Исследование и расчет основных параметров тележки 18-578 грузового вагона
Введение
Тележками называются устройства, которые обеспечивают безопасное движение
вагона по рельсовому пути, с минимальным сопротивлением и необходимой
плавностью хода. Тележки составляют основу вагонных ходовых частей и являются
одним из важнейших узлов грузовых и пассажирских вагонов, обеспечивающих
взаимодействие подвижного состава с верхним строением пути железнодорожного
полотна. В тележках объединяются рамой колесные пары с буксами, система
рессорного подвешивания и части тормозной рычажной передачи. Благодаря
возможности размещения в тележках нескольких последовательно расположенных
ступеней (ярусов) рессор в сочетании с различного рода гасителями колебаний и
устройствами, обеспечивающими устойчивость положения кузова, создаются условия
для достижения хорошей плавности хода вагона. Конструкция соединения тележек с
кузовом позволяет без затруднения при необходимости выкатить их. Это облегчает
осмотр и ремонт ходовой части вагона. Тележки могут свободно поворачиваться
относительно кузова вагона благодаря наличию пятника на раме кузова и
подпятника на тележке.
1
Формулировка основных моментов технических требований на проектируемую тележку
1.1
Наименование и область применение
Двухосная тележка с центральным рессорным подвешиванием предназначена для
подкатки под грузовые железнодорожные вагоны со скоростью движения 33 м/с, с
предельной нагрузкой от оси на рельс 23,5 тс/ось.
Тележка должна быть пригодна для эксплуатации по все сети железных дорог
колее 1520 мм России и СНГ.
1.2 Основания
для разработки
Основанием для разработки служит задание на курсовой проект.
1.3 Цель и
назначение разработки
Целью разработки создания двухосной тележки с центральным рессорным
подвешиванием является повышение эксплуатационной надежности основных несущих
элементов, снижение эксплуатационных затрат на обслуживание и ремонт, повышение
плавности хода.
1.4 Источники
разработки
· Информационные каталоги
· Источниками являются действующие ГОСТы и нормативные
документы:
· - ГОСТ 9238-83. Габариты приближения строений и подвижного
состава железных дорог колеи 1520 (1524) мм.
· - Нормы для расчета и проектирования новых и
модернизированных вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (не самоходных) -
М.ВНИИВ -ВНИИЖТ, 1996. - 319 с.
· - ГОСТ 9246 -2004. Тележки двухосные грузовых вагонов
магистральных железных дорог колеи 1520 мм. Технические условия;
1.5
Технические требования
Состав тележки и требования к конструктивному устройству
Тележка состоит из:
· Двух литых боковин;
· Надрессорной балки;
· Рессорное подвешивание и гасители колебаний;
· Две колесных пары.
Проектируемая тележка должна иметь параметры не хуже тележки аналога 18-
578
§ Габарит по ГОСТ 02 - ВМ;
§ Конструкционная скорость движения 33 м/с;
§ Предельные нагрузки от оси на рельс 23.5 тс/ось.
Технические характеристики тележки 18-578 приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Технические характеристики тележки 18-578
|
Характеристика тележки
|
Значение
|
|
База тележки, мм
|
1850
|
|
Ширина рельсовой колеи
|
1520
|
|
Рама тележки
|
нежесткого типа
|
|
Расстояние между центрами скользунов
|
1524
|
|
Максимальная осевая нагрузка, кН (тс)
|
230кН(23,5 тс)
|
|
Статический прогиб рессорного подвешивания, мм
|
68
|
|
Конструкционная скорость движения, м/с (км/ч)
|
33(120)
|
|
Масса тележки, т
|
4,75
|
|
Колеса цельнокатаные диаметром, мм
|
957
|
|
Габаритные размеры тележек, мм: длина ширина
|
2863 2590
|
|
Расчетный коэффициент относительного трения рессорного
подвешивания: под массой брутто вагона под тарой
|
0,084 0,099
|
|
Гибкость рессорного подвешивания, м/МН
|
0,16
|
Патенты искать в странах: СНГ, США, Франция, Япония.
1.6 Требования
к надежности
Назначенный срок службы тележки (по ресурсу боковой рамы и надрессорной
балки) не менее 32 лет.
Срок службы до первого капитального ремонта 13 лет.
Межремонтный период от постройки или от первого капитального ремонта 500
тыс. км, но не более 4 лет.
