданных элементов конструкции.
Проверку правильности выбора расчетной математической модели выполняют путем сравнения результатов компьютерного моделирования с результатами динамико-прочностных испытаний локомотива, имеющего аналогичную экипажную часть.
6.1.3 Расчетам на прочность подлежат: кузов (главная рама), рамы тележек, промежуточные рамы (балки, брусья и т.п.) второй ступени рессорного подвешивания, элементы связи кузова (главной рамы) с тележками (шкворень, тяги и др.), пружины рессорного подвешивания, корпуса букс, узлы крепления оборудования. Они должны быть рассчитаны на действие нагрузок, приведенных в 6.3.
6.1.4 Для расчетов на прочность следует применять трехмерные модели, выполненные из объемных и оболочечных элементов. Тип конечных элементов и размеры сетки назначают, исходя из условий согласования результатов конечно-элементного расчета с результатами аналитического решения или натурного эксперимента (тензометрирования).
Сходимость результатов расчета проверяют методом последовательного сгущения сетки.
В зонах концентраций напряжений следует использовать сетку из линейных, но более мелких, или из нелинейных (билинейных) конечных элементов.
6.2 Расчет показателей динамики
6.2.1 Коэффициент горизонтальной динамики
6.2.2 Коэффициент вертикальной динамики первой ступени рессорного подвешивания
Значение динамической составляющей вертикальной силы определяют в порядке, аналогичном изложенному в 6.2.1 для определения динамической составляющей рамной силы.
6.2.3 Коэффициент вертикальной динамики второй ступени рессорного подвешивания
Значение динамической составляющей вертикальной силы определяют в порядке, аналогичном изложенному в 6.2.1 для определения динамической составляющей рамной силы.
6.2.4 Коэффициент запаса устойчивости против схода колеса с рельса
(Поправка. ИУС N 5-2020).
НК - набегающее колесо; ННК - ненабегающее колесо.
Рисунок 6.1 - Схема сил, действующих на колесную пару
Набегающее на рельс колесо определяют по направлению действия рамной силы, то есть рамная сила направлена от ненабегающего колеса к набегающему.
При проектировании данный показатель рассчитывают для всех колесных пар локомотива. При проведении динамико-прочностных испытаний этот показатель рассчитывают для крайних колесных пар локомотива.
Оценку соответствия локомотива требованию 4.4 выполняют по наименьшему из всех вычисленных значений данного показателя.
6.2.5 Показатели плавности хода
Для расчета показателей плавности хода используют динамические процессы виброускорений, полученные при движении локомотива по прямым участкам пути и по кривым участкам с радиусом не менее 600 м (не менее 1000 м для скоростного движения). Длительность измерений в каждом диапазоне скоростей должна быть не менее 200 с.
При проведении динамико-прочностных испытаний показатели плавности хода контролируют для скоростей движения от половины конструкционной скорости до конструкционной скорости с шагом от 10 до 20 км/ч.
6.2.6 Коэффициенты конструктивного запаса пружинных комплектов рессорного подвешивания
- по формуле (6.12) при отсутствии в конструкции первой ступени рессорного подвешивания ограничения сжатия;
- по формуле (6.13) при наличии в конструкции первой ступени рессорного подвешивания ограничения сжатия (за исключением ограничения вследствие замыкания витков лимитирующей пружины).
6.3 Расчетные режимы для оценки прочности
6.3.1 Для оценки прочности по допускаемым напряжениям по отношению к пределу текучести материала используют расчетные режимы I-IV.
Для оценки сопротивления усталости используют расчетный режим III, служащий для учета как статических, так и динамических сил.
Режим I включает:
- режим la для учета максимальных продольных квазистатических сил;
- режим 1б для учета максимальных продольных ударных сил.
Режим II включает:
- режим IIа для учета сил, действующих при движении в кривых участках пути с максимальным разрешенным непогашенным ускорением;
- режим IIб для учета сил, действующих при трогании;
- режим IIв для учета сил, действующих при экстренном торможении.
Примечание - Максимальное разрешенное непогашенное ускорение задают в технических требованиях на локомотив применительно к особенностям полигона эксплуатации и конструктивному исполнению экипажной части (например, принудительному наклону кузова (главной рамы)).
Режим III предназначен для учета сил, действующих при движении с конструкционной скоростью по прямым участкам пути.
Режим IV предназначен для учета сил, обусловленных технологией ремонта и производством аварийно-восстановительных работ и возникающих:
- при подъеме кузова (главной рамы) на двух диагонально расположенных домкратах;
- при подъеме локомотива за узел автосцепного устройства;
- при выкатке колесной пары.
6.3.2 При расчетах на прочность экипажной части локомотива должны быть учтены следующие силы:
- собственная сила тяжести (вес) экипажной части и сила тяжести (вес) размещенного на нем оборудования;
- инерционные, упругие и диссипативные силы, вызванные колебаниями локомотива при его движении;
- силы, возникающие при работе тяговых двигателей и других механизмов, установленных на локомотиве;
- силы, связанные с тягой локомотива и торможением поезда;
- силы, возникающие при движении локомотива в кривых участках пути;
- силы соударения;
- силы, возникающие при ремонтно-аварийных работах.
Перечисленные статические и динамические силы принимают действующими статически и подразделяют по схемам их приложения на вертикальные, продольные, горизонтальные поперечные и кососимметричные.
6.3.3 К расчетным вертикальным силам относят:
- собственную силу тяжести экипажной части локомотива;
- силы тяжести размещенного на нем оборудования;
- вертикальные динамические силы, возникающие при движении локомотива;
- дополнительные вертикальные силы, возникающие на опорах кузова (главной рамы) при действии продольных и горизонтальных поперечных нагрузок в рассматриваемом режиме.
6.3.3.1 Под силой тяжести экипажной части локомотива понимают суммарную силу собственной тяжести элементов и оборудования полностью экипированного локомотива.
Действие этой силы рассматривают:
- при опирании кузова (главной рамы) на тележки (схема опирания 1);
- при подъемке кузова (главной рамы) двумя домкратами, установленными по диагонали локомотива на поддомкратные опоры (схема опирания 2);
- при аварийной подъемке локомотива с тележкой за лобовый брус или узел автосцепного устройства (схема опирания 3).
При аварийной подъемке за узел автосцепного устройства учитывают сумму силы тяжести полностью оборудованного и экипированного кузова (главной рамы) и силы тяжести поднимаемой тележки, имеющей связь с кузовом (главной рамой).
При выкатке колесных пар из-под тележки, находящейся под локомотивом, должны быть рассмотрены два случая:
- выкатка средней колесной пары трехосной тележки;
- выкатка крайней колесной пары трехосной или двухосной тележек.
Примечание - Дополнительные вертикальные силы нагружают одну тележку и разгружают другую.
6.3.3.4. Дополнительные силы на опоры кузова (главной рамы), опоры тягового двигателя, опоры тягового редуктора, узлы передачи силы тяги при трогании с места рассчитывают исходя из условий равновесия экипажной части при реализации максимальной силы тяги, определяемой по 6.3.4.2.
6.3.3.5 Дополнительную вертикальную силу, действующую на опоры кузова (главной рамы) при торможении, вызванную моментом пары сил, одна из которых - продольная сила инерции локомотива, вторая - суммарная касательная сила торможения на ободе колес, необходимо рассчитывать исходя из условий равновесия экипажной части.
