Межгосударственный стандарт ГОСТ 34939-2023 "Локомотивы. Требования к прочности и динамическим качествам" (введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 февраля 2023 г. N 92-ст)

Locomotives. Requirements for bearing structure strength and dynamic properties

УДК 629.4.014.22:006.354
МКС 45.060.10

Дата введения - 1 августа 2024 г.
с правом досрочного применения
Введен впервые

Предисловие

Цели, основные принципы и общие правила проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены"

Сведения о стандарте

1 Разработан Акционерным обществом "Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава" (АО "ВНИКТИ") и Акционерным обществом "Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (АО "ВНИИЖТ"),

2 Внесен Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 524 "Железнодорожный транспорт"

3 Принят Евразийским советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 20 января 2023 г. N 158-П)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97	Код страны по МК (ИСО 3166) 004-97	Сокращенное наименование национального органа по стандартизации
Армения	AM	ЗАО "Национальный орган по стандартизации и метрологии" Республики Армения
Беларусь	BY	Госстандарт Республики Беларусь
Казахстан	KZ	Госстандарт Республики Казахстан
Киргизия	KG	Кыргызстандарт
Россия	RU	Росстандарт
Узбекистан	UZ	Узстандарт

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 февраля 2023 г. N 92-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 34939-2023 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 августа 2024 г. с правом досрочного применения

5 Настоящий стандарт подготовлен на основе применения ГОСТ Р 55513-2013

6 Введен впервые

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на локомотивы колеи 1520 мм, предназначенные для эксплуатации на железных дорогах со скоростями движения до 200 км/ч (включительно).

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 межгосударственные стандарты:

ГОСТ 25.101 Расчеты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов

ГОСТ 25.502 Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость

ГОСТ 27.002 Надежность в технике. Термины и определения ^*

------------------------------

^*_{В Российской Федерации действует ГОСТ Р 27.102-2021 "Надежность в технике. Надежность объекта.}

------------------------------

ГОСТ 380 Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки

ГОСТ 535 Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия

ГОСТ 977 Отливки стальные. Общие технические условия

ГОСТ 1050 Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия

ГОСТ 1497 Металлы. Методы испытаний на растяжение

ГОСТ 2246 Проволока стальная сварочная. Технические условия

ГОСТ 4784 Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки

ГОСТ 5457 Ацетилен растворенный и газообразный технический. Технические условия

ГОСТ 5583 (ИСО 2046-73) Кислород газообразный технический и медицинский. Технические условия

ГОСТ 6331 Кислород жидкий технический и медицинский. Технические условия

ГОСТ 6713 Прокат из конструкционной стали для мостостроения. Технические условия

ГОСТ 6996 (ИСО 4136-89, ИСО 5173-81, ИСО 5177-81) Сварные соединения. Методы определения механических свойств Термины и определения".

ГОСТ 7871 Проволока сварочная из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия

ГОСТ 8050 Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия

ГОСТ 8479 Поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали. Общие технические условия

ГОСТ 9087 Флюсы сварочные плавленые. Технические условия

ГОСТ 9454 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенной температурах

ГОСТ 9466 Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки сталей и наплавки. Классификация и общие технические условия

ГОСТ 10157 Аргон газообразный и жидкий. Технические условия

ГОСТ 10885 Сталь листовая горячекатаная двухслойная коррозионно-стойкая. Технические условия

ГОСТ 11018 Колесные пары тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм. Общие технические условия.

ГОСТ 14637 (ИСО 4995-78) Прокат толстолистовой из углеродистой стали обыкновенного качества. Технические условия

ГОСТ 16504 Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения

ГОСТ 18855 (ISO 281:2007) Подшипники качения. Динамическая грузоподъемность и номинальный ресурс

ГОСТ 19281 (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 Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчет на прочность

ГОСТ 22703 Детали литые сцепных и автосцепных устройств железнодорожного подвижного состава. Общие технические условия

ГОСТ 23207 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения

ГОСТ 23949 Электроды вольфрамовые сварочные неплавящиеся. Технические условия

ГОСТ 26271 Проволока порошковая для дуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей. Общие технические условия

ГОСТ 31539 Цикл жизненный железнодорожного подвижного состава. Термины и определения

ГОСТ 34628 Пружины и комплекты пружинные рессорного подвешивания железнодорожного подвижного состава. Методы расчета на прочность при действии продольных и комбинированных нагрузок

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов и классификаторов на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (www.easc.by) или по указателям национальных стандартов, издаваемым в государствах, указанных в предисловии, или на официальных сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации. Если на документ дана недатированная ссылка, то следует использовать документ, действующий на текущий момент, с учетом всех внесенных в него изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то следует использовать указанную версию этого документа. Если после принятия настоящего стандарта в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение применяется без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 27.002 ^*, ГОСТ 16504, ГОСТ 31539, а также следующие термины с соответствующими определениями:

------------------------------

^*_{В Российской Федерации действует ГОСТ Р 27.102-2021 "Надежность в технике. Надежность объекта. Термины и определения".}

------------------------------

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. [ГОСТ 34056-2017, статья 3.2.42]

3.3 несущие конструкции: Конструкции локомотива, воспринимающие эксплуатационные нагрузки.

3.4 несущий элемент: Часть конструкции или деталь, воспринимающие эксплуатационные нагрузки.

3.5 эксплуатационные нагрузки: Нагрузки, параметры которых измеряют в процессе эксплуатации или при испытании на специальных испытательных полигонах специализированными измерительными средствами и регистрируют автоматизированными приборами в аналоговом или цифровом виде.