Пробег между деповским ремонтом в период эксплуатации до капитального
ремонта 450 тыс. км или 3года.
В период после капитального ремонта через 400 тыс. км или 3 года.
Безотказное проследование вагона на гарантийном участке груженный 1000
км, порожний 1500 км.
Параметр потока отказов 0,3 1/год.
2. Расчет
линейных размеров и определения основных размеров тележки
Линейные размеры возьмем по аналогу ( тележка 18 - 578).
Рисунок 1 - Тележка двухосная модель 18 - 578
-
ширина колеи: 1520 мм; - база тележки: 1850 мм; Расстояние от уровня головок
рельсов до уровня опорной поверхности подпятникового места в свободном
состоянии: 
мм
расстояние
между осями пружин центрального подвешивания: 2036 мм; расстояние между
центрами скользунов: 1524 мм;
3. Уточнение
параметров тележки по результатам вписывания его в габарит
Одним из главных условий безопасности движения локомотивов, вагонов и
другого подвижного состава является предупреждение их соприкосновения со
стационарными сооружениями, расположенными вблизи железнодорожного пути, или с
подвижным составом, находящимся на соседнем пути.
Поэтому стационарные сооружения должны располагаться на определенном
расстоянии от пути, а подвижной состав - иметь ограниченное поперечное
очертание.
Таким образом, получаются два контура: контур, ограничивающий наименьшие
допускаемые размеры приближения строения и путевых устройств к оси пути -
габарит приближения строений; и контур, ограничивающий наибольшие допускаемые
размеры поперечного сечения подвижного состава - габарит подвижного состава.
Второй контур расположен внутри первого и между ними имеется пространство.
Пространство между габаритами обеспечивает безопасные смещения подвижного
состава и погруженных на нем грузов, которые возникают при движении, а также
обусловленные допустимыми отклонениями элементов пути.
При вписывании вагона в эксплуатационный габарит подвижного состава
производят уменьшение горизонтальных размеров этого габарита на величину
зазоров и износов ходовых частей, исчисляемых в горизонтальном направлении, и
выносов частей вагона в кривых, а вертикальных размеров - на величину
статического прогиба рессорного подвешивания и измеряемых в вертикальном
направлении износов ходовых частей вагона.
Размеры тележки уточняем путем проверки на вписывание в габарит (рисунок
2) 02 - ВМ (ГОСТ 9238 - 83)
Рисунок 2 - Габарит 02 - ВМ. Верхнее очертание габарита
Горизонтальные размеры. Максимально допускаемая ширина вагона 2Вi в рассматриваемом сечении на
некоторой высоте Н от уровня головки рельса определяется по формуле:
где
полуширина соответствующего габарита подвижного
состава на той же высоте, мм;
ограничения
полуширины вагона для различных сечений, мм.
Для
направляющих (по пятнику) поперечных сечений ограничение определяем:
(2)
Для
поперечных сечений вагона, расположенных между его направляющими сечениями,
ограничение определяют по формуле:
(3)
Для
поперечных сечений вагона, расположенных снаружи (по консоли) его направляющих
сечений, ограничение определяют по формуле:
(4)
где
- максимальное боковое смещение предельно изношенной
колесной пары для вагона колеи 1520 мм в кривой расчетного радиуса.
где
мм- максимальная ширина колеи в кривой расчетного
радиуса;
мм-
минимальная толщина гребня колеса;
мм-
минимально допустимое расстояние между внутренними гранями ободов колес
колесной пары.
мм,
мм,
-
суммарное наибольшее поперечное перемещение в направляющем сечении в одну
сторону из центрального положения рамы тележки, относительно колесной пары;
l = 1,85 м-
расстояние между направляющими сечениями тележки (база тележки, глава 2)
n = l =
0.925 м- расстояние от рассматриваемого поперечного сечения вагона до его
ближайшего направляющего сечения, м,
k- величина, на
которую допускается выход вагона, проектируемого по габариту: 02 - ВМ, за
очертание этого габарита в кривой R = 250 м, мм;
k1 - величина
дополнительного поперечного смещения в кривой расчетного радиуса R=
250 м, вычисляется по формуле :
,
где
м - полубаза тележки 18 - 578;
мм
k2 = 2
мм - коэффициент, зависящий от величины расчетного радиуса кривой;
k3 = 0
- уширение габарита приближения строений в расчетной
кривой.
