Конструкция и динамика электрического подвижного состава

НАУЧНАЯ 
МЫСЛЬ

СЕРИЯ 
О СНО ВАНА 
В 2008 
ГОДУ

П .С . М А ЗН Е В  

П .М . Е В С Т А Ф Ь Е В

КОНСТРУКЦИЯ 
И ДИНАМИКА 
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО 
ПОДВИЖНОГО 
СОСТАВА

МОНОГРАФИЯ

Э л е к т р о н н о

znanium.com

Москва

ИНФРА-М

2021

УДК 629.423(075.4) 
ББК 39.232

М13

А в т о р ы :

Мазнев А.С. — главы 2, 3, 6;
Евстафьев А.М. — главы 1, 4, 5

Р е ц е н з е н т ы :

Сердобинцев Е.В., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрическая тяга» Московского государственного университета путей сообщения;

Петров В.Д., кандидат технических наук, главный специалист экспертного центра по сертификации технических средств железнодорожного транспорта

Мазнев А.С.

М 13 
Конструкция и динамика электрического подвижного состава : 
монография /  А.С. Мазнев, А.М. Евстафьев. — Москва : ИНФРА-М, 
2021. — 248 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1014666.

ISBN 978-5-16-015026-0 (print)
ISBN 978-5-16-109657-4 (online)
Излагаются физические основы, теория, принципы выбора и расчета 
основных параметров схем рессорного подвешивания, рассматриваются 
вопросы вписывания экипажей в кривые, динамики тягового привода, использования сцепного веса и колебаний электрического подвижного состава, особенности конструкции современных локомотивов.

Для студентов и преподавателей, а также всех интересующихся данной 
тематикой.

УДК 629.423(075.4) 
ББК 39.232

ISBN 978-5-16-015026-0 (print) 
ISBN 978-5-16-109657-4 (online)

© Мазнев А.С., Евстафьев A.M., 
2013, 2021

Введение

В настоящее время железнодорожный транспорт является основным видом транспорта в России. Локомотивное хозяйство — одно 
из ключевых звеньев в железнодорожной отрасли. Современный локомотивный комплекс ОАО «РЖД» насчитывает более 13 тысяч единиц действующего тягового подвижного состава. По количеству находящихся в эксплуатации локомотивов компания занимает второе 
место в мире. На наиболее грузонапряженных линиях применяется 
электрическая тяга.

Современный электрический подвижной состав — сложная механическая система, движение которой обусловлено механическими и электрическими процессами, особенностями устройств управления и взаимодействия сил, вызывающих ускорение или замедление экипажа. Увеличение мощности локомотивов и скорости движения привели к росту сил, действующих на подвижной состав. 
Изготовление современного подвижного состава, создание необходимых условий для его эффективной эксплуатации невозможно без 
развитого машиностроения и высокого научно-технического потенциала. Внедрение современных технологий высокоскоростного движения поездов оказывает влияние не только на конструкцию и технические характеристики подвижного состава, но и на всю железнодорожную инфраструктуру: путь, системы сигнализации и управления движением.

Авторы выражают глубокую признательность рецензентам — заведующему кафедрой «Электрическая тяга» Московского государственного университета путей сообщения, профессору, д-ру техн. 
наук Е.В. Сердобинцеву; канд. техн. наук, главному специалисту 
экспертного центра по сертификации технических средств железнодорожного транспорта В.Д. Петрову за большой труд по рецензированию и ряд ценных замечаний, учтенных авторами при подготовке монографии к изданию.

3

Глава 1. РЕССОРНОЕ ПОДВЕШИВАНИЕ

1.1. Назначение рессорного подвешивания 
и его основные элементы

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

В отечественном ЭПС рессорное подвешивание может включать 
сочетания листовых рессор, винтовых пружин, пневматических баллонов, резиновых элементов в виде шайб, резино-металлических 
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, а) и двухъярусным (рис. 1.1, б).

На рис. 1.1 показаны: Л/к, тп, тнп — соответственно массы кузова, подрессоренных и неподрессоренных частей тележек, отнесенные к одной колесной паре; Ж| 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

4

a 
Z 
б 
Z

Рис. 1.1. Рессорное подвешивание ЭПС: а — одноярусное; б — двухъярусное

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:

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

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

-  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.

5

1.2. Основные параметры рессорного подвешивания

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

Жесткость упругого элемента характеризуется величиной нагрузки, приходящейся на единицу его прогиба, т.е.

Ж = - .

/

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:

Р~Г)ЛП

М М ,
жэо

где Рподр — подрессоренная нагрузка, отнесенная к одной оси и равная:

р 
= р 
- Р
подр 
ПОЛИ 
нп’

Рполн — полный вес (давление на путь) одной колесной пары, кгс;
Рнп — вес неподрессоренных частей, приходящийся на одну колесную пару, кгс.