Примечание - Эксплуатационные нагрузки характеризуются:

- характером изменения (случайное, детерминированное, одно- или многоступенчатое, статическое, квазистатическое, колебательное, ударное);

- частотой (изменения, повторения);

- видом нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг);

- характеристикой цикла (симметричный, асимметричный, знакопостоянный, знакопеременный);

- формой спектра (узкополосный, широкополосный);

- параметрами и условиями окружающей или рабочей среды (температура, давление, влажность, агрессивность).

3.6 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.

3.7 базовая часть: Несущая составная часть конструкции, а также конструкции и детали, ответственные за безопасную эксплуатацию локомотива, которые определяют срок службы локомотива и замена которых 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).

3.8 мягкое нагружение: Циклическое нагружение при постоянной амплитуде напряжений.

3.9 жесткое нагружение: Циклическое нагружение при постоянной амплитуде деформаций.

3.10 рамная сила: Поперечная горизонтальная сила взаимодействия колесной пары с рамой тележки или главной рамой (для бестележечных локомотивов) экипажной части.

3.11 максимальная статическая [осевая] нагрузка (на узел первой/второй ступени рессорного подвешивания): Статическая нагрузка, действующая от силы тяжести локомотива в полностью экипированном состоянии.

3.12 непогашенное ускорение: Часть поперечного горизонтального ускорения, действующего на локомотив на уровне оси буксы при движении в кривой, не компенсированная возвышением наружного рельса.

3.13 надрессорное строение: Совокупность всех подрессоренных конструкций экипажной части.

3.14 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.

3.15 подпрыгивание: Поступательное колебание надрессорного строения вдоль вертикальной оси.

3.16 боковая качка: Вращательное колебание надрессорного строения вокруг горизонтальной продольной оси.

3.17 виляние: Вращательное колебание надрессорного строения вокруг вертикальной оси.

3.18 относ: Перемещение надрессорного строения вдоль горизонтальной поперечной оси.

3.19 макротрещина: Трещина, видимая невооруженным глазом.

3.20 квазистатическое разрушение: Разрушение, связанное с возрастанием остаточных деформаций до уровня, соответствующего разрушению при однократном статическом нагружении.

Примечание - Нагрузки, приводящие к квазистатическому разрушению - несколько ниже нагрузок, определяющих статическую прочность.

3.21 малоцикловая усталость: Усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит при упруго-пластическом деформировании.

Примечание - К малоцикловой усталости условно относят область чисел циклов до разрушения от 10 ⁴ до 10 ⁵.

3.22 эквивалентная динамическая радиальная нагрузка: Постоянная радиальная нагрузка, которая при приложении ее к подшипнику с вращающимся внутренним и неподвижным наружным кольцом обеспечивает такой же расчетный срок службы, как и при действительных условиях нагружения и вращения.

4 Требования к динамическим качествам

4.1 Коэффициент горизонтальной динамики K _Дгор должен быть не более 0,30.

4.2 Коэффициент вертикальной динамики первой ступени рессорного подвешивания K _Д1 должен быть не более:

- 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 от 160 до 200 км/ч (включительно);

- 0,40 - для прочих локомотивов.

4.3 Коэффициент вертикальной динамики второй ступени рессорного подвешивания K _Д2 должен быть, не более:

- 0,20 - для пассажирских и грузопассажирских локомотивов;

- 0,25 - для прочих локомотивов.

4.4 Коэффициент запаса устойчивости против схода колеса с рельса должен быть не менее 1,40.

4.5 Показатели плавности хода ^*: в вертикальном направлении W _z и в горизонтальном поперечном направлении W _y должны быть, не более:

------------------------------

^*_{Необходимость определения показателей плавности хода устанавливают в соответствии с национальным законодательством стран, принявших данный стандарт.}

------------------------------

- 3,50 для пассажирских и грузопассажирских локомотивов;

- 3,75 для прочих локомотивов.

4.6 Коэффициент конструктивного запаса пружинных комплектов K _кз ступеней рессорного подвешивания при отсутствии упругих упоров или при наличии жестких элементов, ограничивающих вертикальные перемещения подрессоренных масс, должен быть:

- первой ступени - не менее 1,6;

- второй ступени - не менее 1,4.

В случае наличия упругих упоров в схеме нагружения первой ступени рессорного подвешивания коэффициент K _кз1 должен быть:

- до включения в схему нагружения упругого упора K _кз1нач - не менее 1,4;

- после включения в схему нагружения упругого упора K _кз1уп - не менее 1,6.

4.7 Оценку динамических качеств по показателям, указанным в 4.6, выполняют проведением расчетов, приведенных в 6.2.6.

4.8 Необходимо обеспечить 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 следует применять 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.

5.3 Прочность кузова (главной рамы) при действии нормативной продольной силы, приложенной по осям сцепных устройств, следует подтвердить испытанием на соударение, а также расчетом или результатами стендовых статических испытаний с двухсторонним сжатием и растяжением. При этом условиями прочности кузова (главной рамы) являются:

- при испытании на соударение:  _0,2;

- при статическом нагружении: 0,9 _0,2,

где  _0,2 - предел текучести применяемого при изготовлении материала;

- напряжение, соответствующее нормативной продольной силе.

5.4 Коэффициенты запаса сопротивления усталости n конструкций экипажной части (за исключением колесных пар, валов тягового привода, зубчатых колес и пружин рессорного подвешивания) должны быть не менее:

- 2,0 - для конструкций из стали;

- 2,2 - для конструкций из алюминиевых сплавов.

