Силы, действующие на колесную пару
Определение коэффициента тары и расчёт грузоподъёмности вагона
Основным параметром вагона, принадлежащим одновременно к важнейшим параметрам железнодорожного транспорта является грузоподъёмность вагона.
Одним из факторов, определяющих величину грузоподъёмности вагона считается допускаемая осевая нагрузка Ро, которая определяется исходя из мощности пути и экономичности его содержания. Для наиболее распространенных типов вагонов осевая нагрузка в настоящее время ограничена величиной 228 кН. Как показали исследования для основных типов грузовых вагонов (цистерн, полувагонов и вагонов-хопперов) указанная норма осевой нагрузки целесообразна и на перспективу, т.к. повышение осевых нагрузок вызывает значительное увеличение затрат на содержание пути и путевого хозяйства.
Связь между осевой нагрузкой и грузоподъёмностью вагона выражается зависимостью:
, (2.4)
где Р0 –допускаемая осевая нагрузка, кН (т/ось);
m0 –количество колёсных пар в вагоне;
Кт –технический коэффициент тары;
=66 То есть, неравенство выполнено!
Определение геометрического объёма кузова и ориентировочных значений основных линейных размеров вагона
Зная удельный объём V у и грузоподъёмность вагона можно определить геометрический объём кузова V по формуле:
V=Р·Vу, (2.5)
|
|
|
V=65,54*2=131м3.
Внутренняя длина полувагонов находится из выражения
, (2.6)
где Fк – площадь поперечного сечения кузова, заполняемого грузом, м2.
Fк равна произведению ширины и высоты кузова вагона:
Fк = 8,67м2.
Наружная длина кузова 2L, совпадающая у большинства конструкций вагонов с длиной рамы 2LР , определяется по формуле :
2L=2LB+2аТ, (2.7)
где аТ - толщина торцовой стены кузова (0,013м)
2L= 15,2 + 2*0,013 = 15,146м
Наружная ширина кузова
2В=2ВВ+2аб, (2.8)
где аб – толщина боковой стены(0,24)
2ВВ – внуттренняя ширина (2,76м)
2В = 2,77 + 2*0,24= 3100мм = 3.259 м
Общая длина вагона определяется по формуле
2L0=2LP+2аа, (2.9)
где аа – вылет автосцепки, т.е. расстояние от оси сцепления до концевой балки (0,6)
|
|
|
2Lo = 15,146 + 2*0,6 = 16,4м
База вагона может быть определена из выражения: 
, (2.10)
Где: 
- соотношение между длиной рамы и базой вагона, при котором горизонтальные смещения концов кузова наружу кривой и его середины в сторону центра последней при прохождении вагоном криволинейных участков пути приблизительно одинаковы.
Длина консольной части вагона
. (2.11)
3. Выбор габарита подвижного состава. Вписывание в габарит кузов 
а проектируемого вагона.
Габаритом подвижного состава называется поперечное (перпендикулярное оси пути) очертание, в котором, не выходя наружу, должен помещаться установленный на прямом горизонтальном пути (при наиболее неблагоприятном положении в колее и отсутствии боковых наклонений на рессорах и динамических колебаний) как в порожнем, так и в нагруженном состоянии не только новый подвижной состав, но и подвижной состав, имеющий максимально нормируемые износы.
Государственным стандартом «Габариты приближения строения и подвижного состава железных дорог колеи 1520 (1524) мм» (ГОСТ 9238-83) установлено две группы габаритов подвижного состава: первая – для подвижного состава, предназначенного к обращению только по железным дорогам «Стран содружества и Балтии» и МНР колеи 1520 (1524) мм (габариты Т, Тц, Тпр и 1-Т); вторая - для подвижного состава, допускаемого к обращению как по железным дорогам колеи 1520 (1524) мм, так и по зарубежным железным дорогам колеи 1435 мм [габариты I –ВМ (0-Т), 0-ВМ (01-Т), 02-ВМ (02-Т) и 03-ВМ (03-Т)].
|
|
|
Основные положения
Под вписыванием кузова вагона в габарит понимается определение допускаемых в данном габарите строительных размеров соответствующих частей проектируемой единицы подвижного состава.