Рассчитаем:
Для направляющих (по пятнику) :
Е0=28+27+(1,71-0)-25=31,71мм
Для расположенных между его направляющими сечениями:
Ев = 28+27+[2∙(1,850-0,925)∙0,925+1.71125-0]-25=33,42 мм
Для поперечных сечений вагона, расположенных снаружи (по консоли) его
направляющих сечений
Ен=[28+27]∙
+[2∙(1.850+0,5065)∙0.5065-1.71125]-25= 60,79мм
Рассчитываем максимальную ширину строительного очертания, вписываемого в
габарит вагона:
Строим
горизонтальную габаритную рамку вписывания тележки 18-578 (рисунок 3).
Рисунок
3 - Горизонтальная габаритная рамка по габариту 02-ВМ
По габариту 02-ВМ В = 3150 мм, что больше чем 2В0 = 3086,58 мм, таким
образом, из габаритной рамки видно, что тележка 18-578 вписывается в принятый
для него габарит 02-ВМ.
Вертикальные
размеры - для получения наименьшего допустимого возвышения кузова и укрепленных
на нем частей над уровнем головки рельса необзодимо к размерам по высоте 
соответствующей габаритной рамки, прибавить величину
возможного в эксплуатации понижения этих частей, т.е.
(3.5)
где
суммарные понижения кузова вагона, в том числе по
элементам:
уменьшение
толщины обода колеса в результате обточек его при ремонтах, проката и наличия
местных выбоин на поверхности катания (не менее 22 мм, при этом учитывая
номинальный размер 78,5 мм), таким образом 78,5-22=56.5 мм.
По
расчету получим:
По
расчету получим:
На
рисунке показано нижнее очертание габарита 02-ВМ для обрессоренных частей
кузова вагона.
Рисунок
4 - Нижнее очертание габарита 02-ВМ для обрессоренных частей кузова вагона
4.
Проектирование основных узлов тележки
Начиная с 2004 года по заказу ОАО «РЖД» ФГУП «ПО Уралвагонзавод»
приступил к изготовлению перспективной тележки грузовых вагонов модели 18 -
578, которая по своим динамическим качествам, а также параметрам прочности и
ресурса значительно превосходит серийную тележку модели 18 - 100. Динамические
показатели вагонов на тележках 18 - 578 улучшены на 16…20% по сравнению с
показателями вагона - эталона на тележках модели 18 - 100.
4.1
Устройство рамы тележки
Рама тележки состоит из: двух боковых рам, надрессорной балки,
Боковая рама предназначена для восприятия нагрузок, передаваемых от
кузова вагона, передачи их на колесные пары, а также для размещения рессорного
комплекта.
Боковая рама (рисунок 5) представляет собой отливку, в средней части
которой расположен проем Д для размещения рессорного комплекта, а по концевым
частям буксовые проемы Е для установки колесных пар. Концевые части боковой
рамы выполнены коробчатого сечения вместо таврового. Перемычка между
вертикальными стенками боковой рамы в зоне технологических окон увеличивает прочность
конструкции. Повышает эксплуатационный ресурс.
Нижняя часть рессорного проема образует опорную плиту Ж с размещенными на
ней бонками и буртами для установки пружин рессорного комплекта. На
вертикальных стенках рессорного проема выполнены площадки, к которым заклепки 2
приклепаны фрикционные планки 1. Механическая обработка привалочных
поверхностей под фрикционные планки позволила установить на боковую раму
составные фрикционные планки: приклепываемая фрикционная планка толщиной 10 мм
из стали 30ХГСА с твердостью 302…412 НВ и свободно устанавливаемая на
ограничители боковой рамы контактная планка толщиной 6,5 мм из стали 30ХГСА с
твердостью 302…412 НВ. При этом стабилизируется работа гасителей колебаний,
уменьшаются показатели вертикальной и горизонтальной динамики вагона на 10 -
20%; уменьшается износ пары трения «фрикционная планка - клин» в 1,5 - 2 раза,
что улучшает связанность боковых рам тележки, уменьшает перекос тележки и
способствует уменьшению подреза гребней колес. Упоры 3 для ограничения поперечных
перемещений фрикционных клиньев и установки контактных планок.