Выполнение данного требования на стадии проектирования проверяют по результатам расчетов, 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 следует подтвердить отсутствием усталостных трещин после 10 млн циклов нагружения на вибрационном стенде при нагружении согласно требованиям 8.3.7.

5.6 Коэффициент запаса устойчивости для элементов кузова (главной рамы) n _y должен быть не менее 1,10 при расчетных режимах I и IV по 6.3.

5.7 Жесткость конструкции элементов экипажной части и узлов крепления оборудования должна обеспечивать выполнение требований 4.10.

Максимальная расчетная величина прогиба нижнего пояса кузова (главной рамы), отнесенная к его полной длине, не должна превышать:

- от вертикальной нагрузки брутто: для несущего кузова - 0,4 мм/м, для несущей (главной) рамы - 0,6 мм/м;

- при одновременном действии вертикальной нагрузки брутто и расчетной продольной силы: для несущего кузова - 1,5 мм/м, для несущей рамы - 2,2 мм/м.

5.8 Расчетные показатели прочности пружин рессорного подвешивания должны соответствовать требованиям ГОСТ 34628.

5.9 Расчетный ресурс подшипниковых узлов, соответствующий 90 % надежности, L _10a должен быть не менее:

- 3·10 ⁶ км для подшипников буксовых узлов;

- 2·10 ⁶ км для якорных подшипников тягового электродвигателя (далее - ТЭД) при посадке шестерни на хвостовике вала якоря;

- 3·10 ⁶ км для якорных подшипников ТЭД при разделении ведущей шестерни и вала якоря;

- 2·10 ⁶ км для подшипников шестерни тягового редуктора;

- 5·10 ⁶ км для опорных подшипников тяговых редукторов, подшипников зубчатого колеса (при передаче с полым валом) и моторно-осевых подшипников качения.

Ресурс подшипников иных узлов - в соответствии с нормативными документами на конкретные типы подшипников.

5.10 Предел выносливости, коэффициент запаса сопротивления усталости и статической прочности оси и колеса в составе колесной пары должны соответствовать требованиям ГОСТ 11018.

6 Расчет показателей динамики и прочности

6.1 Общие требования

6.1.1 После выбора материалов при проектировании несущих конструкций экипажной части для заданных параметров нагружения расчетным путем выполняют:

- выбор 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.

Расхождение результатов (по напряжениям и спектру частот) не должно превышать 20 %.

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. Их следует рассчитать на действие нагрузок, приведенных в 6.3.

6.2 Расчет показателей динамики

6.2.1 Коэффициент горизонтальной динамики

Коэффициент горизонтальной динамики K _Дгор определяют как отношение значения динамической составляющей рамной силы , действующей от колесной пары на раму тележки или главную раму (для бестележечных локомотивов), полученного по приведенному в данном пункте алгоритму, к максимальной вертикальной статической осевой нагрузке P _ст ос на колесную пару.

Значение динамической составляющей рамной силы в кривых участках пути определяют путем исключения (фильтрации) квазистатической составляющей динамического процесса рамных сил Y _p. При этом частота, отделяющая квазистатическую составляющую от динамической, должна быть не выше 80 % от низшей собственной частоты колебаний локомотива на рессорном подвешивании в горизонтально-поперечном направлении.

Значение вычисляют как среднее арифметическое из трех максимальных амплитуд , за исключением полученных при движении по стрелочным переводам.

Максимальные амплитуды динамических составляющих рамных сил определяют как половинное значение размахов, получаемых при обработке динамических процессов методами "дождя" или полных циклов по ГОСТ 25.101.

При проектировании при определении значения P _ст ос принимают расчетные нагрузки, при испытаниях - фактические нагрузки, полученные при поколесном взвешивании.

При проектировании расчет и оценку коэффициента горизонтальной динамики K _Дгор осуществляют для всех колесных пар.

6.2.2 Коэффициент вертикальной динамики первой ступени рессорного подвешивания

Коэффициент вертикальной динамики первой ступени рессорного подвешивания K _Д1 определяют как отношение значения динамической составляющей вертикальной силы в первой ступени рессорного подвешивания к статической нагрузке в первой ступени рессорного подвешивания P _ст1.

Значение динамической составляющей вертикальной силы определяют в порядке, аналогичном изложенному в 6.2.1, для определения динамической составляющей рамной силы.

Показатель K _Д1 определяют для узлов первой ступени рессорного подвешивания. При этом используют значения статических нагрузок (сил), приходящихся на каждый конкретный узел первой ступени рессорного подвешивания.

Статическую нагрузку в первой ступени рессорного подвешивания определяют по данным, приведенным в конструкторской документации, или экспериментальным путем.

6.2.3 Коэффициент вертикальной динамики второй ступени рессорного подвешивания

Коэффициент вертикальной динамики второй ступени рессорного подвешивания K _Д2 определяют как отношение значения динамической составляющей вертикальной силы во второй ступени рессорного подвешивания к статической нагрузке во второй ступени рессорного подвешивания P _ст2.

Значение динамической составляющей вертикальной силы определяют в порядке, аналогичном изложенному в 6.2.1, для определения динамической составляющей рамной силы.

Показатель K _Д2 определяют для узлов второй ступени рессорного подвешивания. При этом используют значения статических нагрузок (сил), приходящихся на каждый конкретный узел второй ступени рессорного подвешивания.