6.3.4 Продольные силы представляют собой силы взаимодействия между локомотивом и вагонами при их движении в поезде и выполнении маневров, силы тяги и торможения и возникающие при тяге и торможении продольные силы инерции. Продольные силы прикладывают к автосцепным устройствам, элементам связи колесных пар с тележками и тележек с кузовом (главной рамой).
6.3.4.1 Значения продольных сил, прикладываемых к автосцепным устройствам, устанавливают в соответствии с таблицей 6.1. При этом, как правило, выбирают минимальные, а в случае предъявления специальных требований заказчика - максимальные значения продольных сил.
Таблица 6.1
В килоньютонах
Тип локомотива | Значения продольных сил для расчетного режима | |||
| la* | 1б** | ||
| Минимальные | Максимальные | Минимальные | Максимальные |
Пассажирский | ±2000 | ±2500 | -2000 | -2500 |
Все, кроме пассажирского | ±2500 | ±3000 | -2500 | -3000 |
* Одновременное приложение сил к упорам автосцепных устройств.
** Поочередное приложение сил к упорам переднего и хвостового автосцепных устройств. Примечание - Знак "+" соответствует растяжению, знак "-" - сжатию. | ||||
6.3.4.2 Продольные силы тяги и торможения определяют, рассматривая равновесие экипажной части в целом и отдельных ее узлов.
Максимальную силу тяги, приходящуюся на одну колесную пару в режиме трогания с места, определяют из условия полной реализации сцепления колес с рельсами. Коэффициент сцепления принимают равным 0,35. Допускается принимать иное значение в соответствии с техническим заданием на локомотив, но не менее 0,30.
6.3.4.3 Силы, действующие на раму тележки со стороны тормозной системы, определяют силой нажатия на тормозные колодки (при колодочном тормозе) или диск (при дисковом тормозе) и их коэффициентом трения.
Значения, направления и точки приложения этих сил определяют, исходя из конструкции тормозной системы.
6.3.4.4 Продольные силы инерции, действующие на отдельные узлы и элементы локомотива, считают приложенными к центрам их масс.
6.3.5 Горизонтальные поперечные силы определяются динамической составляющей рамной силы и силами, соответствующими непогашенному ускорению, действующими по направлению оси колесной пары и поперечных осей, проходящих через центры масс тележки и кузова (главной рамы).
6.3.5.1 Центробежную силу определяют отдельно для кузова (главной рамы) и тележек при максимальном разрешенном непогашенном горизонтальном поперечном ускорении. Равнодействующую центробежной силы считают приложенной в центре тяжести кузова (главной рамы) или тележки. Действие этой силы вызывает перераспределение вертикальных нагрузок на опоры кузова (главной рамы).
Допускается принимать значения рамных сил по экспериментальным данным, полученным для конструкций с аналогичной экипажной частью.
6.3.6 Вертикальные кососимметричные силы, представляющие собой систему взаимно уравновешенных сил, приложенных со стороны рессорного подвешивания к раме тележки, учитывают только при расчетах тележек, имеющих конструкцию, способную воспринимать эти силы (с замкнутым контуром, Н-образную и т.п.). Они состоят из четырех равных по абсолютной величине вертикальных сил, из которых две, расположенные по диагонали, действуют вверх, а две другие - вниз. Они могут возникать в двух- или трехосных тележках и действуют со стороны букс на раму тележки. В случае трехосных тележек принимают, что нагрузка на пружинный комплект средней колесной пары остается неизменной.
Значения кососимметричных сил принимают равными 10% от вертикальной нагрузки на буксовый узел.
6.3.8 При проведении расчетов следует учитывать силы, возникающие при работе механизмов, установленных на локомотиве. Для расчетного режима III напряжения от действия этих сил суммируют с напряжениями от действия динамических нагрузок.
6.3.9 При расчетах конструкций, подвергаемых деформациям при сборке (монтаже), учитывают возникающие при этом усилия (например, усилия от запрессовки, горячей посадки и т.п.).
6.3.10 Сочетания сил, действующих на экипажную часть в соответствии с расчетными режимами, представлены в таблицах 6.2 и 6.3.
Таблица 6.2 - Сочетания сил при расчетных режимах нагружения кузова (главной рамы)
Расчетные силы | Сочетание сил для расчетного режима | ||||
| la | Iб | IIа | III | IV |
Силы тяжести | по 6.3.3.1, схема опирания 1 | по 6.3.3.1, схемы опирания 2, 3 | |||
Вертикальные динамические силы при движении | - | - | по 6.3.3.2 | по 6.3.3.2 | - |
Продольные силы на упорах автосцепных устройств | по 6.3.4.1 | по 6.3.4.1 | - | - | - |
Продольные силы инерции | - | по 6.3.4.4 | - | - | - |
Центробежная сила | - | - | по 6.3.5.1 | - | - |
Таблица 6.3 - Сочетания сил при расчетных режимах нагружения тележки
Расчетные силы | Сочетания сил для расчетного режима | |||||
| Iб | IIа | IIб | IIв | III | IV |
Силы тяжести | по 6.3.3.1, схема опирания 1 | |||||
Вертикальные динамические силы при движении | - | по 6.3.3.2 | - | - | по 6.3.3.2 | - |
Дополнительные вертикальные силы на опорах кузова (главной рамы) от действия продольной силы инерции кузова (главной рамы) | по 6.3.3.3 | - | - | - | - | - |
Дополнительные вертикальные силы на опорах кузова (главной рамы) при трогании с места | - | - | по 6.3.3.4 |
| - | - |
Дополнительные силы на опорах ТЭД и тягового редуктора при трогании с места | - | - | по 6.3.3.4 | - | - | - |
Вертикальные инерционные силы со стороны масс ТЭД | - | по 6.3.7 | - | - | по 6.3.7 | - |
Дополнительные вертикальные силы на опорах кузова (главной рамы) при торможении | - | - | - | по 6.3.3.5 | - | - |
Силы тяги | - | - | по 6.3.4.2 | - | - | - |
Силы, действующие со стороны тормозной системы | - | - | - | по 6.3.4.3 | - | - |
Продольные силы инерции | по 6.3.4.4 | - | - | по 6.3.4.4 | по 6.3.4.5 | - |
Центробежная сила | - | по 6.3.5.1 | - | - | - | - |
Рамные силы | - | по 6.3.5.2 | - | - | по 6.3.5.2 | - |
Кососимметричные силы со стороны букс | - | по 6.3.6 | - | - | - | - |
6.3.12 Дополнительно к расчетным режимам I-IV элементы крепления съемного оборудования, расположенного на кузове (главной раме), рассчитывают для каждого из следующих случаев нагружения:
Динамические силы, действующие со стороны демпферов, определяют по результатам математического моделирования движения экипажной части.
7 Общие требования к испытаниям. Виды испытаний
Испытаниям по определению показателей динамики подвергают локомотив в целом.
Испытаниям по определению показателей прочности подвергают как локомотив в целом, так и отдельные узлы его экипажной части.
Виды испытаний для оценки показателей динамики и прочности конструкций приведены в таблице 7.1.