- планка фрикционная, 2 - заклепка, 3 - втулка, 4 - скоба
Рисунок 5 - Рама боковая
С внутренней стороны боковой рамы опорная плита Ж переходит в предохранительные
полки А, являющиеся опорами для наконечников триангелей в случае обрыва
подвесок, которыми триангели подвешены к кронштейнам боковой рамы. В кронштейны
И в целях предотвращения их износа установлены износостойкие втулки 3. Полки К
с овальными отверстиями служат опорами для балки авторежима.
На механически обработанные опорные поверхности буксовых проемов
установлены съемные износостойкие скобы, состоящие из скобы, выполненной из
углеродистой стали Ст3 толщиной 4 мм, и приварной износостойкой планки из
низколегированной стали 30ХГСА с твердостью 255…341 НВ толщиной 4 мм, что
уменьшает износ опорной поверхности буксового проема боковой рамы в 2 раза.
4.2
Надрессорная балка
Надрессорная балка представляет собой отливку коробчатого сечения и служит
для восприятия нагрузок, передаваемых от кузова вагона, передачи их на
рессорное подвешивание, а также для упруго - фрикционные связи боковых рам
тележки (рисунок 6).
- державка мертвой точки, 2 - заклепка, 3 - прокладка, 4 - чаша
Рисунок 6 - Балка надрессорная
Нагрузки на фрикционные клинья гасителей колебаний рессорного
подвешивания передаются через наклонные площадки клиновых проемов, выполненных
в концевых частях надрессорной балки.
На верхнем поясе надрессорной балки расположены: подпятниковое место В
для опоры пятника вагона, опорные площадки Г с резьбовыми отверстиями для
установки скользунов.
На нижних опорных поверхностях надрессорной балки выполнены ребра Д,
которыми фиксируют наружные пружины рессорного комплекта.
На боковой стенке надрессорной балки в средней части расположены приливы
для установки державки мертвой точки 1, закрепленной заклепками 2.
- пружина наружная, 2 - пружина внутренняя, 3 - фрикционный клин, 4 -
планка контактная
Рисунок 7 - Рессорное подвешивание
Рессорное подвешивание включает два рессорных комплекта, установленных в
центральных проемах боковых рам.
Рессорный комплект имеет линейную зависимость прогиба от нагрузки и
включает семь двойных витых цилиндрических пружин и два фрикционных клина
гасителя колебаний.
4.4 Тормозное
оборудование
Тормозная рычажная передача тележки является частью тормоза вагона,
предназначенного для создания искусственного сопротивления движению вагона, с
целью регулирования скорости его движения и осуществления остановки.
Тормозная рычажная передача (рисунок 8) состоит из двух триангелей по
ГОСТ 4686, которые при помощи подвесок и осей соединены с кронштейнами боковых
рам, двойных вертикальных рычагов, двойных вертикальных рычагов, соединенных
затяжкой, и серьги мертвой точки.
1 - триангель, 2 - рычаг, 3 - затяжка, 4 - серьга мертвой точки, 5 -
предохранитель, 6 - устройство направленого отвода колодок, 7 - втулка, 8 -
скоба, 9 - кронштейн, 10 - предохранитель
Рисунок 8 - Тормозная рычажная передача
В тормозной рычажной передаче предусмотрено использование композиционных
тормозных колодок. Допускается установка чугунных тормозных колодок при особых
условиях эксплуатации.
Тормозная рычажная передача оборудована устройством направленного отвода
колодок от колес при отпущенном тормозе, обеспечивающим равномерный износ
колодок.
5. Расчет
характеристик рессорного подвешивания
Проектируемая тележка подкатывается под вагон аналог, которого 12-132.
Принимаем, что проектируемый рессорный комплект аналогичен комплекту
тележки модели 18-578. Тележка 18-578 имеет два комплекта рессорного
подвешивания, каждый из которых состоит из семи двухрядных цилиндрических
пружин. Материал пружин - сталь 60С2. Прогиб центрального рессорного
подвешивания составляет 68 мм, коэффициент запаса прогиба равен 1,8,
касательные напряжения [τ]=750*106 Н/м2, модуль сдвига G=8*1010Н/м2.
