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 Iа для учета максимальных продольных квазистатических сил;

- режим Iб 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.

П р и м е ч а н и е — 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.

6.3.3.2 Динамическую вертикальную силу от колебаний тележки на первой ступени рессорного подвешивания определяют умножением силы тяжести ее подрессоренной массы и силы тяжести полностью оборудованного и экипированного кузова (главной рамы), приходящейся на тележку, на максимальное значение показателя K_Д1.

Динамическую вертикальную силу для кузова (главной рамы) и промежуточных рам (балок, брусьев и т.п.) второй ступени рессорного подвешивания вычисляют умножением силы тяжести полностью оборудованного и экипированного кузова (главной рамы) (для промежуточных рам, балок, брусьев – с учетом их силы тяжести) на максимальное значение показателя K_Д2.

В качестве максимальных значений показателей K_Д1 и K_Д2принимают увеличенные на 20 % значения этих показателей, полученные в результате математического моделирования движения локомотива, но не выше максимально допустимых значений этих показателей по 4.2 и 4.3.

Допускается принимать значения показателей K_Д1 и K_Д2 по экспериментальным данным, полученным для конструкций с аналогичной экипажной частью.

6.3.3.3 Дополнительную вертикальную силу, прикладываемую к опорам кузова (главной рамы) в результате действия продольной силы инерции полностью оборудованного и экипированного кузова (главной рамы), ∆P, кН, вычисляют по формуле

, (6.19)

где P_ИК – сила инерции кузова (главной рамы), кН;

h_к – расстояние от центра тяжести кузова (главной рамы) до плоскости опор на тележку, м;

2L – база кузова (главной рамы), м.

П р и м е ч а н и е — 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 выбирают либо минимальные, либо, в случае предъявления специальных требований заказчика, максимальные значения продольных сил.

Т а б л и ц а 6.1

В килоньютонах

Тип локомотива	Значения продольных сил для расчетного режима
Iа*	Iб**
Минимальные	Максимальные	Минимальные	Максимальные
Пассажирский	± 2000	± 2500	– 2000	– 2500
Все, кроме пассажирского	± 2500	± 3000	– 2500	– 3000
* Приложение сил к упорам автосцепных устройств. ** Поочередное приложение сил к упорам переднего и хвостового автосцепных устройств. П р и м е ч а н и е ― Знак «+» соответствует растяжению, «–» – 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 0,3.

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.

Продольные силы инерции, действующие на кузов (главную раму) при соударениях локомотива с единицами подвижного состава, вычисляют через продольное ускорение a_x полностью оборудованного и экипированного кузова (главной рамы). При этом принимают, что тележка имеет продольное ускорение 3g. Ускорение кузова (главной рамы) a_x, м/c², вычисляют с учетом силы, приложенной к упорам автосцепных устройств, и сил инерции присоединенных масс тележек, по формуле

, (6.20)

где F_N – сила, приложенная к упорам автосцепных устройств, кН;

i_тел – число тележек под секцией локомотива;

m_Т – масса тележки, т;

m_С – общая масса секции локомотива, т.

При расчете продольной силы инерции тележки при торможении следует учитывать инерцию вращающихся частей. Для этого массу тележки увеличивают на добавочную величину ∆_тел, т, вычисляемую по формуле

, (6.21)

где n_кп – количество колесных пар в тележке;

J_кп – момент инерции колесной пары относительно поперечной оси, т∙м²;

n_ТЭД – количество ТЭД в тележке;

J_ТЭД – момент инерции тягового двигателя относительно поперечной оси, т∙м²;

i_ред – передаточное отношение редуктора;

D_{кр min} – минимально допустимый в эксплуатации диаметр колеса по кругу катания, м.

6.3.4.5 Продольную динамическую силу при движении локомотива с конструкционной скоростью в прямом участке пути рассчитывают, исходя из ускорения приведенной массы тележки вдоль оси пути. Допускается при отсутствии достоверных данных это ускорение принимать равным 0,4g.

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).

6.3.5.2 Рамные силы, действующие от колесной пары на раму тележки, определяют умножением максимальной вертикальной статической осевой нагрузки Р_{ст ос} на максимальное значение показателя K_Дгор.

В качестве максимального значения показателя K_Дгорпринимают увеличенное на 20 % значение этого показателя, полученное в результате математического моделирования движения локомотива, но не выше максимально допустимого значения этого показателя по 4.1.

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.

6.3.7 Вертикальные инерционные силы со стороны масс ТЭД, возникающие при колебаниях рамы тележки с учетом дисбаланса вращающихся частей двигателя, могут быть определены экспериментальным путем или по результатам специального расчета тележки с учетом упругости рамы. При отсутствии надежных экспериментальных или расчетных данных эти силы принимают исходя из вертикального ускорения, равного 2g.

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.

Т а б л и ц а 6.2 − Сочетания сил при расчетных режимах нагружения кузова (главной рамы)

Расчетные силы	Сочетание сил для расчетного режима
Iа	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	─	─

Т а б л и ц а 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	─	─	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	─	─	─	─

6.3.11 Дополнительно к расчетным режимам I – IV узлы связи кузова (главной рамы) с тележкой, передающие силу тяги, рассчитывают при действии инерционных сил, вызванных продольными ускорениями тележки ±3g. При этом напряжения в элементах узлов связи кузова (главной рамы) с тележкой не должны превышать значения 0,9σ_0,2.

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:

- действие вертикальной нагрузки, вызванной вертикальными ускорениями (1 ± с) g, где с = 2 в конце секции локомотива и линейно убывает до значения 0,5 в середине секции локомотива;

- совместное действие силы тяжести оборудования и инерционных сил, вызванных продольными ускорениями ± 3g;

- совместное действие силы тяжести оборудования и инерционных сил, вызванных горизонтальными поперечными ускорениями ± g.

Для каждого из этих случаев напряжения в элементах крепления оборудования не должны превышать 0,9σ_0,2.

6.3.13 Прочность узлов крепления демпферов рессорного подвешивания оценивают для расчетного режима III по условию σ £ 0,6σ_0,2 и по допускаемым коэффициентам запаса сопротивления усталости по 8.3.

Динамические силы, действующие со стороны демпферов, определяют по результатам математического моделирования движения экипажной части.