РЕКОМЕНДОВАННЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
[1, гл. 1 § 1.3, гл. 2 § 2.3]
[2, гл. 3, п.п. 3.7]
[4, гл. 4]
Рассматриваемые вопросы:
1. Понятие о качестве механической части локомотивов;
2. Показатели динамических качеств механической части (ПДК);
12.1. Понятие о качестве механической части локомотивов
Локомотивы в целом и, в частности, их механическая часть должны удовлетворять определенным требованиям эксплуатации, которые представляют в виде совокупности показателей качества.
Понятие “качество” охватывает свойства объекта, которые обуславливают его пригодность удовлетворять определенным требованиям в соответствии с назначением объектов. Количественную характеристику такой пригодности объектов описывают с помощью показателей качества, выбор которых зависит от назначения объекта.
Для объектов многоцелевого назначения, таких, например, как ЭПС, может быть значительное количество показателей как безразмерных, так и выражаемых в различных единицах, например в километрах в час, часах и т.п.
Показатели качества подразделяются на 11 основных групп: назначения; безопасности; экономичного использования сырья, материалов, топлива, энергии; надежности; эргономические; эстетические; технологические; транспортабельности; стандартизации и унификации; патентно-правовые; экологические.
Каждая из этих групп в свою очередь делится на подгруппы: например показатели назначения – на показатели классификационные, функциональные и технической эффективности, конструктивные, состава и структуры; показатели безопасности – на физические, химические, биологические психофизиологические; надежности – на безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости; эргономические – на гигиенические, антропометрические, физиологические, психофизиологические, психологические.
Применительно к механической части показатели качества делят на два больших класса:
первый – общие для механической части и локомотива в целом как единого технического средства;
второй – специфические для механической части, учитывающие ее основные особенности, отличающие механическую часть от других составных частей локомотива.
К специфическим относят показатели, которые характеризуют поведение локомотива как механической системы при движении по рельсовому пути. Поскольку определяющую роль при этом играют колебательные процессы, эти показатели принято называть показателями динамических качеств (ПДК). К ним относят показатели:
· виброзащиты, определяющие степень защиты оборудования локомотива, а также пути от вибраций, возникающих при движении локомотива;
· безопасности движения, характеризующие степень обеспечения безаварийности движения по рельсовой колее;
· плавности хода, относящиеся к подгруппе гигиенических показателей и характеризующие степень воздействия вибраций локомотива на организм человека.
Из всех общих показателей качества локомотивов ограничимся рассмотрением основных групп: показателей назначения и безопасности.
Показатели назначения. Эти показатели в свою очередь делятся на четыре подгруппы. К подгруппе классификационных показателей относится назначение локомотива – грузовой, пассажирский, маневровый, высокоскоростной; для электровозов – пригородный, междугородний и т.п.
В подгруппу функциональных показателей и показателей технической эффективности входят производительность, энергоемкость, экономичность, мощность, сила тяги, скорость и т.п. Конструктивнымипоказателями являются род тока и напряжение, тип энергетической или преобразовательной установки, степень автоматизации управления, тип тягового привода и класс тяговой передачи, схема рессорного подвешивания, массогабаритные показатели и т.п. К показателям состава и структуры относят осевую характеристику и составность, т.е. количество секций локомотива, количество прицепных и моторных вагонов электропоезда и т.п.
Рассмотрим подробнее массогабаритные показатели, которые применительно к механической части локомотива включают в себя:
· полную массу (массу брутто) – массу в груженом состоянии; для вагонов электропоездов и метрополитена учитывается полная загрузка кузова пассажирами (среднюю массу пассажиров принимают 70 кг);
· сцепной вес, т.е. вес, приходящийся на движущие оси локомотива (для тепловозов с учетом 1/3 запаса песка и топлива). Сцепной вес должен быть равномерно распределен между движущимися осями. Это достигается взаимным соответствующим расположением оборудования в кузове и опор кузова на тележку, определяемым специальным расчетом развески экипажа. Сцепной вес локомотива определяет силу статического нажатия движущей колесной пары локомотива на рельсы ( 
);
· служебнуюмассу – массу экипированного локомотива (при 2/3 запаса песка и топлива);
· собственную массу (массу нетто) – массу в порожнем состоянии без пассажиров, песка и топлива;
· удельную массу (материалоемкость) – массу, отнесенную к единице мощности или к количеству пассажиров; для современных электровозов удельная масса составляет 19 – 20 кг/кВт;
· вместимость кузова (для вагонов электропоездов и метрополитена), определяемую количеством сидящих и стоящих пассажиров из расчета 7 ел. на 1 м2 свободной площади салонов и тамбуров;
· планировку кузова, обусловленную его размерами и размещением основного оборудования;
· габаритные ограничения, определяемые строительным очертанием локомотива.