Таблица 7.1
Наименование показателя | Условное обозначение показателя | Вид испытаний | |
|
| Стендовые | Динамико- прочностные |
Коэффициент горизонтальной динамики | | - | + |
Коэффициент вертикальной динамики первой ступени рессорного подвешивания | | - | + |
Коэффициент вертикальной динамики второй ступени рессорного подвешивания | | - | + |
Коэффициент запаса устойчивости против схода колеса с рельса | | - | + |
Показатели плавности хода в вертикальном и горизонтальном поперечном направлениях | | - | + |
Отсутствие взаимного касания элементов экипажной части, не предусмотренного конструкторской документацией | - | - | + |
Коэффициенты запаса сопротивления усталости конструкций экипажной части, за исключением колесных пар, валов тягового привода, зубчатых колес и пружин рессорного подвешивания | | - | + |
Сопротивление усталости рам тележек и промежуточных рам (балок, брусьев и т.п.) второй ступени рессорного подвешивания | - | +* | - |
Прочность кузова (главной рамы) при действии нормативной силы соударения, приложенной по оси сцепного устройства | - | - | + |
* Проводят вибрационные испытания в соответствии с 8.3.7. | |||
8 Оценка прочности
8.1 Общие положения
8.1.1 Оценку прочности проводят:
- при проектировании;
- при испытаниях опытного образца;
- при введении конструктивных или технологических изменений, влияющих на прочность;
- при изменении нагруженности.
Значения показателей прочности должны удовлетворять требованиям раздела 5.
8.1.2 Оценку прочности проводят по следующим предельным состояниям:
- возникновение макротрещин при циклическом (много- и малоцикловом) нагружении;
- потеря устойчивости (несохранение первоначальной формы конструкции или ее элемента вследствие их недостаточной жесткости);
- недопустимое изменение геометрии и размеров деталей вследствие накопления пластических деформаций.
8.2 Методы расчета и оценки прочности
8.2.1 Методы оценки прочности определяют в зависимости от условий работы рассматриваемого элемента и достижения его предельного состояния.
8.2.2 Кузова (главные рамы), рамы тележек, промежуточные рамы (балки, брусья и т.п.) второй ступени рессорного подвешивания, пружины рессорного подвешивания, узлы связей и узлы передачи сил тяги и торможения оценивают как по допускаемым напряжениям, так и по сопротивлению усталости.
8.2.3 Оценку прочности по допускаемым напряжениям (выполнение требования 5.2) проводят расчетным путем для случаев наиболее невыгодного возможного сочетания одновременно действующих нормативных нагрузок в соответствии с расчетными режимами по 6.3.
Полученные в результате расчета суммарные напряжения не должны превышать допускаемых значений, установленных в таблице 8.1 для соответствующих расчетных режимов.
Таблица 8.1 - Допускаемые напряжения для элементов кузова (главной рамы) и тележки
Расчетный режим | Допускаемое напряжение для элементов | ||
| кузова (главной рамы) | тележки | |
Режим I | la | | |
| Iб | * | |
Режим II |  | | |
Режим III | | | |
Режим IV | | | |
* При проведении испытаний используют значение . Примечание - - условный предел текучести материала, который принимают по справочным данным или определяют по ГОСТ 1497. | |||
8.2.4 Оценку сопротивления усталости конструкций экипажной части (за исключением колесных пар, валов тягового привода, зубчатых колес и пружин рессорного подвешивания) выполняют путем расчета коэффициентов запаса сопротивления усталости по 8.3.
При проектировании оценку сопротивления усталости допускается выполнять по другим апробированным методикам.
Для рам тележек и промежуточных рам (балок, брусьев и т.п.) второй ступени рессорного подвешивания дополнительно выполняют оценку сопротивления усталости по критерию отсутствия усталостных трещин после 10 млн. циклов нагружения на вибрационном стенде в соответствии с 8.3.7.
Оценку прочности при этом следует проводить как по критериям малоциклового нагружения, так и по критерию разрушения (образование макротрещин) вследствие накопления усталостных повреждений.
Для оценки несущей способности при малоцикловом нагружении рассчитывают коэффициенты запаса прочности, которые не должны быть ниже заданных в 8.4.2.3.
8.2.6 Для сжатых элементов кузова (главной рамы), обшивки необходимо проверить возможность потери как общей, так и местной устойчивости для режимов I и IV. Коэффициенты запаса устойчивости должны быть не ниже заданных в 5.6.
Выполнение данного требования подтверждают расчетом.
8.2.7 Прочность пружин рессорного подвешивания по критериям, установленным в 5.8, подтверждают расчетом по 9.4.2.
8.3 Оценка запаса сопротивления усталости
8.3.1 Оценку прочности по коэффициенту запаса сопротивления усталости несущих элементов проводят, в зависимости от имеющейся информации о характеристиках сопротивления усталости объекта и его нагруженности:
- при отсутствии представительной гистограммы распределения амплитудных значений напряжений, характеризующих нагруженность объекта при эксплуатации - по 8.3.2;
- при известном фактическом значении предела выносливости натурной детали - по 8.3.3;
- при наличии представительной гистограммы динамических напряжений - по 8.3.5.
Условия получения представительной гистограммы динамических напряжений приведены в 8.3.5.1.
Для несущих элементов с высотой сечения до 100 мм включительно, работающих на изгиб, а также для зон элементов несущей конструкции, имеющих местную деформацию изгиба листа, коэффициенты запаса сопротивления усталости рассчитывают по формуле
Допускается использовать следующие эмпирические зависимости:
- 1,4 - для зон концентрации на границах сварных швов (кроме стыковых), в выточках и переходах с радиусами не более 150 мм;
- 1,1 - на границах сварных стыковых швов;
- 1,0 - для других зон.
1,0 - при размере до 250 мм;
от 1,0 до 1,2 - при размере от 250 до 1000 мм, пропорционально размеру;
- 1,0 - для полированной поверхности;
- 0,9 - для поверхности после чистовой станочной обработки;
- 0,8 - для поверхностей после черновой станочной обработки, поверхностей с окалиной и поверхностей стальных литых деталей после пескоструйной обработки;
- 1,4 - для сплавов на основе алюминия;
- 1,0 - для углеродистых прокатных сталей марок Ст15, Ст20 по ГОСТ 1050, Ст3сп по ГОСТ 380;
- 1,2 - для низколегированных прокатных сталей марок 09Г2,09Г2Д, 09Г2С, 09Г2СД по ГОСТ 19281;
- 1,2 - для коррозионно-стойких прокатных сталей.
8.3.4 Коэффициенты запаса сопротивления усталости, вычисленные по формулам (8.1), (8.2), (8.4), (8.5), не должны превышать значений, приведенных в 5.4.
8.3.5 При наличии представительной гистограммы динамических напряжений расчет на усталость выполняют вероятностными методами, исходя из предпосылки, что амплитуда переменных напряжений является случайной величиной.
8.3.5.1 Представительную гистограмму динамических напряжений получают путем статистической обработки схематизированных случайных процессов, записанных в ходе динамико-прочностных испытаний локомотива с выполнением следующих условий:
- испытания проведены в послеремонтном (или в начале ввода в эксплуатацию) и в предремонтном (включая предельный износ по кругу катания колес) состояниях экипажной части локомотива;
- для каждого из состояний экипажной части локомотива испытания проведены при состояниях пути, характерных для сезонов зима и лето;
- для каждого из состояний экипажной части локомотива (послеремонтное и предремонтное) и состояний пути (зима и лето) испытания проведены на различных участках с суммарной протяженностью не менее 2000 км при движении по прямым участкам пути, кривым и стрелочным переводам (включая съезды на боковой путь);
- при испытаниях реализованы эксплуатационные режимы движения (тяга, выбег, служебное торможение) с различными скоростями вплоть до конструкционной или максимальной эксплуатационной;
- регистрация напряжений осуществлялась непрерывно при движении локомотива.