Рассчитываем статическую нагрузку на одну пружину:
где
P - грузоподъемность вагона 12-132 (69,5 т.);
Т
- тара вагона опирающегося на тележку (без экипировки), не более 24,5 т;
Pтел - вес
тележки, 4,75 т;
Pч - вес частей
тележки, находящиеся над пружинами, 0,443 тс (4,43кН);
n, n1, n2 -
число тележек под вагоном (2), число рессорных комплектов в тележке (2), число
пружин в комплекте (7).
тс
Рассчитываем
эквивалентную жесткость пружины:
,
где
fст=0,068 м - статический прогиб.
тс/м
Производим
расчет максимальной статической нагрузки:
,
kзп=1,8 -
коэффициент запаса прочности.
тс
Рассчитываем
максимальный прогиб:
м
(122,4мм)
Определение
диаметра прутка пружины.
Из прочностного расчета пружин известно, что
,
где
индекс пружины.
Для
вагонных пружин 
. Для первого расчета принимаем 
.
средний
диаметр пружины.
диаметр
прутка пружины.
коэффициент,
учитывающий кривизну витков пружины:
Имеем:
Средний диаметр пружины равен:
Число
рабочих витков вычислим как:
Высота пружины в сжатом и свободном состоянии:
Сравнивая
параметры пружины: средний диаметр, диаметр прутка и высота в свободном
состоянии с возможными размерами пружин рессорного комплекта (172 мм, 28 мм и
259 мм) видим, что данная пружина не подходит. Для создания более компактного
рессорного подвешивания заменим полученную пружину эквивалентной двухрядной
пружиной.
Однорядную
эквивалентную пружину заменяем на двухрядную из следующего условия (рисунок 9)
Рисунок
9 - Соотношение размеров двухрядной пружины
Рассчитываем
характеристики двухрядных пружин:
Диаметры
прутков:
мм
мм.
Нагрузки
на одну пружину рессорного комплекта:
тс
тс.
Находим
жесткость пружин:
тс/м
тс/м.
Суммарная жесткость пружин:
тс/м
Определяем
погрешность:
Вычисляем
средние диаметры пружин:
мм.
Находим
количество витков:
витков
витков.
Находим
высоты пружин в сжатом состоянии:
мм
мм.
Выравнивание
высот пружин производится путем увеличения числа рабочих витков из условия
Тогда
h1св=h2св.
Находим
высоты пружин в свободном состоянии:
мм
Полное
число витков:
,
Определим
длины заготовок:
мм,
мм.
Рисунок
10 - Геометрические размеры пружины
Опорные
поверхности пружин выполняют плоскими и перпендикулярными оси пружины. Для
этого концы заготовки пружины оттягивают на длине не менее 2/3 длины витка, чем
достигается постепенный переход от круглого сечения к прямоугольному. В
дальнейших расчетах параметры пружин принимаем согласно аналогу тележки 18-578.
6 Определение
требуемого коэффициента относительного трения фрикционного гасителя колебаний
из условий плавности хода тележки по неровности IV вида
Определяем потребную величину коэффициента относительного трения для
фрикционного гасителя колебаний из условия движения вагона по неровности.
Тележки представляет собой сложную механическую систему, состоящую из
набора масс, соединенных между собой упруго-фрикционными связями. Для того, чтобы
описать движение (колебание) механической системы будем использовать принцип
Даламбера.
Рассмотрим вынужденные колебания, возникающие при движении груженного
вагона по геометрической неровности вида:
где - h = 5 мм - амплитуда геометрической
неровности,
круговая
частота внешнего возмущения.
где:
скорость вагона, (V=33м/с);
длина
неровностей, равная длине рельса, (LH=25м).
Рисунок 11 - Расчетная схема
Текущие значения неровности под каждым колесом вычисляются по
зависимости:
где
- 
- сдвиг фазы.
Вычислим сдвиг фазы для каждого колеса вагона
Рисунок 12 - Схема для определения сдвига фаз
По
расчету:
Сложение
неровностей под каждым колесом произведем графически. Для чего построим
единичную окружность радиусом R = 30 мм, что соответствует амплитуде неровности h = 5
мм (0,005 м). На окружности отметим единичные вектора соответственно углам
сдвига фаз. Произведем попарно сложение векторов. В результате получим
суммарный вектор, который в 
раз
больше исходного h = 0,005 м
Рисунок 13 - Векторное сложение текущих значений амплитуд неровностей
Из диаграммы l1c=54.32 мм, а1с=
=1,81 раз больше исходного h=0.005 м.
