Динамика электрического подвижного состава

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ — СПЕЦИАЛИТЕТ 

серия основана в 1 9 9 6  г.

А.С. МАЗНЕВ 
М.Ю. ИЗВАРИН 
А.М. ЕВСТАФЬЕВ

ДИНАМИКА 
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО 
ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано 
Учебно-методическим объединением 
по образованию в области железнодорожного транспорта 
и транспортного строительства в качестве учебного пособия 
для студентов вузов железнодорожного транспорта

Э л е к т р о н н о 
znanium.com

Москва

ИНФРА-М

2021

УДК 629.423(075.8) 
ББК 39.232я73

М13

Ав торы:
Мазнев А.С. — доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I;

Изварин М.Ю. — кандидат технических наук, доцент, доцент Петербургского 
государственного университета путей сообщения Императора Александра I;

Евстафьев А.М. — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой 
электрической тяги Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I

Р е ц е н з е н т ы :
Танаев В.Ф. — заместитель начальника Октябрьской железной дороги по локомотивному и вагонному хозяйствам;

Варава В.И. — доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии;

Грищенко А.В. — доктор технических наук, профессор Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I

Мазнев А.С.

М13 
Динамика электрического подвижного состава : учебное пособие /  А.С. Мазнев, М.Ю. Изварин, А.М. Евстафьев. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 214 с. — 
(Высшее образование: Специалитет). — DOI 10.12737/1013692.

ISBN 978-5-16-014968-4 (print)
ISBN 978-5-16-107463-3 (online)

В учебном пособии излагаются физические основы, теория, принципы выбора 
и расчета основных параметров схем рессорного подвешивания, рассматриваются 
вопросы вписывания экипажей в кривые, вертикальной динамики тягового привода, использования сцепного веса и колебаний электрического подвижного состава.

Предназначено для подготовки дипломированных специалистов по направлению 
«Подвижной состав железных дорог».

УДК 629.423(075.8) 
ББК 39.232я73

ISBN 978-5-16-014968-4 (print) 
ISBN 978-5-16-107463-3 (online)

© Мазнев А.С., Изварин М.Ю., 
Евстафьев А.М., 2007, 2021

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Динамика электрического подвижного состава» является завершающей частью курса «Конструкции и прочности электрического подвижного состава», посвященной изучению особенностей работы 
электрического подвижного состава (ЭПС) в специфических условиях эксплуатации, связанных с реализацией тяговых свойств ЭПС в процессе его 
движения в непрерывно изменяющемся профиле и плане железнодорожного пути.

Возникающее при этом взаимодействие ЭПС и железнодорожного 
пути во многом определяется конструкцией отдельных элементов ходовой 
части ЭПС и их компоновкой. Решающая роль в характере происходящих 
динамических процессов принадлежит участвующим в них массам подрессоренных и неподрессоренных частей и связующим их элементам системы 
рессорного подвешивания.

Исходя из вышеизложенного, представляется целесообразным рассмотреть в курсе «Динамика электрического подвижного состава» следующие разделы.

1. Рессорное подвешивание.
2. Колебания электрического подвижного состава.
3. Движение электрического подвижного состава в кривых (вписывание экипажей в кривые).

4. Вертикальная динамика тягового привода электрического подвижного состава.

5. Использование сцепного веса локомотивов.

3

Глава 1. РЕССОРНОЕ ПОДВЕШИВАНИЕ

1.1. Н азначение рессорного подвеш ивания, 
и его основны е элем ент ы

Рессорное подвешивание является промежуточным звеном между 
подрессоренной частью ЭПС (надрессорным строением) и неподрессорен- 
ной его частью (колесные пары и жестко связанные с ним детали передаточного механизма).

В отечественных ЭПС рессорное подвешивание может включать в 
себя сочетания листовых рессор, винтовых пружин, пневматических баллонов, резиновых элементов в виде шайб, резинометаллических блоков и 
др.

К составу системы рессорного подвешивания относят также гасители 
колебаний и противоразгрузочные устройства, улучшающие плавность хода экипажа и его тяговые свойства в наиболее неблагоприятных режимах 
работы ЭПС (трогание с места, движение с критической скоростью и др.) и 
обеспечивающие безопасность движения экипажа в кривых.