В качестве горизонтальных ограничений следует принимать величину возможных поперечных смещений данной части подвижного состава из центрального ее положения относительно оси пути вследствие наибольших допускаемых зазоров и износов деталей ходовых частей и геометрических выносов в расчетной кривой, не компенсированных соответствующим уширением габарита приближения строений или расстояния между осями путей.
Величина горизонтальных ограничений зависит от места расположения по длине подвижного состава рассматриваемого поперечного сечения. Расчетные формулы горизонтальных ограничений устанавливаются для следующих видов поперечных сечений: направляющих, внутренних и наружных.
|
|
|
В качестве направляющих сечений принимаются сечения по оси пятников кузова.
К внутренним поперечным сечениям относятся все сечения, расположенные между направляющими (в пределах базы подвижного состава). К наружным поперечным сечениям относятся все сечения, расположенные снаружи направляющих (за пределами базы). Базой подвижного состава называется расстояние между направляющими сечениями.
При проектировании вагона его номинальные размеры должны приниматься в пределах проектного очертания.
При изготовлении или выпуске отремонтированного вагона с завода его фактические размеры не должны превышать размеры соответствующего строительного очертания.
Габарит 1-ВМ
3.2. Определение горизонтальных ограничений
Вписывание верхней части вагона в габарит 1-ВМ
Определим горизонтальные поперечные размеры строительного очертания вагона.
Максимально допускаемая ширина вагона определяется по формуле:
где 
- полуширина габаритной рамки габарита 1-ВМ (1530мм)
- конструктивно-технологические отклонения, допускаемые при постройке вагона в горизонтальной плоскости.
Определение ограничений определяется по формулам:
,
,
,
где: 
=1520мм - максимальная полуширина колеи в кривой расчетного радиуса, мм;
=1489мм - половина минимального расстояния между наружными гранями предельно изношенных гребней ободов колес;
q=3 - наибольшее возможное поперечное перемещения в направляющем сечении рамы тележки относительно колесной пары вследствие наличия зазоров при максимальных износах в буксовом узле и узле сочленения рамы тележки с буксой, мм;
=28 - наибольшее возможное поперечное перемещения в направляющем сечении кузова относительно рамы тележки вследствие зазоров при максимальных износах и упругих колебаний в узле сочленения кузова и рамы тележки, мм;
- база тележки, 
;
- база вагона 10,74 м;
k, k 1 , k 2 , k 3 –принимаются по таблице 3.1.
Таблица 3.1.
Значения коэффицентов [2]
| Габарит | Точки габарита | k , мм | k1 ,мм | k2 ,мм/м2 | k3, мм | |
| Т , Тц , Тпр , I –Т, I -ВМ | Все точки | 0 |
0,625р2 | 2,5 | 180 | |
| 0 -ВМ | I - I I | 75 |
0,5 р2
|
2 |
0
| |
| Остальные точки | 25 | |||||
| 02 –ВМ | I-8 | 75 | ||||
| 03 -ВМ | I-5 | 75 | ||||
| Примечание: р – база тележки, м; При проектировании вагонов на четырехосных тележках с базой р1; составленных из двух 2-осных тележек с базой р2 , вместо величины р2 подставляется сумма (р21 +р22). | ||||||
E0= 1520-1489+3+28+(0.625*1.85-180)=65,2мм
EB= 1520-1489+3+28+[2,5*(10,74–5,37)*5,37+1,156 – 180]= 157,9 мм
EB= (1520-1489+3+28)*(10,74+2*2,203)/10,74+[2,5*(10,74–2,203)*2,203-1,156 – 180]=167,2мм
2B = 2*(1530 – 65,2) = 2929 мм
2B = 2*(1530 – 157,9) = 2744 мм
2B = 2*(1530 – 167,2) = 2725 мм
4. Уточнённый расчёт оси колёсной пары вагона на прочность 
Колесная пара является одной из главных ответственных частей вагона и испытывает воздействие почти всех нагрузок, действующих на вагон. Ось колесной пары работает в режиме знакопеременных деформаций, число циклов за срок службы весьма велико, а нагруженность носит вероятностный характер. При этом установлено, что механические свойства материала с течением времени также изменяются.
По нормам расчетов на прочность и проектирования вагонов рекомендуется расчет оси колесной пары производить уточненным методом с учетом не стационарности режима ее нагружения. В качестве критерия оценки прочности по этому методу расчета принимается величина коэффициента запаса прочности оси по отношению к пределу усталости в пяти расчетных сечениях.