Из дифференциального уравнения для вынужденных колебаний вагона (методика
расчета указана в [1]) определим приращение амплитуды колебаний за один период
(15)
где
,
амплитуда
возмущающей силы, действующей на вагон в направлении оси Z.
Н/м,
Н,
По расчету
м
При
движении вагона необходимо ликвидировать данное нарастание амплитуды колебаний 
. Чтобы, погасить нарастание, выбираем фрикционный
гаситель колебаний.
Чтобы
обеспечить устойчивое равновесное движение системы при резонансе необходимо,
чтобы за один период колебаний приращение потенциальной энергии 
было равно работе сил сопротивления гасителя за тот
же промежуток времени: 
.
(16)
(17)
где
амплитуда колебаний.
Тогда
получим:
(18)
(19)
Известно, что коэффициент относительного трения есть отношения сил трения
развиваемых гасителем к упругой реакции рессорного комплекта, т.е.
(20)
Угловая
частота собственных колебаний
(21)
Линейная
частота (количество колебаний в одну секунду)
(22)
(16)
Из
условия плавности хода вагона по неровности получили требуемый коэффициент
относительного трения 
для фрикционного гасителя колебаний.
7.
Проектирование гасителя колебаний исходя из требуемого значения коэффициента
относительного трения
Для центрального рессорного подвешивания будем проектировать гаситель
колебаний аналогичный гасителю тележки модели 18-578.
Проектируемую тележку будут подкатывать под вагон (модель 12 -132)
грузоподъемностью (Р) 69,5 тс (695 кН), тарой 24.5 тс (245 кН). Двухосная
тележка модели 18 - 578 имеет одинарное рессорное подвешивание, состоящее из
семи двухрядных пружин. Жесткость одной пружины равна С = 44,845 тс/м. Из
условия обеспечения нормируемых показателей динамических качеств проектируемой
тележки потребная величина коэффициента относительного трения (j) должна быть в пределах 0,08 - 0,1,
при прогибе рессорного подвешивания (fСТ) 68 мм.
Принимаем,
что фрикционные клинья зготовлены из материала чугун ВЧ 120, фрикционная планка
- Сталь 30ХГСА, а надрессорная балка из стали марки 20ГЛ. Коэффициент трения
между фрикционной планкой и клином принимаем равным 
=0,15, а между клином и надрессорной балкой 
=0,1. Угол наклона рабочей поверхности клина и
надрессорной балки принимаем равным 
=45°, а поверхности клина и фрикционной планки равным 
=2°.
В
таком случае прогиб подклиновой пружины будет равен:
где
z - прогиб рессорного подвешивания (fСТ).
Нисходящее
движение деталей гасителя колебаний
Рассмотрим
равновесие клина в момент времени t (рисунок 16, а). На рабочих поверхностях
фрикционного клина возникают силы трения FН и F1Н.
Рисунок
14 - Равновесие деталей гасителя колебаний при нисходящем движении
Записав
условия равновесия клина (сумма проекций всех сил на оси X и Y) и выполнив ряд
преобразований, получим:
(17)
(18)
Где
Вычислим силы трения на рабочих поверхностях:
тс,
тс.
Суммарные
силы трения, создаваемые гасителем колебаний при нисходящем движении будут
равны:
тс.
Вычислим
реакцию рессорного подвешивания на действие внешней нагрузки Р при движении
вниз :
Коэффициент
относительного трения:
.
Восходящее движение деталей гасителя колебаний.
Рассмотрим равновесие клина в момент времени t. На рабочих поверхностях
фрикционного клина возникают силы трения FВ и F1В.
Рисунок 15 - Равновесие деталей гасителя колебаний при восходящем
движении
Где
Вычислим
силы трения на рабочих поверхностях:
тс,
тс.
Суммарные силы трения, создаваемые гасителем колебаний при восходящем
движении будут равны:
тс.
Вычислим реакцию рессорного подвешивания на действие внешней нагрузки Р
при движении вверх (рисунок 17, б):
.
Среднее значение коэффициента относительного трения гасителя колебаний
будет равно
двухосный
тележка рессорный колесный
.
Спроектированный
фрикционный гаситель колебаний с фрикционными клиньями из чугуна имеет
коэффициент относительного трения равный потребному.
8.