Статический прогиб комплекта упругих элементов принимается 
численно равным числу км/ч конструкционной (заданной) скорости локомотива, т.е.

г  
_  
ПОДр

Г ст|
констр

гд е/ — в мм, а Ккконстр
В км/ч.

Так, например, для локомотива с заданной скоростью Кконстр = 
= 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)/ст, мм.

6

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

1.3. Жесткость рессорного подвешивания 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 параметры жесткости, образуя некоторую фиктивную эквивалентную рессору с эквивалентной жесткостью Жэ и эквивалентным прогибом.

Прогиб эквивалентной рессоры должен быть равен прогибу действительной, заменяемой ею группы или системы сбалансированных элементов. Следует иметь в виду, что нагрузка на эквивалентную рессору является суммарной (равнодействующей) подрессоренной нагрузкой, приходящейся на рассматриваемую действительную, 
заменяемую систему (рис. 1.2, а, и 1.2, б).

На рис. 1.2, а, 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 Ж0 и Ж., оказываются связанными функционально и работают совместно, образуя некую одну 
фиктивную эквивалентную рессору с эквивалентной жесткостью Жэ 
и эквивалентным прогибом/э (рис. 1.2, б).

7

Рис. 1.2. Действительная система рессорного подвешивания (а); с эквивалентным прогибом (б)

В действительной системе группа связанных (сбалансированных) 
между собой двух винтовых пружин Жв и листовой рессоры 
находятся под подрессоренной нагрузкой Рп. Нагрузка Рп передается 
на элементы рессорного подвешивания Ж„ в точках / и 2, распреде- 
Р
ляясь между ними по —  (см. рис. 1.2, а). Далее нагрузка от каждой 
2

из пружин через соответствующую подвеску передается на конец 
листовой рессоры Жл.

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 Рп как некая одна фиктивная эквивалентная рессора Жэ под действием суммарной нагрузки Рп (см. рис. 1.2, б).

Точки 1 и 2 действительного контакта надрессорного строения с 
элементами рессорного подвешивания называются действительными точками подвешивания. Таким образом, эквивалентная рессора 
находится под действием суммарной нагрузки, испытываемой группой сбалансированных упругих элементов рассматриваемой дей­
ствительной системы, которая затем и передается от надрессорного 
строения на элементы системы рессорного подвешивания через точки их непосредственного контакта — точки 1 и 2.

Система рессорного подвешивания может иметь я-е количество 
действительных точек подвешивания в зависимости от конструкции и взаимных связей между упругими элементами (рис. 1.3).

Схема рессорного подвешивания, представленная на рис. 1.3, а, 
имеет шесть действительных и три эквивалентные точки подвешивания. В схеме, рассматриваемой на рис. 1.3, б, имеется пять дей
8

Рис. 1.3. Схемы рессорного подвешивания: а — с шестью действительными и 
тремя эквивалентными точками подвешивания; б — с пятью действительными и двумя эквивалентными точками подвешивания; в — эквивалентная схема с шестью действительными и тремя эквивалентными точками подвешивания; г — эквивалентная схема с пятью действительными и двумя эквивалентными точками подвешивания

ствительных и две эквивалентные точки подвешивания. Эквивалентные схемы подвешивания представлены на рис. 1.3, в, и 1.3, г.

1.4. Действительные и эквивалентные точки подвешивания

Итак, любая система рессорного подвешивания состоит из я-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 Жэ.

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.

9

Точки непосредственного контакта подрессоренной части с элементами рессорного подвешивания называются также 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.

В свою очередь эквивалентная рессора является фиктивной, т.е. 
не имеющей однозначного конструктивного исполнения, но по своим упругим параметрам она должна соответствовать реальной сбалансированной группе упругих элементов. Эта рессора должна обеспечивать такой же прогиб, как и заменяемая ею реальная система 
под действующей на нее суммарной, равнодействующей подрессоренной нагрузкой.

Например, на рис. 1.4, а, представлена действительная система 
сбалансированных упругих элементов с четырьмя действительными и одной эквивалентной точкой подвешивания. На рис. 1.4, б — 
схема, замещающая систему, показанную на рис. 1.4, а, и эквивалентная фиктивная рессора с ее основными упругими параметрами. Эта фиктивная рессора с эквивалентной жесткостью Жэ под действием на нее суммарной подрессоренной нагрузки (равной в данном случае 3Р) получает некоторый эквивалентный прогиб/^ При 
этом прогибы эквивалентной фиктивной рессоры и действительной 
системы должны быть одинаковыми (равными). Место расположения фиктивной рессоры называется эквивалентной точкой подвешивания. Так же как и действительные точки подвешивания, эквивалентная точка подвешивания должна иметь конкретную, фиксированную продольную координату.

Рис. 1.4. Действительная система сбалансированных упругих элементов с четырьмя действительными и одной эквивалентной точкой подвешивания (а) 
и эквивалентная фиктивная рессора (б)

10