Рессорное подвешивание ЭПС российского производства выполняется одноярусным (рис. 1.1) и двухъярусным (рис. 1.2).

Z

4

z
A

Рис. 1.2

На рис. 1.1 и 1.2:
Мк, шп, шнп -  соответственно массы кузова, подрессоренных и не- 
подрессоренных частей тележек, отнесенные к одной колесной паре;

)Kj и Ж2 -  соответственно жесткости первой (буксовой) и второй 
(центральной, или кузовной) ступеней, отнесенные к одной колесной паре.

Таким образом, центральная ступень делит подрессоренную часть 
локомотива на два яруса. Нетрудно видеть, что элементы обеих ступеней 
под действием вертикальной нагрузки кузова работают последовательно, 
что существенно улучшает вертикальную динамику экипажа.

Каждая из ступеней рессорного подвешивания может состоять из 
различного рода упругих элементов, соединенных между собой в одну общую схему и несущих определенную часть нагрузки, приходящейся на 
рассматриваемую ступень.

Конструктивно и схематично ступени рессорного подвешивания 
имеют различное исполнение (электровозы, электропоезда, тепловозы), но 
их роль в локомотивах может быть сведена к выполнению следующих основных задач:

5

а) передача и распределение между отдельными колесными парами 
вертикальной статической нагрузки в соответствии с проектным заданием;

б) обеспечение заданного распределения нагрузки между отдельными колесными парами в постоянно изменяющихся условиях работы локомотива;

в) смягчение действия на ЭПС динамических нагрузок, возникающих при прохождении колесными парами любых неровностей пути (стыки, волнообразный износ рельсов и т.д.) и при неправильной форме бандажа по кругу катания.

Эти условия выполняются в большей степени, если система рессорного подвешивания является статически определенной.

1.2. О сновны е п арам ет ры  рессорн ого подвеш ивании

Каждый упругий элемент, входящий в систему рессорного подвешивания, обладает жесткостью и статическим прогибом.

Жесткость упругого элемента характеризуется величиной нагрузки, 
приходящейся на единицу его прогиба, то есть

Ж = Р_

/ '

Следовательно, для определения жесткости необходимо знать подрессоренную массу и прогиб рессорного комплекта, приходящиеся на одну 
колесную пару.

В настоящее время за расчетный прогиб принимается его величина 
под статической нагрузкой:

/ст =
подр
мм,

где Рподр -  подрессоренная нагрузка, отнесенная к одной оси и равная

Р 
- р  
-  р
1 подр 1 ПОЛИ 
1 нп ?

где Рполн ” полный вес (давление на путь) одной колесной пары, кгс;

РИП -  вес неподрессоренных частей, приходящийся на одну колесную 
пару, кгс.

Статический прогиб комплекта упругих элементов принимается численно равным числу км/ч конструкционной (заданной) скорости локомотива, то есть

1/ 1 =V
1J СТ 1
коисгр

6

где/ст -  в мм, a VK0HCTp -  км/ч.

Так, например, для локомотива с заданной скоростью VK0HCTp =100 км/ч 
статический прогиб рессорного подвешивания принимается равным около 
100 мм.

Для получения необходимого статического прогиба у высокоскоростных локомотивов его рессорное подвешивание выполняется двухъярусным, с распределением суммарного статического прогиба между буксовой 
и кузовной ступенями из расчета

/с т = /б + /к ,

где / б = (0,4...0,5)/ст и / к = (0,5...0,6)/ет, мм.

Тогда

и

Ж б =
подр 
,
-----, кгс/мм,
Л

кгс/мм.

После определения жесткости ступеней рессорного подвешивания 
выбирается его принципиальная схема и разрабатывается конструкционное 
исполнение.

1.3. Ж ест кост ь рессорного подвеш и вани я 
и его прогиб

В общей схеме рессорного подвешивания его отдельные упругие 
элементы могут быть объединены между собой в отдельные группы с помощью вспомогательных элементов (подвески, балансиры, рессорные 
стойки и др.). В свою очередь, внутри каждой из образовавшихся групп 
элементы работают под общей нагрузкой либо одновременно (параллельно), либо передавая нагрузку последовательно от одного элемента к другому.