Определение усилий, действующих на колесную пару в кривой пути и проверка
запаса устойчивости колесной пары
Согласно
требованиям норм должно обеспечиваться устойчивое движение колес по рельсовому
пути. Однако при неблагоприятных условиях, когда горизонтальная сила
динамического давления колеса на головку рельса 
велика, а
вертикальная 
мала, то гребень колеса не будет скользить по головке
рельса.
Поэтому
для предупреждения сходов вагона в эксплуатации производится проверка
устойчивости движения колеса по рельсу.
Коэффициент
запаса устойчивости рассчитывается по формуле:
(19)
где
b - угол наклона образующей конусообразной поверхности
гребня колеса с горизонталью (600);
m - коэффициент
трения поверхностей колес и рельсов (0,25);
РВ
- вертикальная нагрузка от набегающего колеса на рельс;
РБ
- боковое усилие взаимодействия гребня набегающего колеса и головки рельса;
-
допускаемое значение коэффициента запаса устойчивости (1,4).
Вертикальная нагрузка от набегающего колеса на рельс вычисляется по
формуле:
(20)
где
сила тяжести обрессоренных частей вагона, действующая
на шейку оси колесной пары;
(21)
где
Т и Р - тара и грузоподъемность вагона (24,5 и 69,5);
q -сила тяжести
необрессоренных частей, приходящихся на колесную пару
тс;
п
- число осей в тележке (2);
т
- число шеек осей в тележке (4).
тс
kДВ1 - расчетное
значение коэффициента вертикальной динамики экипажа, приближенно принимается kДВ1
= 0,75 kДВ, где
(22)
где а - коэффициент, равный для необрессоренных частей тележки а = 0,15;
-
коэффициент учитывающий влияние числа осей в группе тележек (n=2)
под одним концом вагона на величину коэффициента динамики;
v - расчетная
скорость движения, 33 м/с;
fСТ- статический
прогиб рессорного подвешивания, 0,068 м.
kДБК - расчетное
значение коэффициента динамики боковой качки приближенно принимается kДБК
= 0,25 ∙ kДВ;
kДБК = 0,25 ∙
0,245=0,06
Расчетное значение рамной силы
(23)
где
Р0 - расчетная статическая осевая нагрузка;
(24)
где m - число колесных пар в вагоне, (m=4);
тс
d - коэффициент, учитывающий тип ходовых частей вагона, для грузовых
вагонов на безлюлечных тележках с большой горизонтальной жескостью подвешивания
d = 0,003.
b -
расстояние между серединами шеек осей, для стандартных колесных пар 2b = 2,036 м;
тс
l - среднее
расстояние между точками контакта колес с рельсами, принимается l
=1,58 м;
а1
= 0,220 м и а2 = 0,250 м - расчетные расстояния от точек контакта до середине
шеек;
r = 0,45 м -
радиус средневзвешенного колеса.
Приведенные
параметра показаны на рисунке 3.
Рисунок
16 - Схема расчета устойчивости колес против схода с рельсов
Боковое усилие взаимодействия гребня набегающего колеса и головки рельса
(рисунок 16) вычисляется по формуле:
(25)
где
- вертикальная нагрузка от второго колеса на рельс;
Подставим полученные значения вертикальной нагрузки от набегающего колеса
на рельс и бокового усилия взаимодействия гребня и головки рельса в формулу
(19):
Коэффициент устойчивости по расчётам получен больше чем допускаемый,
следовательно, колёсная пара тележки в кривой пути устойчива от вкатывания на
головку рельса.
9. Расчет на
прочность боковой рамы на вертикальные нагрузки
9.1
Определение величин нагрузок и схемы их приложения
Симметричность конструкции и нагрузки позволяет рассматривать одну
половину боковой рамы, водя взамен отброшенной другой половины связи, в которых
могут возникать только симметричные усилия - изгибающие моменты и продольные
усилия (рисунок 17).
-
нагрузка от одной двухрядной пружины;
-
нагрузка от двух двухрядных пружин;
-
половина нагрузки от одной двухрядной пружины.
Рисунок
17 - Расчетная схема боковой рамы тележки 18-578
Величина
нагрузки на нижний пояс буксового проема от одной двухрядной пружины определена
в 5 пункте курсовой работы и составляет 30,495 кН.