Примечания
1 Послеремонтное состояние экипажной части локомотива - состояние при пробеге локомотива не более 10% от межремонтного (между капитальными ремонтами) пробега с момента изготовления или последнего капитального ремонта локомотива.
2 Предремонтное состояние экипажной части локомотива - состояние при пробеге локомотива не менее 50% от межремонтного (между капитальными ремонтами) пробега с момента изготовления или последнего капитального ремонта локомотива.
Достижение требуемой суммарной протяженности участка (не менее 2000 км) путем многократного движения локомотива по одному и тому же пути недопустимо. Допускается снижение суммарной протяженности участка в случае, если в технических условиях на локомотив установлен ограниченный участок его эксплуатации (обращения), протяженность которого с учетом движения по различным путям не достигает 2000 км.
Примечание - Под эквивалентной амплитудой динамических напряжений следует понимать амплитуду напряжений условного симметричного цикла, эквивалентную по повреждающему действию реальному режиму эксплуатационных напряжений за расчетный срок службы детали.
Интервал скорости движения, м/с | Средняя скорость интервала, м/с | Пассажирские локомотивы | Грузовые локомотивы | |||||
|
| Конструкционная скорость, м/с (км/ч) | ||||||
|
| 55,5 (200) | 44,4 (160) | 38,9 (140) | 38,9 (140) | 33,3 (120) | 27,8 (100) | 25 (90) |
0-12,5 | 6,25 | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,02 | 0,03 | 0,05 | 0,08 |
12,5-15,0 | 13,75 | 0,02 | 0,05 | 0,06 | 0,06 | 0,07 | 0,12 | 0,17 |
15,0-17,5 | 16,25 | 0,03 | 0,07 | 0,08 | 0,07 | 0,09 | 0,15 | 0,22 |
17,5-20,0 | 18,75 | 0,04 | 0,09 | 0,10 | 0,10 | 0,12 | 0,20 | 0,30 |
20,0-22,5 | 21,25 | 0,06 | 0,11 | 0,12 | 0,13 | 0,16 | 0,25 | 0,18 |
22,5-25,0 | 23,75 | 0,07 | 0,13 | 0,13 | 0,14 | 0,19 | 0,15 | 0,05 |
25,0-27,5 | 26,25 | 0,09 | 0,15 | 0,13 | 0,13 | 0,16 | 0,06 | - |
27,5-30,0 | 28,75 | 0,12 | 0,13 | 0,12 | 0,11 | 0,10 | 0,02 | - |
30,0-32,5 | 31,25 | 0,13 | 0,09 | 0,10 | 0,10 | 0,06 | - | - |
32,5-35,0 | 33,75 | 0,12 | 0,06 | 0,06 | 0,07 | 0,02 | - | - |
35,0-37,5 | 36,25 | 0,10 | 0,04 | 0,05 | 0,05 | - | - | - |
37,5-40,0 | 38,75 | 0,07 | 0,03 | 0,02 | 0,02 | - | - | - |
40,0-42,5 | 41,25 | 0,05 | 0,02 | - | - | - | - | - |
42,5-45,0 | 43,75 | 0,03 | 0,01 | - | - | - | - | - |
45,0-47,5 | 46,25 | 0,02 | - | - | - | - | - | - |
47,5-50,0 | 48,75 | 0,02 | - | - | - | - | - | - |
50,0-52,5 | 51,25 | 0,01 | - | - | - | - | - | - |
52,5-55,0 | 53,75 | 0,01 | - | - | - | - | - | - |
Для сети железных дорог общего пользования принимают:
8 - для гладких, чисто обточенных и шлифованных валов и осей с галтелями без поверхностного упрочнения;
18 - для гладких, чисто обточенных и шлифованных валов и осей с галтелями с упрочненной накаткой поверхностью;
4 - для сварных конструкций из проката без упрочняющей обработки швов;
6 - для сварных конструкций из проката с механической или аргонно-дуговой обработкой швов;
4 - для деталей с нормализацией;
5 - для деталей с закалкой и отпуском.
8.3.5.4 В случае, когда кривая усталости аппроксимирована двумя наклонными прямыми линиями, для вычисления коэффициента запаса сопротивления усталости используют уравнение:
8.3.6 В качестве минимально допустимого значения коэффициента запаса сопротивления усталости, рассчитанного по 8.3.5, рекомендуется принимать 2,2.
8.3.7 Для оценки сопротивления усталости рам тележек и промежуточных рам (балок, брусьев и т.п.) второй ступени рессорного подвешивания проводят стендовые вибрационные испытания на базе 10 млн. циклов нагружения. Испытаниям подвергают один образец.
К объекту испытаний прикладывают статические и динамические (циклические) нагрузки. Значения статических нагрузок принимают равными силам тяжести устанавливаемого на объект испытаний оборудования, включая полностью оборудованный и экипированный кузов (главную раму).
Объекты испытаний, нагружаемые в эксплуатации вертикальными силами от веса надрессорного строения и рамными силами, при испытании нагружают этими силами одновременно.
Испытания рам тележек и промежуточных рам (балок, брусьев и т.п.) второй ступени рессорного подвешивания выполняют в следующих случаях:
- при разработке новой конструкции;
- при модернизации конструкции;
- при смене изготовителя;
- при замене материала для изготовления конструкции;
- при изменении технологии изготовления, влияющей на прочность конструкции;
- при увеличении нагрузок более чем на 10,0% по сравнению с ранее реализованными при проведении стендовых вибрационных испытаний.
Если в конструкции локомотива применяют рамы тележек, промежуточные рамы (балки, брусья и т.п.), изготовленные разными предприятиями, испытаниям подлежат конструкции всех изготовителей.
8.4 Рекомендации по расчету на прочность при малоцикловом нагружении
8.4.1 Расчет на малоцикловую усталость
8.4.1.1 Расчет при малоцикловом нагружении выполняют для тех зон конструкций, где могут возникать локальные упругопластические деформации, циклическое изменение которых приводит к разрушению квазистатического, либо усталостного типа.
8.4.1.2 Расчет на прочность при малоцикловом нагружении элементов конструкций для заданных условий эксплуатации (число циклов, асимметрия цикла и т.д.) проводят по деформационно-кинетическим критериям малоцикловой прочности, основанных на суммировании усталостных и квазистатических повреждений.
8.4.1.3 При расчете малоцикловой долговечности и оценке накопления повреждений используют:
- значения местных упругопластических деформаций в максимально напряженных зонах конструкции;
- диаграмму статического и циклического деформирования.
Местные деформации в элементах конструкций определяют расчетным путем или по результатам измерений деформаций на моделях и на натурных конструкциях при эксплуатационных нагрузках.
При расчете местных деформаций используют диаграммы циклического деформирования, получаемые по данным испытаний лабораторных образцов, или расчетные диаграммы деформирования, построенные по диаграммам статического деформирования.