Для расчета прочности колесной пары, как и любой другой части вагона, необходимо: определить действующие на нее силы; установить возникающие в ее элементах напряжения; оценить прочность и долговечность рассматриваемой конструкции.
Выбор типа оси колесной пары (таблица 4.1.) [1]
В расчетах принимаю тип оси РУ1Ш. Конструкция оси на торцах четыре резьбовых отверстия (резьба М20) для крепления приставной шайбы болтами. Ось при этом получается короче, а ее стоимость уменьшается. Ось используется на всех грузовых и пассажирских вагонов постройки с 1979г.
Силы, действующие на колесную пару
Рис.4.2. Схема сил, действующих на колесную пару.
4.1.1. Вертикальная статическая нагрузка, приложенная к шейке оси
, (4.6)
где 
- коэффициент использования грузоподъемности вагона, =0,9 – для грузовых, изотермических вагонов; РБР - вес вагона брутто; n - число осей в вагоне; Ркп – вес колесной пары без букс (условно принимаем = 1200кг); Рш – вес консольной части оси (от торца оси до плоскости круга катания колеса);
Формула (4.6) включает в нагрузку, приходящуюся на шейку оси, часть веса оси колесной пары и учитывает неполное использование грузоподъёмности при эксплуатации вагонов.
4.1.2.Вертикальная динамическая сила от колебаний кузова на рессорах
РД=РСТ × КДВ, (4.7)
где КДВ –коэффициент вертикальной динамики;
КДВ= В (А+В 
), (4.8)
где В- величина, зависящая от осности тележки, В= 1,0 – для 4-х осных грузовых и изотермических вагонов.
А- величина, зависящая от гибкости рессорного подвешивания вагона.
, (4.9)
где 
- статический прогиб рессорного подвешивания; В – величина, зависящая от типа вагона. В = 5,94×10-4 для грузовых вагонов. В = 4,15×10-4- для изотермических вагонов; V - расчётная скорость вагона. Для осей грузовых вагонов по ГОСТ 22780-77 принимать V= 25 м/с (90 км/ч)
А = 8.125(0.049 – 0.0463) = 0.03
КДВ = 1.0(0.03 + 5.94*10-4* 
) = 0.327
РД = 102т*0.327 =33 кН
4.1.3. Вертикальная нагрузка от центробежной силы в кривых
, (4.10)
где g – ускорение свободного падения; 
- допустимое непогашенное ускорение в кривой = 0.07g; hЦ - высота центра тяжести полностью загруженного вагона за вычетом веса колесных пар от уровня осей колесных пар, в предварительных расчетах можно принимать hЦ = 1,8 м; 2b2- расстояние между линиями приложения вертикальной силы к шейкам оси.
По рисунку 4.2. и по таблице 4.1 мы видим что 2b2 = 2036мм
4.1.4. Вертикальная нагрузка от силы ветра
, (4.11)
где 
- удельное давление ветра на боковую поверхность вагона, 
= 500 н/м2;
F- площадь проекции боковой поверхности кузова вагона на вертикальную продольную плоскость (25,07 м2 )
hB – расстояние от уровня осей колесных пар до места приложения равнодействующей ветровой силы.
Где А – высота автосцепки от уровня головок рельсов.
rk – радиус колеса.
h – высота кузова.
4.1.5. Расчетная суммарная вертикальная сила на наиболее нагруженную шейку оси при движении вагона по кривым участкам пути складывается из вертикальной статической нагрузки, вертикальной динамической силы от колебаний кузова на рессорах, вертикальной нагрузки от центробежной силы в кривых и вертикальной нагрузки от силы ветра:
Р1=Рст+РД+Ркц+РВ. (4.12)
Р1 = 76200+33000+4700+1585=115кН
4.1.6. Расчетная суммарная вертикальная сила на менее нагруженную (правую) шейку оси:
Р2= Рст –Ркц – Рв, (4.13)
Р2 = 76200-4700-1585=69,9кН
В формулу (4.13) Рд не включают, т.к. учитывая несимметричность колебаний, вертикальную динамическую нагрузку считают приложенной к одной шейке, а на другой ее принимают равной нулю.
Кроме сил Р1 и Р2 на шейки оси действуют вертикальные нагрузки от сил инерции необрессоренных масс, линии действия которых могут не совпадать с линиями действия сил Р1, Р2.