Для
упрощения расчетов принимаем распределенную нагрузку. Тогда расчетная схема
будет выглядеть, как показано на рисунке 18.
q - распределенная нагрузка на нижний пояс боковой рамы
Рисунок
18 - Расчетная схема боковой рамы тележки 18-578
Распределенная
нагрузка на нижний пояс половины боковой рамы будет рассчитано из условия, что
в рессорном комплекте 7 пружин, но так как мы рассчитываем половину боковой
рамы, то и нижний пояс будет воспринимать половину нагрузки:
Н/м
9.2 Исходные
данные для расчета
На основании чертежей и линейных размеров боковой рамы тележки модели
18-578 произведем аппроксимацию рассчитываемой боковой рамы в расчетную схему
(рисунок 18).
Материал принят изотропный линейно-упругий со сдедующимми свойствами:
модуль упругости 2,1 ∙105МПа, коэффициент Пуассона 0,3, предел текучести
275МПа.
Для построения сетки конечно-элементной модели боковой рамы тележки
использован 10-узловой объемный нелинейный тетраэдр, обеспечивающий получение
очень подробных и точных результатов расчета. Закрепление произведено по
плоскости симетрии и в буксовом проеме.
9.3
Результаты расчета и их анализ
Результаты расчета боковой рамы приведены на рисунке 19.
Рисунок 19 - Контурное распределение полей эквивалентный напряжений от
воздействия вертикальной нагрузки
Наибольшие
напряжения
возникают в радиусе закругления нижнего пояса боковой
рамы тележки.
Сравним возникающие напряжения в боковой раме тележки
с допускаемыми значениями напряжений для материала (сталь 20ГЛ), из которого
сделана боковая рама тележки.
Условие прочности выражается:
где
- расчетное напряжение на вертикальные нагрузки, МПа;
N - расчетное напряжение на продольные нагрузки, МПа;
г--
расчетное напряжение на распорные нагрузки, МПа.
-
допускаемое напряжение, МПа, (=0,9∙
=0,9∙275=247,5 МПа (сталь 20ГЛ).
В
результате расчета допускаемое напряжение равняется 247,5 МПа, полученное
напряжение на вертикальные нагрузки составляет 5,71 МПа, что составляет 2,31 %
от допускаемой величины.
Заключение
В данном курсовом проекте было произведено исследование и расчет основных
параметров тележки 18-578 грузового вагона.
Отражено назначение и роль данной тележки в системе грузооборота страны,
осуществлено уточнение параметров тележки по результатам вписывания в габарит.
Спроектированы основные узлы тележки. Произведен расчет характеристик
рессорного подвешивания, определен требуемый коэффициент относительного трения
фрикционного гасителя колебаний. Спроектирован фрикционный гаситель колебаний,
определены усилия, действующие на колесную пару в кривой пути. Выполнен расчет
на прочность боковой рамы тележки на вертикальные нагрузки.
Список
использованных источников
1.
Смольянинов А.В. Конструирование и расчет вагонов. Методические рекомендации по
выполнению практических занятий для студентов специальности 190302 «ВАГОНЫ»
механического и заочного факультетов. - Екатеринбург, УрГУПС, 2004. - 59 с.;
.
Конструирование и расчет вагонов: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / В.В.Лукин,
Л.А. Шадур, В.Н. Котуранов, А.А.Хохлов, П.С.Анисимов.; Под. ред. В.В.Лукина.
М.: УМК МПС России, 2000. 731 с.;
. В.Ф.
Лапшин, А.Э. Павлюков, О.В. Черепов, Компьютерные технологии проектирования и
расчета вагонов: Учебное пособие. - Екатеринбург, УрГУПС, 2003. - 108 с.;
. Сенаторов С.А.
Расчет рам тележек вагонов с использованием ЭВМ «НАИРИ» часть 1. Руководство к
курсовому и дипломному проектированию. Свердловск, УЭМИИТ, 1979. - 48 с.;
. Габарит
приближения строений и подвижного состава, железных дорог колеи 1520 (1524) мм,
ГОСТ 9238 - 83.
. Н. С.
Бачурин, К.М. Колясов, О.В. Черепов. Ходовые части грузовых и пассажирских
вагонов: Учебно-методическое пособие для студентов специальности 190302
«Вагоны».- Екатеринбург, 2007
. Нормы для
расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм
(несамоходных), ГосНИИВ - ВНИИЖТ, М., 1996.