§ 9. Дополнительные требования, предъявляемые при проектировании вагонов

Помимо требований, обеспечивающих вписывание вагонов в га­барит, их необходимую прочность и ходовые качества, теплотех­нические характеристики и комфортно-гигиенические условия перевозок и т. п., при проектировании к вагонам предъявляют и специфические дополнительные требования.

Важнейшее значение имеет правильный выбор параметров тормозных устройств вагонов. Конкретные требования к тормоз-

76

ному оборудованию определяются техническим заданием на про­ектирование и исходят из предполагаемых условий эксплуатации вагона. При этом должны обеспечиваться необходимое тормозное замедление и тормозной путь, а также плавность процесса тормо­жения и надежность работы тормозных систем. Действующие рас­четные нормы тормозного пути вагонов при экстренном торможении приведены в табл. 17.

Для вагонов магистрального, пригородного и городского рель­сового транспорта среднее (расчетное) замедление при торможении до остановки обычно принимают равным 1,2—1,3 м/с². Более высокие значения замедления (как и ускорения при разгоне поезда) недопустимы для обычного подвижного состава по соображениям комфорта, эргономики и безопасности стоящих пассажиров и об­служивающего персонала. При экстренном (аварийном) тормо­жении максимальное реализуемое замедление перед остановкой может быть выше (до 1,5—2,0 м/с²)- Следует учитывать, что при тормозных системах, основанных на использовании _ сцепления колес с рельсами, реализуемое тормозное замедление /_т в относи­тельных единицах (долях ускорения свободного падения) не может превышать коэффициента сцепления колес с рельсами, так как /т < j_τ ≤ ψ_kg,где ψ_к — коэффициент сцепления; g — ускорение сво­бодного падения.

Указанное ограничение определяет интерес к тормозным си­стемам, не зависящим от сцепления колес с рельсами. Наибольшее применение из таких систем пока получили магнитно-рельсовые колодочные тормоза. Значительный интерес представляет приме­нение линейного двигателя, а также рельсового электрического тормоза, использующего эффект вихревых токов. Исследования в этих направлениях проводят сейчас в СССР и во многих других странах мира. На специальном скоростном подвижном составе, очевидно, можно применять также и аэродинамические тормоза. Тормозные системы вагонов должны также удовлетворять опре-

Таблица 17

77

деленным требованиям, обеспечивающим допускаемые продольные силы при движении поезда (см. гл. IV).

Безопасная эксплуатация подвижного состава на линиях желез­ных дорог невозможна без соответствующих определенным тре­бованиям ударно-тяговых и соединительных устройств. На под­вижном составе (за исключением трамваев) применяют наиболее прогрессивные устройства — автосцепку. Автосцепное оборудова­ние вагонов в значительной мере унифицировано (см. гл. V). Одно из специфических требований, связанных с конструкцией автосцепного оборудования и линейными параметрами вагона, — требование обеспечения возможности сцепления вагонов и про­хождения ими кривых участков пути. Выполнение этих тре­бований проверяют расчетом по методике Ю. А. Хапилова, при­веденной в нормах расчета и проектирования вагонов. Норматив­ные требования по выбору расчетных радиусов кривых назначены с учетом заданных условий эксплуатации вагонов, поэтому они различны для грузовых и пассажирских вагонов. Более того, гру­зовые вагоны в данном отношении принято делить на две группы;

I — грузовые вагоны общесетевого обращения, предназначен­ ные для эксплуатации без ограничений на всей сети железных дорог МПС, включая сортировочные горки; их пропускают также по путям промышленного транспорта.

II — грузовые вагоны и специальные транспортные средства (транспортеры, путевые машины и др.), отличающиеся увеличен­ ными размерами и предназначенные для эксплуатации преимуще­ ственно на путях МПС; их пропускают через сортировочные горки и по путям промышленного транспорта только при отсутствии соответствующих запрещений.

Автоматическая сцепляемость грузовых вагонов группы II и пассажирских проверке не подлежит, так как их сцепляют под обязательным контролем сцепщика или другого работника. Не­обоснованное отнесение проектируемого вагона к I и II группам может привести к неоправданному усложнению конструкции вагона, снижению унификации деталей автосцепного оборудования и к соответствующим экономическим потерям.