Параметры диаграмм циклического деформирования некоторых сталей в стабильном состоянии приведены в таблице 8.4.
Таблица 8.4 - Параметры диаграмм циклического деформирования
Сталь Ст3сп ГОСТ 380 | Сталь 09Г2 | Сталь 10ХСНД
| Сплав 1561 | ||||
Размах деформаций  , % | Размах напряжений  , МПа | Размах деформаций , % | Размах напряжений , МПа | Размах деформаций , % | Размах напряжений , МПа | Размах деформаций , % | Размах напряжений , МПа |
0,2 | 332 | 0,05 | 105 | 0,05 | 105 | 0,2 | 140 |
0,3 | 458 | 0,10 | 210 | 0,10 | 210 | 0,3 | 211 |
0,4 | 515 | 0,15 | 303 | 0,15 | 315 | 0,4 | 275 |
0,5 | 553 | 0,20 | 363 | 0,20 | 415 | 0,5 | 319 |
0,6 | 583 | 0,25 | 435 | 0,25 | 485 | 0,6 | 350 |
0,7 | 610 | 0,30 | 482 | 0,30 | 535 | 0,7 | 372 |
0,8 | 635 | 0,35 | 520 | 0,35 | 585 | 0,8 | 389 |
0,9 | 658 | 0,40 | 548 | 0,40 | 631 | 0,9 | 401 |
1,0 | 682 | 0,45 | 569 | 0,45 | 669 | 1,0 | 410 |
1,1 | 701 | 0,50 | 585 | 0,50 | 703 | 1,1 | 418 |
1,2 | 718 | 0,55 | 594 | 0,55 | 730 | 1,2 | 425 |
1,3 | 733 | 0,60 | 610 | 0,60 | 756 | 1,3 | 430 |
1,4 | 747 | 0,65 | 620 | 0,65 | 779 | 1,4 | 437 |
1,5 | 761 | 0,70 | 629 | 0,70 | 800 | 1,5 | 442 |
1,6 | 775 | 0,75 | 635 | 0,75 | 816 | 1,6 | 447 |
1,7 | 787 | 0,80 | 644 | 0,80 | 833 | 1,7 | 451 |
1,8 | 800 | 0,85 | 650 | 0,85 | 849 | 1,8 | 455 |
1,9 | 811 | 0,90 | 657 | 0,90 | 863 | 1,9 | 460 |
2,0 | 821 | 1,00 | 671 | 1,00 | 877 | 2,0 | 464 |
2,1 | 832 | 1,10 | 684 | 1,10 | 890 | 2,1 | 467 |
2,2 | 842 | 1,20 | 693 | 1,20 | 903 | 2,2 | 471 |
2,3 | 852 | 1,30 | 704 | 1,30 | 916 | 2,3 | 474 |
2,4 | 862 | 1,40 | 715 | 1,40 | 929 | 2,4 | 477 |
2,5 | 871 | 1,50 | 724 | 1,50 | 940 | 2,5 | 480 |
2,6 | 880 | 1,60 | 733 | - | - | - | - |
Кривую малоцикловой усталости, выражающую зависимость долговечности от циклической упругопластической деформации, строят по результатам испытаний серии образцов.
При жестком нагружении кривую описывают уравнением Мэнсона - Коффина
При мягком нагружении уравнение кривой усталости представляют в виде
Для учета влияния упругой и пластической составляющих деформации при жестком нагружении во всей малоцикловой области используют кривую усталости в виде
Первое слагаемое в уравнении (8.11) характеризует пластическую, второе - упругую составляющую циклической деформации.
При смешанном нагружении (во всем мало- и многоцикловом диапазоне) следует использовать универсальное уравнение кривой усталости
| Значение коэффициента при показателе упрочнения  | ||||||
| 0,30 | 0,25 | 0,18 | 0,13 | 0,07 | 0,04 | 0 |
1,5 | 0,26 | 0,32 | 0,35 | 0,44 | 0,48 | 0,53 | 0,64 |
2,0 | 0,32 | 0,38 | 0,45 | 0,50 | 0,55 | 0,60 | 0,70 |
3,0 | 0,31 | 0,37 | 0,43 | 0,50 | 0,56 | 0,65 | 0,70 |
5,0 | 0,29 | 0,35 | 0,42 | 0,51 | 0,57 | 0,68 | 0,75 |
Примечание - Для промежуточных значений и , не указанных в таблице, значение определяют путем линейной интерполяции табличных данных. | |||||||
| Значения показателя упрочнения при коэффициенте сужения | ||
| 10 | 20 | 30-60 |
0,30 | 0,29 | 0,27 | 0,35 |
0,50 | 0,21 | 0,17 | 0,19 |
0,70 | 0,11 | 0,11 | 0,12 |
0,90 | 0,05 | 0,06 | 0,07 |
0,95 | 0,02 | 0,03 | 0,04 |
1,00 | 0 | 0 | 0 |
8.4.1.5 Если эксплуатационные местные деформации (напряжения) в конструкции определены (экспериментально или расчетным путем), то независимо от циклических свойств металла разрушающие амплитуды напряжений (деформаций) для конструкции при заданном числе циклов до разрушения (или число циклов до разрушения при заданной разрушающей амплитуде деформаций) вычисляют по уравнениям деформационного критерия разрушения:
Примечания
2 Коэффициент безопасности по напряжениям для заданного режима нагружения определяют соотношением
3 Коэффициент безопасности по долговечности определяют соотношением
8.4.2 Оценка прочности при малоцикловом нагружении
8.4.2.1 По уравнениям (8.9)-(8.11) определяют число циклов нагружения до разрушения для элементов, подвергающихся в эксплуатации нагружению в малоцикловом диапазоне.
8.4.2.2 Элементы конструкций, подвергающиеся в эксплуатации смешанному нагружению от сил тяги, торможения, инерции тележек при соударениях (узлы передачи силы от сцепных устройств, шкворневые узлы, элементы связи кузова (главной рамы) с тележками), рассчитывают на долговечность по уравнению кривой усталости (8.12) или уравнениям (8.19) и (8.20).
При расчете по уравнениям (8.19) и (8.20) для заданных коэффициентов безопасности строят соответствующие кривые, после чего сопоставляют действующие в эксплуатации амплитуды и числа циклов с допустимыми.
Для элементов конструкций с высокой концентрацией напряжений принимают
Если испытанию при эксплуатационных нагрузках подвергают натурные конструкции или полномасштабные модели, то значения коэффициентов запаса должны удовлетворять условиям
8.5 Расчет долговечности (ресурса) несущих элементов металлоконструкций локомотивов
8.5.1 Расчеты несущих конструкций локомотивов на циклическую долговечность выполняют:
- для оценки ожидаемого ресурса при проектировании;
- для оценки возможности продления назначенного срока службы (расчет остаточного ресурса);
- при изменении нагруженности.
8.5.2 Расчет долговечности (ресурса) проводят на основе гипотезы линейного суммирования повреждений.
Необходимыми исходными данными для расчета долговечности являются:
- результаты исследования напряженно-деформированного состояния детали, полученные расчетным либо экспериментальным путем;
Примечания:
1 Согласно корректированной линейной гипотезе накопления повреждений условие разрушения имеет вид
2 Коэффициент перегрузки определяется соотношением
Уравнение (8.21) позволяет определить медианное (соответствующее вероятности разрушения 50%) число циклов.