Строительное очертание – контур, лежащий в плоскости, перпендикулярной оси пути, в пределах которого должны быть размещены все элементы проектируемого подвижного состава. Этот контур строят по одному из габаритов подвижного состава Т, 1-Т, 0-Т, 01-Т, 02-Т или 03-Т, уменьшая его размеры на максимальные смещения механической части, возникающие в результате боковых перемещений, осадки рессор, прогиба рамы и износов ходовой части. Не учитываются смещения локомотива, вызываемые состоянием отдельных элементов пути и колебаниями на рессорном подвешивании. Подробно способы определения ограничений вертикальных и горизонтальных размеров строительного очертания локомотива рассмотрены в ГОСТ 9238-83.
Изменения нажатия колесных пар на рельсы 
, возникающие по различным причинам, оценивают с помощью коэффициента использования сцепного веса
. (12.1)
У современных тележечных локомотивов среднее значение 
находится в диапазоне 0,86 – 0,94 соответственно для пассажирских и грузовых локомотивов.
Показатели безопасности для обслуживающего персонала и эргономические показатели качества локомотивов. Они регламентированы ГОСТ 12.2.056 – 81. Показатели влияют на конструкцию и компоновку основных узлов локомотивов, их кузовов и в особенности кабин машиниста. Нормируются требования к конструкции и параметрам устройств сигнализации и связи, тормозных и ударно – тяговых устройств, к противопожарному оборудованию, знакам безопасности, маркировке и окраске. Регламентируются методы контроля за выполнением требований безопасности и эргономике, а также испытаний локомотивов на соответствие этим требований.
12.2. Показатели динамических качеств механической части (ПДК)
Проектирование, изготовление, эксплуатация и ремонт подвижного состава выполняются таким образом, чтобы обеспечивался допустимый уровень ПДК в течении всего срока его службы. На отечественных железных дорогах приняты следующие ПДК.
1) Показатели, оценивающие виброзащитные свойства механической части.
К ним принято относить следующие:
· максимальные ускорения кузова, характеризующие динамические силы, действующие на оборудование локомотива.
· максимальные перемещения концов кузова, определяемые габаритными ограничениями и условиями работы автосцепки. В соответствии с Правилами технической эксплуатации железных дорог России для подвижного состава с автосцепкой нежесткого типа их ограничивают значениями, равными 110 мм – между локомотивом и первым вагоном грузового поезда, 100 мм – между локомотивом и первым вагоном пассажирского поезда, 70 мм – между вагонами пассажирского поезда при скорости до 120 км/ч, 50 мм – вагонами пассажирского поезда при скорости до 140 км/ч.
· коэффициенты вертикальной 
и горизонтальной 
динамики, которые можно определить исходя из прогибов 
как
, (12.2)
, (12.3)
или исходя из сил 
возникающих в отдельном комплекте рессорного подвешивания
, (12.4)
. (12.5)
Здесь показателям динамики соответствует нижний индекс «Д», статики – «СТ»; вертикальные прогибы, силы и напряжения имеют верхний индекс «В», горизонтальные – «Г». Статические прогибы и силы обусловлены весом кузова, тяговых двигателей, рам тележек и т.п. Следует отметить, что коэффициенты горизонтальной динамики носят условный характер, так как при их определении находят отношение горизонтальных динамических прогибов и сил к соответствующим вертикальным статическим. Однако, коэффициент 
, вычисляемый как отношение горизонтальной рамной силы 
к статической силе 
, передаваемой от колеса на рельс, т.е.
. (12.6)
Этот коэффициент по сути близок к запасу устойчивости колеса против схода с рельсов. Кроме того, поскольку коэффициенты динамики являются безразмерными, то сравнение вертикальных и горизонтальных колебаний по одинаковым критериям также представляется целесообразным.