Статическую нагрузку во второй ступени рессорного подвешивания определяют по данным, приведенным в конструкторской документации, или экспериментальным путем.

6.2.4 Коэффициент запаса устойчивости против схода колеса с рельса

Коэффициент запаса устойчивости против схода колеса с рельса вычисляют по формулам:

,

(6.1)

,

(6.2)

,

(6.3)

где C ₁ и C ₂ - промежуточные величины, введенные для упрощения записи основной формулы;

 ^Н - коэффициент трения между гребнем набегающего колеса и рельсом;

 ^НН - коэффициент трения между поверхностью катания ненабегающего колеса и рельсом;

- угол наклона образующей гребня колеса к горизонтальной плоскости, градусы (рисунок 6.1);

Y _p - рамная сила, действующая на колесную пару, кН;

Q - сила тяжести подрессоренной части локомотива, приходящаяся на шейку оси колесной пары, кН;

q _НП - сила тяжести неподрессоренных частей, приходящаяся на колесную пару, кН, вычисляют по формуле 9.9 (см. 9.3.1.4);

P _Z1-НК и P _Z1-ННК - вертикальные динамические силы в первой ступени рессорного подвешивания (с учетом квазистатических составляющих) соответственно на набегающем и ненабегающем колесах колесной пары, кН (при обезгрузке P _Z1-НК > 0 и  _Z1-ННК > 0);

b - половина расстояния между точками приложения вертикальных нагрузок к шейкам оси колесной пары, м;

a ₁ - поперечное расстояние между точкой приложения вертикальной нагрузки на шейку оси на набегающем колесе и точкой контакта на его гребне, м;

a ₂ - поперечное расстояние между точкой приложения вертикальной нагрузки на шейку оси на ненабегающем колесе и точкой контакта на его гребне, м;

r - радиус колеса по кругу катания, м;

l - расстояние между точками контакта с рельсами набегающего и ненабегающего колес, м.

Набегающее на рельс колесо колесной пары при расчетах коэффициентов запаса устойчивости определяют по направлению действия рамной силы на колесную пару в соответствии с рисунком 6.1.

Расстояние l вычисляют по формуле

.

(6.4)

При обработке данных принимают  ^Н= ^НН=0,25.

Набегающее на рельс колесо определяют по направлению действия рамной силы, т.е. рамная сила направлена от ненабегающего колеса к набегающему.

При вычислении показателя используют мгновенные значения динамических процессов Y _p, P _Z1-НК и P _Z1-ННК в один момент времени.

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.

НК - набегающее колесо; ННК - ненабегающее колесо

Рисунок 6.1 - Схема сил, действующих на колесную пару

6.2.5 Показатели плавности хода

Для оценки показателей плавности хода W _Z и W _Y используют временные зависимости ускорений контрольной точки кабины машиниста, получаемые либо при проведении моделирования динамики движения экипажной части, либо путем их непосредственной регистрации при проведении испытаний. Контрольная точка ускорений для определения показателей W _Z и W _Y располагается на полу кабины машиниста позади опорной стойки кресла машиниста, смотря по направлению движения, на минимально возможном расстоянии от оси стойки кресла машиниста.

Для расчета показателей плавности хода используют динамические составляющие 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). Суммарная длительность измерений в каждом диапазоне скоростей должна быть не менее 200 с.

Для обеспечения требований к плавности хода и предотвращения резонансных явлений первая собственная частота изгибных колебаний кузова локомотива в вертикальной плоскости должна быть не ниже 8 Гц и превышать собственные частоты колебаний подпрыгивания и галопирования тележек не менее чем на 40 %.

Показатели плавности хода (W _Z) _k, (W _Y) _k для каждого k-го диапазона скоростей движения для вибрации, действующей соответственно в вертикальном и в горизонтальном поперечном направлениях, вычисляют по формулам:

,

(6.5)

,

(6.6)

где , - вертикальное и горизонтальное поперечное средние квадратические корректированные виброускорения в k-м диапазоне скорости движения, м/с ².

Виброускорения и , м/с ², вычисляют по формулам:

,

(6.7)

,

(6.8)

где f _н - значение нижней граничной частоты диапазона измерения плавности хода, f _н = 0,5 Гц;

f _в - значение верхней граничной частоты диапазона измерения плавности хода, принимают равной частоте вращения колеса при конструкционной скорости движения, но не менее 20 Гц;

q _н(f) - значения нормированной амплитудно-частотной характеристики корректирующего фильтра;

(S _Z) _k(f), (S _Y) _k(f) - функции спектральной плотности вертикального и горизонтального поперечного виброускорений в k-м диапазоне скорости движения, м ²/(с ⁴·Гц).

Значения q _н (f) вычисляют по формуле

,

(6.9)

где f - частота колебаний, Гц.

Допускается разбивать время измерения T _k виброускорений при движении с данной скоростью на отрезки продолжительностью T _kj, каждому из которых соответствуют свои средние квадратические значения корректированных виброускорений и , определенных на неперекрывающихся участках пути. В этом случае средние квадратические значения корректированных виброускорений для k-го диапазона скорости движения и , м/с ², вычисляют по формулам:

,

(6.10)

,

(6.11)

где T _kj - продолжительность j-го отрезка времени k-го диапазона скорости движения, с;

T _k - суммарное время движения со скоростями, входящими в k-й диапазон скоростей движения, 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

6.2.6.1 Коэффициент конструктивного запаса пружинных комплектов K _кз для первой и второй ступеней рессорного подвешивания в случае одновременного начала сжатия пружин, составляющих пружинный комплект, и при отсутствии в конструкции рессорного подвешивания ограничения сжатия вычисляют по формуле

,

(6.12)

где P _max - максимальная сила, соответствующая допускаемому конструкцией пружинного комплекта сжатию, при которой существует запас пружин на 3 мм до замыкания витков любой из них, кН;

P _ст - максимальная статическая нагрузка на пружинный комплект для первой и второй ступени рессорного подвешивания, кН.