У вновь проектируемых грузовых вагонов проверяют соот­ветствие линейных параметров и конструкции требованиям про­хода без саморасцепа по сортировочной горке с «переломом» про­филя 55°/₀₀ между плоскостями подъема и спуска, сопряженными вертикальными кривыми радиусами 350 и 250 м. Вагон и его авто­сцепное устройство необходимо дополнительно проверить на устой­чивость против выжимания из колеи продольными сжимающими силами, возникающими в поезде. В связи с эксцентричностью действия продольных сил возникают поперечные составляющие (в боковом и вертикальном направлениях), которые и создают возможность выжимания вагона. Как показали исследования С. В. Вершинского, опасность выжимания вагона продольными силами может возникать при различных режимах ведения по-

78

ездов — регулировочных и остановочных торможениях, осажи­ваниях состава и т. д. Действующими нормами рекомендовано проверять конструкцию на выжимание для случая прохождения вагоном кривой R = 250 м при сжимающих продольных силах N = ЬО тс (порожний четырехосный вагон) и N = 100 тс (гру­женый четырехосный и порожний восьмиосный вагоны).

Отметим, что проблема повышения устойчивости вагонов их выжиманию в тяжеловесных поездах еще полностью не решена. Согласно расчетам (и опытным данным) полностью загруженный четырехосный грузовой вагон может быть выжат из рельсовой колеи при сжимающей продольной силе 100—120 тс, тогда как в поездах весом б—10 тыс. тс продольные силы при экстренных торможениях могут достигать 200—250 тс и более. Важнейшее значение имеет характер и длительность действия продольных сжимающих сил в поезде, чему и посвящены продолжающиеся исследования. Одно из мероприятий, повышающих устойчивость колесной пары в рельсовой колее, — увеличение угла наклона поверхности гребня колеса к горизонтали. Например, при уве­личении этого угла с 60° (современные стандартные колеса) до 65—70° запас устойчивости при прочих равных условиях повы­сится на 25—60%.

При проектировании вагонов, кроме расчетных схем нагру-жения, соответствующих эксплуатационной работе, необходимо учитывать типовые усилия и схемы действия сил, характерные для ремонтных операций. Например для несамоходных вагонов магистральных железных дорог в качестве основных расчетных режимов при ремонте принимают следующие: подъемку груженого кузова за оба конца одной шкворневой балки; подъемку порож­него кузова за одну концевую балку или за концы шкворневых балок, расположенные по диагонали вагона; подъемку груженого кузова за один конец одной шкворневой балки для смены боко­вого скользуна или рессорного комплекта. Проектируя крыши пассажирских и грузовых вагонов, рассчитывают их конструкцию (дополнительно к основным расчетным режимам) на случай дей­ствия двух вертикальных сил по 100 кгс каждая, распределенных на площадке 20 х 20 см и приложенных на расстоянии 50 см одна от другой в любой зоне крыши. Это требование обусловлено не­обходимостью работы на крыше вагона обслуживающего персо­нала или ремонтных рабочих. На всех вагонах предусматривают места или устройства для подъемки кузова домкратами.

Элементы вагона и подвесного оборудования проектируют с учетом недопустимости значительных амплитуд резонансных колебаний при эксплуатации в интервале всех возможных скоро­стей движения (вплоть до конструкционной) и применении типо­вых средств погрузки—выгрузки. Для снижения уровня дей­ствующих на элементы вагона динамических вибрационных сил от несбалансированных масс вращающихся частей привода и вспо­могательных машин (ГОСТ 12327—66 и ГОСТ 16921—71) уста-

79

новлены достаточно жесткие нормы допускаемых остаточных неуравновешенностей (дисбалансов).

При проектировании пассажирских вагонов локомотивной тяги, вагонов электропоездов, дизель-поездов и метрополитена для обеспечения повышенной плавности их хода частота первого тона изгибных колебаний кузова в вертикальной плоскости не должна совпадать с собственной частотой колебаний подпрыги­вания кузова на центральном подвешивании и рамы на буксовом подвешивании. Частота первого тона, как правило, должна быть не менее 8 Гц. Указанное ограничение установлено в результате исследований воздействия колебаний и вибраций на человеческий организм, показавших, что частоты 5—7 Гц являются особо не­благоприятными. Для предварительной оценки собственная ча­стота изгибных колебаний кузова (Гц)

(35)

где k — коэффициент (для стальных кузовов магистральных ва­гонов k = 2,3÷2,5, а для вагонов метро k = 1,6÷1,8); L — длина кузова; Е — модуль упругости материала кузова; J — момент инерции среднего сечения кузова (по окну); т — погонная масса кузова.