4.1.7. Вертикальная инерционная сила, действующая на наиболее нагруженную шейку оси
РН1 = 
, (4.14)
где 
- масса необрессоренных частей, опирающихся на шейку оси, включая ее собственную массу; 
- ускорение левого буксового узла,
, (4.15)
где mБ– масса буксы; mш- масса консольной части оси; mр –масса половины боковой рамы тележки грузового вагона.
mƩ = 107кг + 50кг + 185кг = 342кг
Для определения ускорения левого буксового узла на основе обработки экспериментальных данных и результатов теоретических исследований рекомендуется формула
, (4.16)
где D – коэффициент, зависящий от типа вагона и скорости движения, для грузовых вагонов при 
= 14-33 м/с и для изотермических при 
=14-39 м/с , D=129; mнк- масса необрессоренных частей, приходящаяся от колеса на рельс
, (4.17)
m нк – масса колесной пары без букс.
РН1 = 342кг*171м/с2 = 58.5кН.
Для определения места приложения нагрузки РН1 находим координату ХС центра тяжести деталей, составляющих необрессоренную массу .
Для принимаемого здесь линейного изменения ускорений по длине оси ускорение правого буксового узла 
, ускорение левого колеса 
и ускорение средней части 
можно определить из геометрии колесной пары
, (4.18)
, (4.19)
, (4.20)
где 
- расстояние от центра тяжести буксового узла до плоскости круга катания, обычно принимают равным расстоянию от середины шейки оси до плоскости круга катания
l3 = Xc2 = Xc3 = (2b2 – 2S)/2 = (2036мм – 1580 мм) = 228мм.
= 21.6м/с2.
= 149.4 м/с2.
= 85.5 м/с2.
4.1.8. Вертикальная инерционная нагрузка на правую шейку оси
, (4.21)
Рн2 = 342кг*21,6м/с2 = 7кН
4.1.9. Вертикальная инерционная нагрузка от левого колеса на рельс
, (4.22)
где mK – масса колеса. Принимаем равной 385кг.
Рнк = 385кг*149,4м/с2 = 57,5кН
4.1.10. Вертикальная инерционная нагрузка на среднюю часть оси
, (4.23)
mc- масса средней части оси между кругами катания колес (0,5*300=150кг
Сила инерции средней части оси выражается равнодействующей инерционных сил, принимаемых распределенным по длине оси по линейному закону. Равнодействующая сила прикладывается в центре тяжести треугольник инерционных сил, т.е. на расстоянии 
от плоскости круга катания левого колеса.
4.1.11. Рамная сила
, (4.24)
где КГ - коэффициент горизонтальной динамики;
, (4.25)
где 
- величина, зависящая от гибкости рессорного подвешивания 
-для грузовых вагонов.
Кг = 1*1*10-3(38+3.82*25м/с) = 0.13
Таблица 4.3.
| № | Наименование элемента | Расстояние от плоскости круга катания до центра тяжести элемента, хс i | Масса, mi |
| 1 | Консольная часть оси | 0.149 | 50 |
| 2 | Буксовый узел | 0.228 | 107 |
| 3 | Половина боковой рамы тележки грузового вагона | 0.228 | 185 |
Тем же методом что находили Хс1 находим значение Хс:
Хс=(50*0.149м+107кг*0.228м+185кг*0.228м)/ (50+107+185)=0.216м
4.1.12. Вертикальная реакция рельса на левое колесо от суммарной расчетной нагрузки определяется из условия равновесия:
, см. расчётную схему [2], [6]
, (4.26)
где 
- радиус колеса; 
- радиус шейки оси.
=271 кНм
4.1.13. Вертикальная реакция рельса на правое колесо от суммарной расчетной нагрузки определяется из условия 
. (4.27)
=44,5кНм
4.1.14. Поперечная составляющая силы трения правого колеса о рельс
, (4.28)
где m - коэффициент трения при скольжении колеса по рельсу в поперечном направлении = 0.25.
Н2 = 0.25*44,5кНм = 11,125кНм
4.1.15. Боковая сила, приложенная к колесу, движущемуся по наружному рельсу кривой.
Н1=Н+Н2. (4.29)
Н1 = 30+11,1 = 41,1кН
Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 422; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!