Приборы и аппаратура, используемая при испытаниях вагонов
спытания 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 Ри = Рр, где — коэффициент форсирования; Рр — расчетная (нормативная) нагрузка. При испытаниях несущей металлоконструкции вагона под действием (поочередно) отдельных нагрузок обычно принимают коэффициент k^ = 1,0-^-3,0. Величину уточняют с учетом уровня нагруженности 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, ЦНИИ МПС 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 возбуждают 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 состояния, 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 вагоио-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 колесные 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 осциллографы Н-004М и К-20-21, позволяющие фиксировать иа ленте шириной 190—200 мм до 20 процессов одновременно.
В последние годы при экспериментальных исследованиях вагонов применяют новые методы, позволяющие автоматизиро-ванно 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 измерителя 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.