При наличии в конструкции ступеней рессорного подвешивания жестких элементов ограничения сжатия коэффициент K _кз вычисляют по формуле

,

(6.13)

где P _max огр - сила, под действием которой наступает ограничение деформации сжатия пружинного комплекта в ступени рессорного комплекта, кН; при этом выполняется условие: P _max огр < P _max.

6.2.6.2 В случае наличия упругого упора в схеме нагружения первой ступени рессорного подвешивания в качестве упругого ограничителя вертикальных перемещений букс колесных пар относительно рамы тележки или главной рамы (для бестележечных локомотивов) вычисляют начальный коэффициент запаса пружинного комплекта K _кз1нач до включения упругого упора совместно с пружинным комплектом по формуле

,

(6.14)

где P _нач - сила, соответствующая нагрузке на пружинный комплект в момент включения упругого упора в схеме нагружения.

При работе упругого упора совместно с пружинным комплектом в схеме нагружения первой ступени рессорного подвешивания коэффициент K _кз1уп вычисляют по формуле

,

(6.15)

где C _ПК - жесткость пружинного комплекта под действием силы P _нач;

C _уп - жесткость упругих упоров, определяемая по формуле

,

(6.16)

где S _уп - деформация упругого упора совместно с пружинным комплектом.

Расчет максимальных сил P _max выполняют по лимитирующей пружине комплекта в соответствующей ступени рессорного подвешивания с учетом конструктивных особенностей установки пружин при неодновременном включении в работу пружин и других упругих элементов, работающих параллельно с пружинным комплектом.

При расчете P _max используют значения геометрических размеров пружин по их рабочим чертежам. Расчеты K _кз1 и K _кз2 должны содержать соответствующие конструктивные схемы ступеней рессорного подвешивания в исходном состоянии без нагрузки, позволяющие проследить порядок включения в работу всех учитываемых жесткостей упругих элементов при нагружении пружинных комплектов.

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.

Режим I включает:

- режим lа для учета максимальных продольных квазистатических сил;

- режим Iб для учета максимальных продольных сил удара в сцепное устройство (соударения).

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 учитывает силы, действующие при движении с различными скоростями, вплоть до конструкционной, по прямому участку 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 учитывают:

- собственную силу тяжести (вес) экипажной части и силу 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 локомотив;

- силы, связанные с тягой локомотива и торможением поезда;

- силы, возникающие при движении локомотива в кривых участках пути;

- силы соударения;

- силы, возникающие при ремонтно-восстановительных 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) на тележки или на колесные пары (для бестележечных локомотивов) 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 или на колесные пары (для бестележечных локомотивов);

- при подъеме кузова (главной рамы) двумя домкратами, установленными по диагонали локомотива на поддомкратные опоры;

- при аварийном подъеме локомотива с тележкой или с колесной парой (для бестележечных локомотивов) за лобовый брус или узел автосцепного устройства.

При аварийном подъеме за узел автосцепного устройства учитывают сумму силы тяжести полностью оборудованного и экипированного кузова (главной рамы) и силы тяжести поднимаемой тележки или колесной пары (для бестележечных локомотивов), имеющей связь с кузовом (главной рамой).

При выкатке колесной пары из-под тележки или из-под главной рамы (для бестележечных локомотивов) должны быть рассмотрены два случая:

- выкатка средней колесной пары трехосной тележки или трехосного локомотива (для бестележечных локомотивов);

- выкатка крайней колесной пары трехосной или двухосной тележки, либо трехосного/двухосного локомотива (для бестележечных локомотивов).

6.3.3.2 Динамическую вертикальную силу от колебаний тележки или главной рамы (для бестележечных локомотивов) 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 или на колесную пару (для бестележечных локомотивов), 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 _Д2 принимают 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

,

(6.17)

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.

Примечание - Дополнительные вертикальные силы нагружают одну тележку или колесную пару (для бестележечных локомотивов) 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, другая - 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 сцепным устройствам, элементам связи колесных пар с тележками или главной рамой (для бестележечных локомотивов) и тележек с кузовом (главной рамой).

6.3.4.1 Значения продольных сил F _N, прикладываемых к сцепным устройствам локомотивов массой секции более 100 т, устанавливают в соответствии с таблицей 6.1. При этом выбирают либо минимальные, либо, в случае предъявления специальных требований заказчика, максимальные значения продольных сил.

Таблица 6.1 - Значения расчетных продольных сил для локомотивов массой секции более 100 т

Тип локомотива	Для расчетного режима, кН
	Iа *		Iб **
	Минимальные	Максимальные	Минимальные	Максимальные
Пассажирский	2000	2500	-2000	-2500
Все, кроме пассажирского	2500	3000	-2500	-3000
* Одновременное приложение сил к упорам переднего и хвостового сцепных устройств. ** Поочередное приложение сил к упорам переднего и хвостового сцепных устройств. Примечание - Знак "+" соответствует растяжению, "-" - сжатию.