Коэффициенты вариации при расчете принимают равными 0,10-0,15.
Относительный коэффициент запаса вычисляют по формуле
В этом случае при расчете учитывают все напряжения из блока нагружения.
8.5.6 Порядок расчета:
Пример расчета долговечности приведен в приложении В.
9 Требования к прочности и динамическим качествам узлов экипажной части
9.1 Корпус тягового опорно-осевого редуктора
9.1.1 Корпус тягового редуктора должен быть рассчитан на воздействие:
- перекоса подвески редуктора;
- тягового (тормозного) момента, низкочастотных крутильных колебаний и фрикционных автоколебаний при боксовании локомотива;
- колебаний неподрессоренных масс;
- динамических сил со стороны деталей зубчатой передачи.
9.1.2 Для снижения влияния динамических сил со стороны деталей зубчатой передачи и неподрессоренных масс на корпус и другие детали редуктора необходимо выполнение следующих условий:
- корпус редуктора не должен иметь локальных зон (кронштейн крепления подвески, горловина масломерного щупа и другие выступающие детали), частота свободных колебаний которых при скоростях движения локомотива от 50 км/ч до конструкционной скорости равна:
а) частоте пересопряжения зубьев зубчатой передачи;
б) двойной частоте пересопряжения зубьев зубчатой передачи;
- установка стаканов подшипников и лабиринтных крышек в корпусе редуктора должна быть беззазорной (для моноблочных корпусов допускается применение скользящей посадки);
- резьбовое крепление стаканов подшипников и лабиринтных крышек должно быть раздельным.
9.2 Расчет на прочность элементов тягового привода
9.2.1 При расчете на прочность зубчатой передачи тягового привода проводят расчеты по ГОСТ 21354:
- активных поверхностей зубьев на контактное сопротивление усталости (контактную выносливость);
- зубьев на сопротивление усталости при изгибе.
Примечание - Фраза в скобках приведена в редакции ГОСТ 21354, однако термин "выносливость" является недопустимым по ГОСТ 23207.
9.2.2 Элементы тягового привода, передающие крутящий момент, должны быть рассчитаны на нагруженность:
- при совместном действии:
а) крутящего момента при трогании, в часовом режиме и в режиме реостатного (рекуперативного) торможения;
б) динамического крутящего момента;
в) сил, возникающих при радиальной расцентровке и осевом смещении валов;
- от фрикционных автоколебаний при боксовании локомотива.
9.2.3 Низкочастотные (от 1,5 до 20 Гц) динамические нагрузки на элементы тягового привода при проектировании определяют как результат математического моделирования движения локомотива.
9.2.4 При расчете на прочность деталей тягового привода (кроме зубчатой передачи) должны быть учтены два основных вида динамических нагрузок:
- общие для всего тягового привода низкочастотные (от 1,5 до 8,0 Гц) динамические моменты, обусловленные кинематическим возмущением при колебаниях экипажной части;
- высокочастотный динамический крутящий момент, рассчитываемый по 9.2.5.
9.2.5 Высокочастотный динамический крутящий момент определяется высшими гармониками собственных колебаний зубчатой пары.
9.2.6 Крутильную жесткость рассчитывают методами общего машиностроения. При этом должны быть учтены параметры прессовых соединений, ступенчатое изменение диаметров валов, проточки и галтели.
9.2.7 Элементы тягового привода должны быть рассчитаны на сопротивление усталости в соответствии с 8.3.
9.3 Определение расчетного ресурса подшипников буксовых узлов
9.3.1 Буксовые узлы должны быть рассчитаны на ресурс примененных в них подшипников исходя из условий эксплуатации и ожидаемого уровня и характера приложения нагрузок.
а) для роликовых подшипников:
б) для радиальных и радиально-упорных шариковых подшипников:
в) для упорных шариковых подшипников:
Примечание - Диаметр среднеизношенного колеса по кругу катания - среднее значение диаметра колеса между номинальным и минимальным допустимым в эксплуатации значениями.
- 0,55 - для подшипников радиальных роликовых с короткими цилиндрическими роликами;
- 0,35 - для подшипников радиальных роликовых сферических;
- 0,65 - для подшипников радиально-упорных роликовых конических;
- 0,75 - для подшипников радиальных или упорных шариковых.
а) для радиально-упорных роликовых, а также радиальных и радиально-упорных шариковых подшипников
б) для роликовых подшипников с короткими цилиндрическими роликами
Примечание
Примечание - Под силой тяжести (весом) неподрессоренной части редуктора подразумевают сумму массы зубчатого венца, его ступицы и 2/3 общей массы нижней и верхней частей корпуса с учетом массы шестерни и половины массы муфты.
- 0,5 - при равномерном распределении осевой (рамной) силы между правым и левым буксовыми узлами колесной пары;
- 1,0 - при восприятии осевой (рамной) силы одним буксовым узлом колесной пары.
При наличии данных об осевых нагрузках, полученных расчетным путем, или по результатам испытаний конкретных типов локомотивов осевую нагрузку в прямых и кривых участках пути вычисляют по формуле
9.3.1.6 Эквивалентную динамическую радиальную нагрузку в случаях применения в буксовых узлах локомотива радиально-упорных подшипников (например, конических двухрядных кассетного типа или роликовых радиальных сферических двухрядных) вычисляют по (9.5).
Динамические эквивалентные нагрузки в случаях применения в буксовых узлах локомотивов радиально-упорных и упорных шариковых подшипников, освобожденных от восприятия радиальных сил, вычисляют по формулам (9.5), (9.7). Осевую нагрузку на эти типы подшипников вычисляют по формуле
9.3.2 Расчетный ресурс буксовых подшипников локомотива должен соответствовать 5.9.
9.3.3 Пример расчета ресурса буксовых подшипников тепловоза 2ТЭ116 приведен в приложении Г.
9.4 Рекомендации по проектированию рессорного подвешивания
- не более 1,75 при шарнирном закреплении опорных витков (опирание на специальные шарнирные опоры;
- не более 3,5 при жестком закреплении опорных витков (опирание на жесткое основание).
9.4.2 Расчет цилиндрических стальных пружин проводят по нормативной документации [1].
- (0,20-0,30) для гашения форм, характеризующих колебания галопирования и подпрыгивания кузова (главной рамы), а также вертикальных колебаний тележек;
- (0,30-0,40) для гашения форм, характеризующих горизонтальные колебания кузова (главной рамы) - виляния, относа;
- (0,10-0,20) для гашения формы колебаний, характеризующей боковую качку кузова (главной рамы).
9.4.4 При использовании в экипажной части гидравлических гасителей колебаний с линейной зависимостью силы от скорости характеристики гидродемпферов определяют в следующем порядке.
Варьируя коэффициенты сопротивления в матрице демпфирования, находят решения, при которых коэффициенты относительного демпфирования различных форм колебаний экипажной части соответствуют 9.4.3.
9.4.5 Выбранные характеристики гидродемпферов при необходимости корректируют по результатам динамико-прочностных испытаний локомотива и "сброса локомотива с клиньев".
При динамико-прочностных испытаниях эффективность демпфирования определяют по критериям, приведенным в разделе 4.