В сложных системах рессорного подвешивания эти оба способа восприятия и передачи нагрузки применяются одновременно. В результате такой совместной работы отдельные упругие элементы взаимодействуют 
между собой как конструктивно, так и через их параметры жесткости, образуя некоторую фиктивную эквивалентную рессору с эквивалентной жесткостью Ж 3 и эквивалентным прогибом.

Прогиб эквивалентной рессоры должен быть равен прогибу действительной, заменяемой ею группы или системы сбалансированных элемен
7

тов. Следует иметь в виду, что нагрузка на эквивалентную рессору является суммарной (равнодействующей) подрессоренной нагрузкой, приходящейся на рассматриваемую действительную, заменяемую систему (рис. 1.3 
и 1.4).

На рис. 1.3 представлена действительная система подвешивания, состоящая из связанных между собой с помощью рессорных подвесок двух 
пружин и листовой рессоры Жл. Благодаря такой конструктивной связи их 
упругие параметры Ж в и Жл оказываются связанными функционально и 
работают совместно, образуя некую одну фиктивную эквивалентную рессору с эквивалентной жесткостью Ж 9 и эквивалентным прогибом / 3 
(рис. 1.4).

В действительной системе группа связанных (сбалансированных) 
между собой двух винтовых пружин Ж в и листовой рессоры Жл находится 
под подрессоренной нагрузкой Рп. Нагрузка Рп передается на элементы 
рессорного подвешивания Ж в в точках 7 и 2, распределяясь между ними

Р
по 
(см. рис. 1.3). Далее нагрузка от каждой из пружин через соответствующую подвеску передается на конец листовой рессоры Ж л.

Листовая рессора суммирует нагрузку Рп и передает ее через хомут и 
рессорную стойку на буксу и далее на рельсы. Таким образом, три элемента действительной системы участвуют в восприятии и передаче нагрузки 
Ри как некая одна фиктивная эквивалентная рессора Ж 3 под действием 
суммарной нагрузки Рп (см. рис. 1.4).

Точки 1 и 2 действительного контакта надрессорного строения с 
элементами рессорного подвешивания называются действительными точЖл
Рг

Рис. 1.3
Рис. 1.4

8

ками подвешивания. Таким образом, эквивалентная рессора находится под 
действием суммарной нагрузки, испытываемой группой сбалансированных 
упругих элементов рассматриваемой действительной системы, которая затем 
и передается от надрессорного строения на элементы системы рессорного 
подвешивания через точки их непосредственного контакта -  точки 7 и 2.

Система рессорного подвешивания может иметь /?-е количество действительных точек подвешивания в зависимости от конструкции и взаимных связей между упругими элементами (см. рис. 1.5 и 1.6).

Рис. 1.5

Рис. 1.6

Схема рессорного подвешивания, представленная на рис. 1.5, имеет 
шесть действительных и три эквивалентные точки подвешивания. В схеме, 
рассматриваемой на рис. 1.6, имеется пять действительных и две эквивалентные точки подвешивания. Эквивалентные схемы подвешивания представлены на рис. 1.7 и 1.8.

9

Рис. 1.7

Рис. 1.8

1.4. Д ей ст ви т ельны е и эк ви ва л ен т н ы е т очки

подвеш ивания

Итак, любая система рессорного подвешивания состоит из п-го количества отдельных упругих элементов того или иного типа. Каждый из этих 
элементов находится под действием определенной доли подрессоренной 
нагрузки.

Упругие элементы системы рессорного подвешивания могут быть 
объединены (сбалансированы) в отдельные группы, работающие совместно. В этом случае речь может идти о некоторой фиктивной, так называемой эквивалентной рессоре с некоторой эквивалентной жесткостью Ж э.

Так как рессорное подвешивание является промежуточным звеном 
между подрессоренной и неподрессоренной частями локомотива, то нагрузка от подрессоренной части на систему рессорного подвешивания может передаваться только в точках их непосредственного контакта, затем 
уже через систему рессорного подвешивания на буксы и далее через колеса на рельсы.

Точки непосредственного контакта подрессоренной части с элементами рессорного подвешивания называются действительными точками 
подвешивания. Эти точки имеют вполне определенное конструктивное исполнение, их место в общей схеме работы ходовой части локомотива зафиксировано и всегда располагается в конкретном месте.

10