Для локомотивов массой секции до 50 т (включительно) величину продольной силы принимают равной удвоенной силе тяжести локомотива, свыше 50 т и до 100 т (включительно) - как для пассажирских локомотивов массой секции более 100 т.

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 или главную раму (для бестележечных локомотивов) 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 или колесные пары (для бестележечных локомотивов) имеет/имеют продольное ускорение 3g. Ускорение кузова (главной рамы) a _x, м/с ², вычисляют с учетом силы, приложенной к упорам автосцепных устройств, и сил инерции присоединенных масс тележек или колесных пар (для бестележечных локомотивов) по формуле

,

(6.18)

где F _N - продольная сила, приложенная к упорам сцепных устройств (по п. 6.3.4.1), кН;

i _тел - число тележек или колесных пар (для бестележечных локомотивов) под секцией локомотива;

m _т - масса тележки или колесной пары (для бестележечных локомотивов), т;

m _с - общая масса секции локомотива, т.

Величина ускорения a _x не должна превышать значения 3g. Для выполнения этого условия допускается соответствующее снижение величины силы F _N.

При расчете продольной силы инерции тележки или колесных пар (для бестележечных локомотивов) при торможении следует учитывать инерцию вращающихся частей. Для этого массу тележки или колесной пары (для бестележечных локомотивов) увеличивают на добавочную величину  _тел, т, вычисляемую по формуле

,

(6.19)

где n _кп - количество колесных пар в тележке;

J _кп - момент инерции колесной пары относительно поперечной оси, т·м ²;

n _ТЭД - количество ТЭД в тележке (для локомотивов с электрической передачей);

J _ТЭД - момент инерции ТЭД относительно поперечной оси (для локомотивов с электрической передачей), т·м ²;

i _ред - передаточное отношение редуктора;

D _кр min - минимально допустимый в эксплуатации диаметр колеса по кругу катания, м.

Примечание - Для локомотивов с гидравлической передачей мощности n _ТЭД·J _ТЭДi _ред=0.

6.3.4.5 Продольную динамическую силу при движении локомотива с конструкционной скоростью в прямом участке пути рассчитывают исходя из ускорения приведенной массы тележки (колесной пары для бестележечных локомотивов) 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 0,7 м/с ², действующими по направлению оси колесной пары и поперечных осей, проходящих через центры масс тележки (центры масс колесных пар с буксовыми узлами - для бестележечных локомотивов) и кузова (главной рамы).

6.3.5.1 Центробежную силу определяют отдельно для массы кузова (главной рамы) и масс тележек (масс колесных пар с буксовыми узлами - для бестележечных локомотивов) при максимальном допускаемом непогашенном горизонтальном поперечном ускорении, равном 0,7 м/с ².

Допускается применение иного значения допускаемого непогашенного горизонтального поперечного ускорения, установленного в конструкторской документации.

6.3.5.2 Рамные силы, действующие от колесной пары на раму тележки или главную раму (для бестележечных локомотивов), определяют умножением максимальной вертикальной статической осевой нагрузки P _ст ос на максимальное значение показателя K _Дгор.

В качестве максимального значения показателя K _Дгор принимают 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 Для локомотивов с электрической передачей вертикальные инерционные силы со стороны масс ТЭД, возникающие при колебаниях рамы тележки с учетом дисбаланса вращающихся частей двигателя, принимают исходя из ускорений:

- при опорно-осевом подвешивании ТЭД в месте крепления на раме тележки - не менее 2g;

- при опорно-рамном подвешивании ТЭД на раме тележки - не менее 1g по центру массы ТЭД.

Также 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.

Для локомотивов с гидравлической передачей инерционные силы от вращающихся масс не учитываются.

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
	Iа	Iб	II	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 сцепных 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 (для локомотивов с электрической передачей)	-	-	6.3.3.4	-	-	-
Вертикальные инерционные силы со стороны масс ТЭД (для локомотивов с электрической передачей)	-	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 или колесной парой (для бестележечных локомотивов), передающие силу тяги, рассчитывают при действии инерционных сил, вызванных продольными ускорениями тележки или колесной пары (для бестележечных локомотивов)  3g. При этом напряжения в элементах узлов связи кузова (главной рамы) с тележкой или колесной парой (для бестележечных локомотивов) не должны превышать значения 0,9 _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  c) g, где c = 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.

Узлы крепления к кузову емкости для природного газа или другого альтернативного топлива рассчитывают исходя из продольного ускорения 6g.

Для каждого из этих случаев напряжения в элементах крепления оборудования не должны превышать 0,9 _0,2.

6.3.13 Прочность узлов крепления демпферов рессорного подвешивания оценивают для расчетного режима III по условию 0,6 _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.

6.3.14 Оборудование, жестко закрепленное на обрессоренной раме тележки, за исключением тягового двигателя, рассчитывают с учетом сил инерции исходя из ускорений в вертикальном направлении, равных 2g в средней части (между колесными парами) и 3g на консолях рам тележек. Ускорение всех частей рам тележек в поперечном направлении принимают равным 1,5g, а в продольном направлении - 3g. Элементы оборудования (противобоксовочные датчики, скоростемер, заземлитель и др.), жестко закрепленные на неподрессоренных частях тележки или колесной пары (для бестележечных локомотивов), рассчитываются с учетом сил инерции исходя из ускорения массы деталей в вертикальном направлении 5g.

7 Общие требования к испытаниям. Виды испытаний

Испытаниям по определению показателей динамических качеств подвергают локомотив в целом.