При "сбросе локомотива с клиньев" коэффициенты относительного демпфирования различных форм колебаний определяют по формулам:
или
10 Требования к применяемым материалам
10.1 Требования к материалам для изготовления сварных конструкций
10.1.1 Для изготовления сварных элементов конструкций базовых частей применяют прокат из углеродистых или низколегированных сталей следующих марок: 09Г2, 09Г2С, 09Г2СД, 10Г2Б, 10Г2СБ, 10Г2БД, 10ХСНД, 12Г2Б, 14Г2АФ по ГОСТ 19281.
Применение кипящей и полуспокойной стали в этих элементах не допускается.
Для изготовления кузовов (главных рам) кроме указанных сталей применяют сплавы на основе алюминия марок АМг5, АМг6, 1915 по ГОСТ 4784.
10.1.2 Для прочих несущих элементов химический состав сталей и механические свойства изготовляемого их них стального проката должны быть выбраны по ГОСТ 535, ГОСТ 1050, ГОСТ 14637,
10.1.3 Применение сталей других марок для изготовления сварных несущих элементов допускается после проведения комплекса испытаний с целью определения следующих показателей:
- ударная вязкость KCV и KCU при комнатной и пониженной температурах по ГОСТ 9454;
- свариваемость.
Свариваемость оценивают по результатам:
- определения механических свойств сварных соединений по ГОСТ 6996;
- испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин по ГОСТ 26389;
- испытаний на сопротивляемость образованию холодных трещин по ГОСТ 26388.
Ударная вязкость и свариваемость должны быть не хуже, чем у проката:
- класса прочности 295 из низколегированной стали 09Г2Д по ГОСТ 19281 для элементов конструкций базовых частей;
- Ст3сп5 (категории 5 из стали Ст3сп по ГОСТ 380) по ГОСТ 14637 для других несущих элементов.
10.1.4 Для изготовления сварных конструкций из двухслойных сталей должны применяться стали марок: 12Х18Н10Т+ВСт3сп, 06ХН28МДТ+ВСт3сп, 08Х17Н13М2Т+20Х, 10Х17Н13М2Т+20К, 12Х18Н10Т+09Г2С по ГОСТ 10885.
10.1.5 Допускается применение сварных соединений из коррозионно-стойких (нержавеющих) сталей с углеродистыми сталями марок Ст3сп по ГОСТ 380; 15 и 20 по ГОСТ 1050, низколегированными сталями марок 16Д по ГОСТ 6713, 09Г2, 09Г2Д, 10Г2БД, 09Г2С, 09Г2СД, 10ХНДП, 15ХСНД по ГОСТ 19281 и другими низколегированными сталями.
10.1.6 Литые приварные несущие детали локомотивов следует изготавливать из низколегированных сталей марок 20ГЛ, 20ГФЛ, 20Г1ФЛ и углеродистых 15Л, 20Л, 25Л по ГОСТ 977.
Отливки следует применять только после термической обработки.
Содержание марганца в отливках должно быть не более 1,4%, углерода - не более 0,23%.
10.1.7 Приварные литые детали автосцепного устройства должны удовлетворять требованиям ГОСТ 22703 (подраздел 5.3).
10.1.8 Приварные детали из поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали должны соответствовать требованиям ГОСТ 8479.
10.2 Требования к сварочным материалам
10.2.1 Электроды для ручной дуговой сварки и прихватки должны соответствовать требованиям:
- сталей - ГОСТ 9466;
- сплавов на основе алюминия - ГОСТ 23949.
10.2.2 Стальная сварочная проволока, применяемая для дуговой сварки и прихватки, должна соответствовать требованиям ГОСТ 2246, сварочная порошковая проволока - ГОСТ 26271.
Сварочная (присадочная) проволока из алюминия и алюминиевых сплавов должна соответствовать требованиям ГОСТ 7871.
10.2.3 Флюсы, применяемые для сварки конструкций, должны соответствовать ГОСТ 9087.
Газы, применяемые для дуговой сварки, должны соответствовать:
- двуокись углерода - ГОСТ 8050;
- аргон - ГОСТ 10157;
- кислород газообразный - ГОСТ 5583;
- кислород жидкий - ГОСТ 6331.
10.2.5 Газы, применяемые при резке сталей, должны соответствовать:
- кислород газообразный - ГОСТ 5583;
- кислород жидкий - ГОСТ 6331;
- ацетилен - ГОСТ 5457.
10.3 Требования к материалам для амортизирующих элементов
Для изготовления амортизирующих элементов, прокладок (виброизолирующих и уплотнительных) следует применять резины, обладающие регламентированными свойствами в соответствии с таблицами Д.1 и Д.2 (приложение Д).
По таблицам Д.1 и Д.2 проводят оценку работоспособности резиновых деталей по допускаемым напряжениям.
Приложение А
(обязательное)
Условия нагружения путеочистителя при расчете на прочность
Конструкция путеочистителя и узлы его крепления подлежат расчету на прочность при поочередном действии центральной и боковой продольной (см. рисунок А.1) статических нагрузок, значения которых указаны в таблице А.1. Схемы приложения нагрузок приведены на рисунке А.1.
а) Центральная продольная нагрузка
б) Боковая продольная нагрузка (по линии, расположенной над рельсом)
1 - центральная продольная нагрузка; 2 - боковая продольная нагрузка (одинаковая для обеих сторон от продольной оси); 3 - уровень головки рельса; 4 - зазор под сцепку (при наличии)
Рисунок А.1 - Схема нагружения путеочистителя (вид на путеочиститель спереди)
Таблица А.1 - Значения нагрузок, прикладываемых к путеочистителю
В килоньютонах
Наименование нагрузки | Значение нагрузки при конструкционной скорости, км/ч | ||||
|  160 | 140 | 120 | 100 | 80 |
Центральная продольная | 300 | 240 | 180 | 120 | 60 |
Боковая продольная | 250 | 200 | 150 | 100 | 50 |
Примечание - Для конструкционных скоростей, значения которых отличаются от указанных, значения нагрузки определяют путем линейной интерполяции. | |||||
Приложение Б
(обязательное)
Экспериментальный метод определения корректирующего коэффициента для сварных конструкций из стального проката
Б.2 Типовой сварной образец (рисунок Б.1) представляет собой полую сварную балку прямоугольного сечения с накладкой прямоугольной формы.
Рисунок Б.1 - Типовой сварной образец
При изготовлении и подготовке образцов к испытаниям необходимо учитывать следующее:
- образцы изготавливают на предприятии, изделия которого подлежат контролю по коэффициентам запаса сопротивления усталости;
- накладку приваривают после изготовления и полного остывания балки;
- не допускается после приварки накладки к горизонтальному листу балки выполнять сглаживающую механическую обработку по границе сплавления шва в месте перехода его на горизонтальный лист балки;
- не допускаются наклеп, аргонодуговая обработка и другие способы упрочняющей или сглаживающей обработки, а также термическая обработка.
Б.3 На испытания представляют не менее 10 типовых сварных образцов, изготовленных с учетом требований Б.2.
Б.4 Испытания проводят на стенде, оборудованном счетчиком циклов, по схеме поперечного изгиба балки, лежащей на двух опорах, как показано на рисунке Б.2.