У кузовов новой конструкции экспериментально проверяют собственную частоту изгибных колебаний. Особое значение имеет вопрос обеспечения изгибной жесткости при создании облегчен­ных кузовов скоростного подвижного состава, особенно при про­ектировании кузова из высокопрочных алюминиевых сплавов. В последнее время проблема обеспечения изгибной жесткости кузова приобретает остроту и для некоторых специализированных грузовых вагонов (двухъярусный вагон для перевозки легковых автомобилей, платформа для большегрузных контейнеров и т. д.), имеющих увеличенные размеры.

Для обеспечения нормальной работоспособности и эксплуата­ционной долговечности контактирующих деталей и соответствую­щих устройств вагонов ограничивают удельное давление на взаи­модействующих поверхностях этих элементов. При проектиро­вании удельное давление выбирают в зависимости от твердости, прочности и фрикционных свойств материала, скорости относи­тельного перемещения поверхностей, условий работы, требуемой или установленной периодичности ремонтов, замены деталей и т. д.

Важное значение для обеспечения безопасности движения имеет правильное проектирование связи кузова вагона с тележками. Для вагонов магистральных железных дорог детали крепления пятника (и подпятника) рассчитывают на срез от продольной нагрузки, равной (не менее) 12-кратному весу тележки (для че­тырехосных вагонов) и девятикратному весу тележки (для восьми-осных вагонов). Для вагонов пригородных электропоездов это

80

усилие принимают равным (не менее) трехкратному весу тележки с установленными элементами привода, а для вагонов метрополи­тена и трамвая — двукратному весу тележки.

Все вагоны магистральных железных дорог оборудуют под­ножками и поручнями для составителей поездов. На пассажирских вагонах, имеющих поручни и открытые ступени для входа и вы­хода пассажиров, специальные подножки и поручни для соста­вителей не устанавливают. На всех вагонах предусматривают кронштейны для установки нижнего сигнального фонаря. Уни­версальные крытые грузовые вагоны общего назначения снабжают несъемными приспособлениями для перевозки людей и постоян­ными разделками для печных труб. Конструкция дверей и люков этих вагонов должна предотвращать попадание внутрь вагона атмосферных осадков и искр, а также исключать возможность хищения груза.

Универсальные платформы общего назначения снабжают при­способлениями для закрепления бортов в опущенном состоянии, а также кольцами и скобами для крепления грузов. Основные размеры (длину и ширину) платформы увязывают с размерами контейнеров и габаритными размерами распространенных грузов. Торцовые борта платформ проектируют открывающимися в фик­сированное горизонтальное положение. При этом опорные крон­штейны бортов и сами борта обеспечивают погрузку с торца тех­ники на колесах. Конструкция платформы допускает перевозку тяжелых сосредоточенных грузов, величина которых была уста­новлена в техническом задании на проектирование.

При проектировании саморазгружающихся вагонов преду­сматривают гладкие и плоские поверхности скольжения груза, обеспечивают минимальную площадь поверхностей, препятствую­щих свободной выгрузке груза. Вагоны, предназначенные для разгрузки на вагоноопрокидывателях, не должны иметь деталей, препятствующих нормальному контакту опорных поверхностей кузова и захватов вагоноопрокидывателя, а также деталей, выпа­дающих при опрокидывании. Несущую конструкцию таких вагонов рассчитывают на усилия, возникающие при разгрузке на вагоноопрокидывателе.

Детали и элементы тормоза, рессорного подвешивания, под­вагонного генератора и т. п., закрепленные на раме тележки, про­ектируют с устройствами, ограничивающими колебания и пре­дохраняющими их от падения на путь при поломке. Конструкцию и прочность этих устройств определяют с учетом массы предохра­няемого элемента и условий эксплуатации. Обычно предохрани­тельные устройства рассчитывают на нагрузку, равную двукрат­ному весу предохраняемого элемента, или на максимальное экс­плуатационное усилие, действующее на это устройство.

" Конструкция тормозных резервуаров и других сосудов (в том числе котлов специализированных цистерн), находящихся в экс­плуатации под рабочим давлением, должна удовлетворять соот-

81

ветствующим требованиям Госгортехнадзора. Расчеты этих кон­струкций выполняют в соответствии с ГОСТ 14249—73.