Испытаниям по определению показателей прочности подвергают как локомотив в целом, так и секции локомотива, а также отдельные узлы его экипажной части.

Виды испытаний для оценки показателей динамических качеств и прочности конструкций приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1

Наименование показателя	Условное обозначение показателя	Виды испытаний
		Стендовые	Динамико-прочностные
Коэффициент горизонтальной динамики	K Дгор	-	+
Коэффициент вертикальной динамики первой ступени рессорного подвешивания	K Д1	-	+
Коэффициент вертикальной динамики второй ступени рессорного подвешивания	K Д2	-	+
Коэффициент запаса устойчивости против схода колеса с рельса		-	+
Показатели плавности хода в вертикальном и горизонтальном поперечном направлениях	W z W y	-	+
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	n	-	+
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:

- появление остаточных деформаций при статическом нагружении, возникающих в результате превышения предела текучести материала  _0,2;

- 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 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.

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.

Таблица 8.1 - Допускаемые напряжения для элементов кузова (главной рамы) и тележки

Расчетный режим		Допускаемое напряжение для элементов
		кузова (главной рамы)	тележки
Режим I	Iа	0,9 0,2
	Iб	0,9 0,2 *	0,9 0,2
Режим II		0,6 0,2
Режим III		0,6 0,2
Режим IV		0,9 0,2
* При проведении испытаний используют значение  0,2. Примечание -  0,2 - условный предел текучести материала, который принимают по справочным данным или определяют по ГОСТ 1497.

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.

8.2.5 Узлы передачи силы от сцепных устройств, шкворни и другие элементы связи кузова (главной рамы) с тележками или с колесными парами (для бестележечных локомотивов), а также концевые части рамы кузова, в которых могут возникать упруго-пластические деформации под воздействием эксплуатационных нагрузок при числе циклов нагружения до 10 ⁵, рекомендуется рассчитывать на малоцикловую усталость по 8.4.

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 и долговечности, 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 конструкции путеочистителя должна быть обеспечена по условию 0,85 _в при нагружении в соответствии с приложением А.

8.3 Оценка запаса сопротивления усталости

8.3.1 Оценку прочности по коэффициенту запаса сопротивления усталости несущих элементов, за исключением оси и колеса в составе колесной пары, 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.

8.3.2 При отсутствии представительной гистограммы распределения амплитудных значений напряжений, характеризующих нагруженность объекта при эксплуатации, коэффициент запаса сопротивления усталости n вычисляют по формуле

,

(8.1)

где  _-1p - предел выносливости стандартного образца при растяжении-сжатии с симметричным циклом нагружения, МПа;

 _a - амплитуда напряжений (максимальных в зоне концентрации) цикла, МПа;

  - коэффициент, характеризующий влияние асимметрии цикла; принимают  =0,3 при  _m>0,  =0 при  _m<0;

 _m - среднее напряжение цикла, МПа;

  - теоретический коэффициент концентрации напряжений;

K  - коэффициент, характеризующий понижение предела выносливости конструкции по отношению к пределу выносливости стандартного образца (коэффициент концентрации).

Предел выносливости  _-1p принимают по справочным данным или определяют экспериментально по ГОСТ 25.502 на круглых образцах диаметром 7,5 мм или 10 мм.

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

,

(8.2)

где  _-1 - предел выносливости при изгибе с симметричным циклом нагружения, полученный по результатам испытаний стандартных образцов или принятый по справочным данным.

Допускается использовать следующие эмпирические зависимости:

 _-1p=0,7 _-1;

 _-1=(0,45-0,5) _в - для прокатной стали;

 _-1=0,4 _в - для литых сталей и алюминиевых сплавов.

8.3.2.1 Значение коэффициента   принимают равным:

- 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.

8.3.2.2 За среднее напряжение цикла  _m как при проведении испытаний, так и при расчете принимают напряжения, возникающие от постоянно действующих вертикальных статических нагрузок  _СТ, т.е.  _m= _СТ.

8.3.2.3 При испытаниях амплитуду напряжений цикла  _a определяют на основании экспериментальных данных, полученных при проведении динамико-прочностных испытаний. Значение  _a определяют в порядке, аналогичном изложенному в 6.2.1 для динамической составляющей рамной силы.

При проектировании расчетную амплитуду напряжений цикла  _a определяют методом решения задачи вынужденных колебаний динамической модели экипажной части.

8.3.2.4 Значения коэффициента концентрации K  вычисляют по формуле

,

(8.3)

где K ₁ - коэффициент, учитывающий влияние неоднородности материала детали; для проката, поковки и штамповки принимают K ₁ =1,1, для литых деталей принимают K ₁ = 1,25;

K ₂ - коэффициент, учитывающий влияние внутренних напряжений в детали, принимаемый, в зависимости от ее наибольшего поперечного размера, равным:

- 1,0 - при размере до 250 мм;

- от 1,0 до 1,2 - при размере от 250 до 1000 мм, пропорционально размеру;

K _m - коэффициент, учитывающий состояние поверхности детали и в зависимости от способа обработки принимаемый равным:

- 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;

- коэффициент, учитывающий влияние размерного фактора и выбираемый в зависимости от наибольшего размера поперечного сечения детали h;

K ₃ - корректирующий коэффициент, используемый для зон сварных соединений, зон выточек и переходов с радиусами менее 10 мм сварных несущих конструкций экипажной части, за исключением сварных несущих конструкций надрамного строения кузова (боковые стенки кузова, крыша кузова, кабина машиниста, торцевая стенка, перегородки и др.).