Рисунок Б.3 - Схема установки тензорезисторов на типовом сварном образце (вид на образец сверху)
Б.8 Перед началом испытаний каждого образца счетчик циклов обнуляют.
Циклическое нагружение каждого образца осуществляют до достижения базы испытаний, указанной в Б.5, или до момента возникновения усталостной трещины длиной от 5 до 10 мм на границе (см. рисунок Б.2) лобового (поперечного) шва приварки накладки.
Б.10 Наличие усталостных трещин определяют методом "керосиновой пробы", который заключается в том, что на поверхность образца в зоне предполагаемого возникновения усталостной трещины при испытаниях наносят кисточкой смесь керосина с маслом в объемном соотношении 3:1. Наличие усталостной трещины характеризуется образованием воздушных пузырьков, наблюдаемых визуально при циклическом нагружении типового сварного образца.
Допускается применение других методов, обеспечивающих обнаружение усталостной трещины длиной от 5 до 10 мм.
Б.11 Результаты испытаний каждого образца заносят в журнал испытаний.
Приложение В
(рекомендуемое)
Пример расчета долговечности
Расчет долговечности (ресурса) выполнен для рамы тележки (челюстного типа) тепловоза М62.
Результирующий блок амплитуд эксплуатационных напряжений для этой рамы представлен в таблице В.1.
, МПа |  | | 
|  |  |  |
2 | 0,0833 | 0,4132 | 0,000004 | 0 | 0,0000017 | 0 |
4 | 0,1667 | 0,2509 | 0,000129 | 0,0000036 | 0,000032 | 0,0000009 |
6 | 0,2500 | 0,1496 | 0,000193 | 0,0000610 | 0,000029 | 0,0000091 |
8 | 0,3333 | 0,0859 | 0,004098 | 0,0004569 | 0,000353 | 0,0000392 |
10 | 0,4167 | 0,0469 | 0,012564 | 0,0021815 | 0,000589 | 0,0001023 |
12 | 0,5000 | 0,0250 | 0,031250 | 0,0078125 | 0,000780 | 0,0001953 |
14 | 0,5833 | 0,0134 | 0,067524 | 0,0229740 | 0,000905 | 0,0003079 |
16 | 0,6667 | 0,0073 | 0,131720 | 0,0587328 | 0,000962 | 0,0004287 |
18 | 0,7500 | 0,0041 | 0,237305 | 0,1334839 | 0,000973 | 0,0005473 |
20 | 0,8333 | 0,0023 | 0,401797 | 0,2790035 | 0,000924 | 0,0006417 |
22 | 0,9167 | 0,0013 | 0,647346 | 0,5439896 | 0,000842 | 0,0007072 |
24 | 1,0000 | 0,0001 | 1,000000 | 1,0000000 | 0,000100 | 0,0001000 |
 | - | 1,0000 | - | - | - | - |
Расчет выполнен с использованием уравнения (8.24), т.е. для случая, когда кривая усталости аппроксимирована двумя наклонными прямыми линиями. Параметры кривой усталости приведены в таблице В.2.
Таблица В.2 - Параметры кривой усталости рамы тележки тепловоза М62
Наименование параметра | Обозначение | Значение |
Предел выносливости детали, МПа | | 30 |
Коэффициент вариации предела выносливости | | 0,12 |
Коэффициент вариации максимального напряжения | | 0,1 |
Показатель степени наклона левой и правой ветвей кривой усталости | | 5 |
| | 7 |
Ордината точки перелома кривой усталости | | 6 ·10 |
Путем решения уравнения (8.22) вычисляют относительный коэффициент запаса:
С учетом формулы (8.23) вычисляют значение предельного коэффициента нагруженности
Вычисляют значения сумм, стоящих в знаменателе правой части уравнения (8.24)
Определяют значение относительной долговечности по уравнению (8.24):
и срок службы детали, лет:
Приложение Г
(рекомендуемое)
Пример расчета ресурса буксового роликового радиального подшипника с короткими цилиндрическими роликами типа 30-32532ЛIМ тепловоза 2ТЭ116
Г.1 Для расчета ресурса подшипника использованы следующие исходные данные:
Приложение Д
(обязательное)
Допускаемые показатели прочности резиновых деталей
Таблица Д.1 - Допускаемые напряжения сжатия резиновых деталей
Напряжение сжатия в мегапаскалях
Фактор формы* | Напряжение сжатия, не более, при твердости по Шору (шкала А) | ||||
| 30 | 40 | 50 | 60 | 70 |
При статических нагрузках | |||||
0,25 | 0,5 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 1,2 |
0,50 | 0,7 | 0,8 | 1,0 | 1,2 | 1,5 |
0,75 | 0,9 | 1,0 | 1,2 | 1,5 | 1,8 |
1,00 | 1,1 | 1,2 | 1,5 | 1,8 | 2,2 |
1,25 | 1,3 | 1,5 | 1,8 | 2,2 | 2,5 |
1,50 | 1,5 | 1,8 | 2,0 | 2,5 | 2,8 |
При статических нагрузках со случайными и эпизодическими динамическими нагрузками | |||||
0,25 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,8 | 1,0 |
0,50 | 0,5 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 1,2 |
0,75 | 0,7 | 0,8 | 1,0 | 1,2 | 1,5 |
1,00 | 0,9 | 1,0 | 1,2 | 1,5 | 1,8 |
1,25 | 1,1 | 1,2 | 1,4 | 1,8 | 2,2 |
1,50 | 1,3 | 1,5 | 1,6 | 2,0 | 2,5 |
При стационарных динамических нагрузках | |||||
0,25 | 0,3 | 0,4 | 0,45 | 0,6 | 0,75 |
0,50 | 0,4 | 0,45 | 0,6 | 0,75 | 0,9 |
0,75 | 0,55 | 0,6 | 0,75 | 0,9 | 1,1 |
1,00 | 0,7 | 0,75 | 0,9 | 1,1 | 1,3 |
1,25 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,3 | 1,6 |
1,50 | 1,0 | 1,1 | 1,2 | 1,5 | 2,0 |
* Фактором формы является отношение площади нагружения к площади свободной (боковой) поверхности детали. Примечание - Для промежуточных значений твердости, не указанных в таблице, значение напряжения определяют путем линейной интерполяции табличных данных. | |||||
Таблица Д.2 - Допускаемые напряжения сдвига резиновых деталей
В мегапаскалях
Нагрузки | Напряжение сдвига, не более, при твердости по Шору (шкала А) | |||
| 40 | 50 | 60 | 70 |
Статические | 0,20 | 0,30 | 0,40 | 0,50 |
Статические со случайными и эпизодическими кратковременными динамическими | 0,15 | 0,20 | 0,25 | 0,30 |
Стационарные динамические | 0,10 | 0,15 | 0,18 | 0,22 |
Примечание - Для промежуточных значений твердости, не указанных в таблице, значение напряжения определяют путем линейной интерполяции табличных данных. | ||||
Библиография
[1] | РД 32.51-95 | Методика расчета на прочность пружин рессорного подвешивания подвижного состава железных дорог при действии продольных и комбинированных нагрузок |
__________________________________________________________________________
УДК 629.4.014.22:006.354 ОКС 45.060.10 Д51 ОКП 31 8100
34 5100
34 5200
Ключевые слова: локомотивы, требования к прочности, динамические качества
__________________________________________________________________________