· коэффициенты запаса конструктивного прогиба пружин
, (12.7)
где 
– высота пружины под статической нагрузкой; 
– число рабочих витков пружины; 
– диаметр прутка пружины.
Допустимые значения максимальных ускорений [ 
] и коэффициентов динамики [ 
], рекомендованные отделением комплексных испытаний Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), приведены в таб. 12.1.
Таблица 12.1
Допустимые значения ПДК виброзащиты
| Вид подвижного состава
| Допустимые значения показателей виброзащиты
|
[  ], доли 
| [ ]
|
| Локомотивы
| 0,4/0,35
| 0,35/0,3-0,4
|
| Вагоны электропоездов и метрополитена
| 0,35/0,3
| 0,35/0,3-0,4
|
Примечание. В числителе – для вертикальных колебаний, в знаменателе – для горизонтальных.
Здесь значения [ ] указаны для буксового подвешивания; для кузовного подвешивания значения [ ] рекомендуется принимать в 2 раза меньшими. Значение [ ] = 0,4 для горизонтальных колебаний соответствует участкам пути со щебеночным балластом, а [ ] = 0,3 – участкам пути с гравийным и песчаным балластом. Допустимые значения максимальных ускорений кузова указаны для диапазона частот от 0 до 4 Гц.
Допустимые значения коэффициента запаса конструктивного прогиба пружин [ 
] составляют для обеих ступеней подвешивания локомотивов 1,8 – 1,9, для буксового подвешивания вагонов электропоездов и метрополитена – 1,4 – 1,5 и для их кузовного подвешивания – 1,6 – 1,7.
Для показателей виброзащитных свойств подвижного состава железных дорог должны выполняться следующие условия:
, 
, 
, 
.
При невыполнении этих условий подвижной состав нельзя эксплуатировать или необходимо соответственно ограничить максимальную скорость его движения.
2) Показатели безопасности движения.
Они определяют условия нормального направления колес рельсовой колеей, отсутствие поперечных остаточных деформаций (сдвижки) пути, запасы прочности рельсов и деталей ходовых частей. К этим показателям относятся: устойчивость колеса против схода с рельсов; устойчивость пути против сдвига в плане; устойчивость пути по ширине колеи; прочность рельсов и ходовых частей и т.д. Рассмотрим основные показатели.
Устойчивость колеса против схода с рельсов. Передние колеса тележек при движении по прямым или кривым участкам пути набегают своими гребнями (рис. 12.1, а) на боковые грани головок рельсов. Угол набегания 
в крутых кривых может достигать 0,01 рад и даже более. Место контакта гребня с головкой рельса находится впереди вертикали, проходящей через центр оси, величина предварения касания 
, (где 
– радиус колеса, соответствующий точке контакта колеса и рельса; 
– угол наклона образующей гребня бандажа на рис. 12.1, а).
В точке контакта колеса и рельса возникает нормальная сила реакции 
(рис. 12.1, б). Ее вертикальная составляющая 
стремится вынудить вращающееся колесо перемещаться вверх по боковой поверхности рельса, а горизонтальная составляющая 
(направляющая сила) направляет экипаж в рельсовой колее, причем 
, 
.
Рис. 12.1. К определению запаса устойчивости колеса против схода с рельсов
|
Под действием силы 
левое колесо стремиться соскользнуть вниз, однако этому препятствует сила трения 
(здесь 
– коэффициент трения).
Составляющие силы трения определяются:
; (12.8)
. (12.9)
Кроме направляющей силы , приложенной к гребню бандажа, на колесную пару действует еще реакция рамы 
– рамная сила. Горизонтальную реакцию колеса на рельс называют боковой силой 
. Согласно (рис. 12.1, а) при набегании левого колеса на рельс
; 
; 
. (12.10)
Подставим формулу для 
в выражение (12.9), связывающее боковую и направляющую силы:
отсюда 
Подставим полученное выражение для в формулы для сил 
и :
Очевидно, что колесо не будет подниматься вверх по рельсу, если сумма сил 
меньше . В связи с этим вводят коэффициент запаса устойчивости колеса против схода с рельсов
(2.7)
Допустимое значение коэффициента принимается 
Как видно из формулы поднятие колеса зависит от величины силы 
и параметров бандажа 
и коэффициента трения .
Пример.Угол =70°- стандартный бандаж; 
= 2,75; =0,2 (сталь по стали).