Значение коэффициента выбирают равным:

- 0,8 - при высоте сечения h до 100 мм включ.;

- 0,75 - при высоте сечения h св. 100 до 250 мм включ.;

- 0,7 - при высоте сечения h св. 250 мм.

Значение корректирующего коэффициента K ₃ принимают равным:

- 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.

Для других марок прокатных сталей коэффициент K ₃ определяют экспериментально. Для этого проводят стендовые циклические испытания на усталость типового сварного образца по методу, указанному в приложении Б.

Для этого проводят стендовые вибрационные испытания типового сварного образца по методу, указанному в приложении Б.

8.3.3 Если определено фактическое значение предела выносливости натурной детали по результатам стендовых испытаний на усталость, коэффициент запаса сопротивления усталости n вычисляют по формуле

,

(8.4)

где  _-1 - предел выносливости детали, определенный экспериментальным путем, при симметричном цикле нагружения на базе 10 ⁷ циклов, МПа.

При известном пределе выносливости детали при асимметричном цикле нагружения коэффициент n может быть вычислен по формуле

,

(8.5)

где  _r - предел выносливости детали при асимметричном цикле нагружения, МПа.

8.3.4 Коэффициенты запаса сопротивления усталости, вычисленные по формулам (8.1), (8.2), (8.4), (8.5), не должны быть меньше 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) (п. 8.3.5.3);

- 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.

8.3.5.2 Коэффициент запаса сопротивления усталости n вычисляют по формуле

,

(8.6)

где  _-1 - предел выносливости детали, определенный экспериментальным путем, при симметричном цикле нагружения на базе 10 ⁷ циклов, МПа;

 _аэ - эквивалентная амплитуда динамических напряжений, МПа.

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.

8.3.5.3 При аппроксимации кривой усталости наклонной и горизонтальной прямыми линиями эквивалентную амплитуду динамических напряжений  _аэ, МПа, вычисляют по формуле, полученной на основании гипотезы линейного суммирования повреждений

,

(8.7)

где m - показатель степени в уравнении кривой усталости в амплитудах напряжений (нагрузок);

N  - суммарное число циклов действия динамических напряжений, определяют по результатам обработки схематизированных случайных процессов;

N ₀ - базовое число циклов (для стальных конструкций N ₀ = 10 ⁷);

- доля времени, приходящаяся на эксплуатацию в V _i-м интервале скоростей (значения принимают по таблице 8.2);

, - принятое соответственно число разрядов амплитуд напряжений в i-м интервале скоростей и число разрядов скоростей движения;

- средняя доля протяженности прямых (j = 1), кривых участков пути (j = 2) и стрелок (j = 3) в общей длине железнодорожных линий, по которым предполагают эксплуатацию испытуемого локомотива;

 _ai - амплитуда напряжений i-го уровня, МПа;

- частота (вероятность) появления амплитуд напряжений с уровнем  _ai в V _i-м интервале скоростей движения локомотива.

Таблица 8.2 - Рекомендуемые значения долей времени

Интервал скорости движения, м/с	Средняя скорость интервала, м/с	Значение долей времени
		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:

K _уч1 = 0,87 - для прямых участков пути;

K _уч2 = 0,11 - для кривых участков пути;

K _уч3 = 0,02 - для стрелочных переводов.

Значения показателя степени кривой усталости m для локомотивных конструкций рекомендуется принимать:

8 - для гладких, чисто обточенных и шлифованных валов и осей с галтелями без поверхностного упрочнения;

18 - то же, с упрочненной накаткой поверхностью;

4 - для сварных конструкций из проката без упрочняющей обработки швов;

6 - то же, с механической или аргонно-дуговой обработкой швов;

4 - с нормализацией;

5 - с закалкой и отпуском.

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).

Динамические показатели вертикальных и горизонтальных испытательных нагрузок выбирают из условия движения локомотива в прямых участках пути. Значения основных динамических (циклических) нагрузок - динамических составляющих вертикальных сил от веса надрессорного строения ( - для рамы тележки; - для промежуточной рамы [балки, бруса]) и динамических составляющих рамных сил () принимают по результатам динамико-прочностных испытаний конкретного типа локомотива, конструкции которого подлежат стендовым вибрационным испытаниям. При отсутствии результатов динамико-прочностных испытаний конкретного типа локомотива за значения циклических нагрузок принимают увеличенные на 20 % значения , , (см. 6.2.1-6.2.3), полученные по результатам математического моделирования движения соответствующего локомотива, но не более значений, вычисленных умножением максимально допустимых значений показателей в соответствии с 4.1-4.3 на соответствующие статические нагрузки. Максимальные величины боковых сил, возникающие при движении в кривых, должны приниматься как действующие статически (квазистатически) и оцениваться по допускаемым значениям напряжений.

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, основанным на суммировании усталостных и квазистатических разрушений (повреждений).

8.4.1.3 При расчете малоцикловой долговечности и оценке накопления повреждений используют:

- значения местных упругопластических деформаций в максимально напряженных зонах конструкции;

- кривую малоцикловой усталости конструкционного материала N _f=f( ^(k)),

где N f - число циклов до образования трещин,  ^(k) - пластическая деформация в k-м полуцикле нагружения;

- 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 8.3.

Таблица 8.3 - Параметры диаграмм циклического деформирования

Сталь Ст3сп ГОСТ 380		Сталь 09Г2 ГОСТ 19281		Сталь 10ХСНД ГОСТ 19281		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