В связи с ограниченностью внутреннего объема пассажирского вагона большое значение имеет рациональная планировка его внутренних помещений. Основная задача конструктора при этом заключается в наиболее экономичном обеспечении максимальных удобств пассажирам и обслуживающему персоналу. Основные минимальные размеры внутренних элементов оборудования пас­сажирских вагонов, принимаемые в практике отечественного ваго­ностроения, следующие (в мм, не менее): • Ширина четырехместного купе вагонов:

жестких 1770

мягких 1910

Ширина двухместного купе мягких вагонов 1350

Длина спальных мест вагонов:

некупейных 1750

купейных 1900

Ширина спальных мест 580

Ширина диванов для сидения 450

Высота от пола до сидения 430

Ширина продольных проходов в вагонах:

некупейных 580

купейных 800

Ширина одностворчатых дверей:

входных наружных 700

дверей купе 650

дверей вспомогательных помещений 580

Ширина входных многостворчатых дверей вагонов:

метро 1200

пригородных электропоездов 1000

трамвая 1100

Высота дверей вагонов магистральных железных дорог 1900 Высота дверей вагонов метро и трамвая 1820

Особое внимание при проектировании вагонов, отработке и совершенствовании их конструкции необходимо уделять вопросам обеспечения эксплуатационной надежности. Отраслевой стандарт ОСТ 24.050.11—70 (Вагоны. Термины по надежности) определяет надежность вагона (его систем, узлов и деталей) как свойство вагона выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуата­ционные показатели в заданных пределах в течение требуемого срока эксплуатации или наработки. При этом под заданными функциями понимают способность вагона выполнять перевозоч­ную работу при обеспечении безопасности движения, сохранно­сти перевозимых грузов или создания необходимого комфорта. Состояние вагона, при котором он, в данный момент времени, обеспечивает выполнение заданных функций с параметрами, уста­новленными технической документацией, называют работоспо­собностью. Надежность вагона (его узлов, агрегатов и отдельных элементов) обусловливается показателями — безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

82

Безотказность вагона — это его свойство сохранять работо­способность в течение выбранной наработки без вынужденных перерывов. Безотказность вагона в целом, а также его ремонти­руемых узлов, агрегатов и деталей характеризуется такими по­казателями, как наработка на отказ, параметр потока отказов, вероятность безотказной работы. Для неремонтируемых узлов или деталей применяют следующие показатели: вероятность без­отказной работы, интенсивность отказов и среднее время безотказ­ной работы.

Свойство вагона сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслу­живания и ремонтов называют долговечностью. При этом под предельным состоянием понимают разрушение или изменение параметров вагона, оговоренных в технической документации, экономическую и моральную нецелесообразность продолжения эксплуатации и т. д. Показателями долговечности служат ресурс и срок службы. Различают нормируемый (расчетный) ресурс вагона (узла, элемента) и фактический ресурс, определяемый по данным эксплуатации как наработка вагона до предельного состояния, оговоренного в технической документации. Следует стремиться к тому, чтобы срок службы вагона (узла, элемента) был близок к оптимальному, при котором достигается наибольший экономический эффект.

Под ремонтопригодностью вагона понимают свойство, заклю­чающееся в приспособленности конструкции вагона (узла, агре­гата, детали) к предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей и отказов при регламентированной последова­тельности технического обслуживания и ремонта. Под устране­нием отказов и неисправностей понимают восстановление работо­способности вагона и улучшение его эксплуатационных показа­телей. Ремонтопригодность вагона характеризуют также простоем в ремонте и коэффициентом стоимости ремонтов. Сохраняемость вагона — свойство сохранять (обеспечивать) обусловленные экс­плуатационные показатели в течение установленных режимов отстоя и транспортирования и после них. Требования к сохраняе­мости вагона предусматривают в технической документации. При этом конкретным показателем служит средний срок сохра­няемости.

Методы расчета и определения конкретных количественных показателей надежности вагонов необходимо основывать на теоре­тических положениях математической статистики и теории вероят­ности. Серьезный подход к решению вопросов надежности в вагоно­строении возможен только на основе комплексного учета теорети­ческих положений и практической необходимости, согласования требований к конструкции и технологии изготовления вагонов, к правилам эксплуатации и ремонта. Решать вопросы надежности можно лишь в результате систематического изучения и анализа фактической информации о неисправностях и отказах вагонов.