Если принять 
= 1,45, то 
Для нагрузки на ось =230кН, = 115 кН и допустимое значение боковой силы 
Таким образом, наибольшая допустимая боковая сила по условию обеспечения устойчивости колеса против схода с рельса 
при =230кН. Соответствующее этому значение
Устойчивость пути против сдвига в плане (поперечная устойчивость пути).
Сопротивление Rп пути сдвигу в плане (рис. 12.2,а) определяется двумя факторами: сопротивлением балласта, передаваемым на торец шпалы, Rбл и трением подошвы шпалы о балласт 
Поскольку сила трения зависит от нагрузки на ось, сопротивление Rп также зависит от нее (рис. 12.2, б):
(2.8)
В отечественной практике принято оценивать устойчивость пути против сдвига в плане соотношением 
Если принять 2П = 230 кН, то допустимая рамная сила 
или в среднем 126,5 кН. Соответствующая этому боковая сила 
или в среднем 149,5 кН. Наименьшие значения этих сил ограничивают боковое нажатие подвижного состава на рельс при нестабилизированном балластном слое после выправки пути: 
и 
Рис. 12.2. К определению запаса устойчивости пути против сдвига в плане
|
Средние значения этих сил 
и 
ограничивают боковое нажатие при нормальном состоянии балластного слоя.
Условие устойчивости пути против сдвига в плане
или 
Величина 
меньше, чем допустимая боковая сила по условию обеспечения устойчивости колеса против схода с рельса, которая была определена равной 130 кН, поэтому рассматриваемый критерий, как правило, налагает более жесткое ограничение на поперечные силы.
Устойчивость пути по ширине колеи.
Этот показатель характеризует качество крепления рельса к шпале. Невыполнение этого условия вызывает отрыв рельса от шпалы и, как следствие, уширение (расшивку) рельсовой колеи. Условие устойчивости записывается в виде
где 
- допустимое боковое давление рельса на шпалы, равное 40-45 кН.
Поперечная устойчивость экипажа от опрокидывания в кривой.Она определяется соотношением П/(Пц+ПВ)>1, где Пц, ПВ - вертикальные 
разгрузки колеса от действия соответственно центробежных и ветровых нагрузок (500 Н на 1 м2 боковой поверхности локомотива).
Плавность хода.Этот показатель характеризует утомляемость локомотивной бригады и пассажиров из-за действия вибраций и оценивается различными показателями в переходных и установившихся режимах движения.
В переходных режимах движения, таких, как трогание и торможения, вход и выход из кривой, плавность хода оценивают по допустимому значению третьей производной 
Здесь большее значение относится к режимам трогания и торможения, меньшее- к режимам входа и выхода из кривой.
В квазиустановившемся режиме движения в кривой радиуса R могут возникать неприятные ощущения у людей, вызванные центростремительным ускорением aцс=υ2/R. Как указывалась выше, для описания явлений, возникающих при движении в кривой, удобно пользоваться понятием центробежной силы 
Для компенсации этой силы наружный рельс в кривой укладывают выше внутреннего на величину h, которую называют возвышением (рис. 2.15). возвышение целесообразно выбирать так, что составляющие сил Fц и mg, направленные параллельно плоскости пути, были одинаковыми:
Так как 
то 
( здесь 2sp- расстояние между кругами катания колес колесной пары, равное 1600 м). Принимая, что v измеряется в километрах в час, R- в километрах и h- в миллиметрах, получим h=12,5/R.
Максимальное допустимое возвышение на дорогах нашей страны принимается равным 150 мм и обычно компенсирует только часть центробежной силы; некоторая ее часть остается неуравновешенной:
или с учетом малости угла α
Множитель, стоящий в скобках в этом выражении, представляет собой непогашенное ускорение:
(2.9)
Недопустимым на дорогах считают непогашенное ускорение [aн]≥0,7м/с2, вызывающие неприятное ощущение у людей. ВНИИЖТ рекомендует установить наибольшее его значение из условия удовлетворительного воздействия на пассажиров равным 1 м/с2. В других странах нормируемое значение этого ускорения установлено, например, в Японии, Италии равным 0,8 м/с2, во Франции- 1м/с2, в ФРГ- 0,85м/с2. Подставляя значения [ан] в формулу (2.9), можно найти максимальную допустимую скорость движения:
(2.10)
При h=150мм и [ан]= 0,7м/с2, имеем 
в км/ч.