83

ВНИИВ и ЦНИИ МПС при участии проектно-конструкторского бюро ЦВ МПС и заводов разработали перечни нормируемых пока­зателей надежности вагонов, унифицирующие минимум обязатель­ных требований к показателям надежности вагонов, их узлов и элементов, которые необходимо предусматривать в технической документации на вновь проектируемые вагоны. Например, для грузовых вагонов магистральных железных дорог рекомендуются нормативы безотказности, приведенные в табл. 18.

Надежность вагона (как сложной технической системы) опре­деляется надежностью его составных частей и характером взаимо­действия этих частей в конструкции. Известно, что общая (схем­ная) надежность технической системы, состоящей из последова­тельно (в смысле надежности) включенных структурных частей, характеризуется произведением функций их надежности. По­скольку вагон практически является системой без резервирова­ния, задачу повышения вероятности его безотказной работы ре­шают повышением надежности составляющих структурных ча­стей. При этом наиболее выгодный путь — повышение надежно­сти наиболее «слабого» (наименее надежного) структурного эле­мента конструкции. Важной задачей конструкторов и научных работников отрасли вагоностроения является систематический анализ возможностей повышения надежности вагонов, разработка и реализация соответствующих технических мероприятий. Эти мероприятия необходимо экономически обосновать и согласовать с заказчиком, так как во многих случаях повышение надежности обусловливает увеличение трудоемкости постройки вагона и его стоимости, а следовательно, вызывает необходимость корректи­ровки оптовой цены.

Таблица 18

	Конструкция
Наименование	Крытый вагон		Полувагон		Платфор-	Цис­терна
Обшивка кузова	Метал-	Дере-	Метал-	Дере-	Металли	ческая
	лическая	вянная	лическая	вянная
Частота поступления
в текущий ремонт (не более):
в первый год экс­плуатации	0,278	0,394	0,380	0,554	0,292	0,362
во второй год экс­плуатации Вероятность безотказ-	0,304	0,424	0,426	0,603	0,318	0,399
ной работы (не ме-
нее):
в первый год экс­плуатации	0,756	0,677	0,684	0,577	0,748	0,698
во второй год экс­плуатации	0,741	0,657	0,650	0,549	0,726	0,670

По соображениям безопасности движения особое внимание следует уделять обеспечению требований к надежности ходовых частей, тормозов и автосцепного оборудования вагонов. Ниже приведены рекомендуемые показатели безотказности некоторых ответственных узлов и элементов грузовых вагонов по критерию установленного предельного состояния в пределах назначенного ресурса.

Вероятность безотказной

Наименование работы

(не менее)

Боковая рама тележки 0,97

Надрессорная балка 0,97

Ось колесной пары 0,95

Хребтовая балка рамы 0,98

Несущие металлоконструкции кузова 0,95

Головка автосцепки ' 0,85

Тяговый хомут 0,85

Поглощающий аппарат 0,80

Буксовые роликоподшипники 0,98

При разработке технической документации необходимо разли­чать понятия ресурса (срока службы) вагона и гарантийной на­работки (срока гарантии). Следует учитывать, что срок гарантии это не технический показатель качества изделия, а коммерческо-юридическая характеристика условий его поставки. При обосно­вании (выборе) гарантийных сроков исходят из того, что гарантий­ные обязательства изготовителя не могут распространяться на период, превышающий установленный срок эксплуатации до первого планового ремонта.

Большое значение при проектировании пассажирских вагонов имеют вопросы технической эстетики. Требования и критерии технической эстетики необходимо использовать при разработке конструкции, прогнозировании, комплексной оценке и сравни­тельной экспертизе качества вагонов. Эти требования следует включать в стандарты и нормативно-техническую документацию. Тщательная и квалифицированная художественно-конструктор­ская проработка позволяет получить конструкцию с максималь­ными удобствами при минимальных дополнительных затратах. При проектировании вагонов и их узлов необходимо уделять серьезное внимание вопросам технологии изготовления. Кон­струкция должна быть технологически осуществимой, при ее разработке должны быть учтены свойства применяемых материа­лов, возможное оборудование и современные методы организации производства. Принятые конструкторские решения должны соот­ветствовать наиболее рациональным способам изготовления для обеспечения высокого качества и надежности изделия при воз­можно меньшей трудоемкости и экономном использовании мате­риалов. В процессе создания и отработки новых конструкций вагонов необходимо одновременно отрабатывать и технологию их производства.

84

85