Если R=1000м, то при принятых значениях h и [aн] максимальная скорость υmax 
145км/ч. При υmax=200км/ч на основе выражения (2.10) получим 
Значения допустимых скоростей движения, подсчитанные по выражению (2.10) для кривых различного радиуса, следующие:
R, м……….. 300 350 400 500 600 700 800 1000
υ, км/ч…….. 80 85 95 105 115 125 130 145
Эти значения, а также возвышения наружного рельса регламентированы Правилами технической эксплуатации железных дорог Союза ССР.
В установившемся режиме движения плавность хода оценивают по коэффициенту плавности хода С или по времени утомляемости τy.
Метод оценки коэффициента плавности хода С был разработан немецким инженером Е.Шперлингом на основе испытаний по воздействию вибраций на организм человека. Результаты этих и других исследований показали, что под воздействием вибраций в организме человека возникают физиологические изменения, которые с увеличением времени действия вибраций накапливаются и характеризуют утомляемость человека. Кроме того, организм человека по-разному воспринимает вибрации различной частоты f и направления, что учитывают с помощью коэффициента Аф, зависящего от частоты f (рис. 2.16).
На основе обработки экспериментальных данных Е.Шперлингом было получено, что за меру раздражения λ организм человека синусоидальными колебаниями с амплитудой q0 при неограниченном времени действия вибраций.
Модель «чорного ящика»
Першим етапом математичного моделювання є постановка завдання, визначення об'єкту і цілей дослідження, задання критеріїв (ознак) вивчення об'єктів і управління ними. Неправильна або неповна постановка завдання може звести нанівець результати всіх подальших етапів.
Раніше наголошувалося, що планування експерименту базується на кібернетичних уявленнях про об'єкт досліджень. У зв'язку з цим, при новому підході до проведення експериментальної праці найбільш відповідною моделлю об'єкту досліджень рекомендується вибирати так званий «чорний ящик» (рис. 1).
Рисунок 1 – Модель об’єкта досліджень на стадії постановки задачі
Принципи побудови такої моделі зазвичай відповідають апріорним уявленням експериментатора про об'єкт досліджень при вирішенні, в умовах неповного знання механізму, явищ складних багатофакторних завдань.
Входи, позначені стрілками, направленими до об'єкту, характеризують всі способи можливої дії на об'єкт досліджень (це вхідні параметри).
Виходи, які позначені стрілками, направленими від об'єкту, характеризують якість об'єкту досліджень (це вихідні параметри або критерії оптимізації). Поняття «Критерій оптимізації» інколи замінюють поняттям «цільова функція».
До вхідних параметрів відносять керуючі, контрольовані і обурюючі параметри.
Керуючі параметри (або чинники) 
, 
, ..., 
є основними. На них можна впливати з метою зміни значень критеріїв оптимізації (управління станом об'єкту оптимізації).
Контрольовані параметри ( 
, 
, ..., 
) вимірюють в процесі дослідження, їх не змінюють цілеспрямовано (зазвичай можливість дії на них відсутня).
Обурюючі параметри ( 
, 
, ..., 
) - неконтрольовані, вони недоступні для виміру, їх значення змінюються в часі випадковим чином.
Чинники можуть набувати певних значень, які називають рівнями варіювання чинників. Кожному стану чорного ящика відповідає певне поєднання рівнів всіх чинників. Чим більше сукупність всіх можливих різних станів чорного ящика, тим він складніший і тим важче вирішувати завдання, пов'язані з його вивченням як об'єкту досліджень.
Формалізація апріорної інформації, заснована на аналізі літературних даних, опитуванні фахівців про доцільність проведення науково-дослідної роботи, дозволяє правильно вибрати критерії оптимізації і чинники, а також визначити положення нульової точки - точки і області експерименту, з якої бажано починати експеримент. На цій же стадії роботи вирішується питання про прийняття обмежень на фактори. Якщо завдання має бути зв'язане з врахуванням двох і більше критеріїв оптимізації, то одночасно розглядаються необхідні обмеження для функції мети, оскільки в цьому випадку при пошуку оптимального рішення без обмежень рекомендується рухатися до оптимуму лише по одному критерію (при певних обмеженнях на інші).
