Курсовой проект. механическая часть электроподвижного состава

• Название: механическая часть электроподвижного состава
• Дата: 21.05.2023
• Размер: 179.67 Kb.
• Имя файла: Курсовой проект.docx
• Тип: Документы; #1148658

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (РУТ (МИИТ)»
Кафедра «Тяговый подвижной состав»
Факультет: «Электрический транспорт железных дорог»

К У Р С О В О Й П Р О Е К Т

по дисциплине

«МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА»

(отметка о зачете)


Рецензент: Капустина Е.П. Студент: Соколов А.К.
(Фамилия И.О.) (Фамилия И.О.)

Шифр: 1540-цПСс-0090

Подпись Подпись

Дата Дата

Москва 2020 г.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Расчет на статическую и усталостную прочность рамы тележки

Изучить конструкцию рамы тележки и построить расчетную схему для последующих прочностных расчетов. Необходимо ознакомиться с чертежами в учебниках и инструкционных книгах, внимательно рассмотреть тележки тягового подвижного состава по месту работы или в ближайших депо. Для прилагаемого чертежа унифицированной тележки грузового электровоза построить расчетную схему.
База тележки…………………………………2а=3,15 м.

Нагрузка на ось……………………………….2П_ст=250 кН

Тип тягового электродвигателя……………...НБ418К

Вес тягового двигателя……………………….Р_д=43,5кН.

Толщина листов боковины рамы:

Стенки…………………………………………b₁=12 мм.

Полки…………………………………………..b₂=10 мм.

Накладки……………………………………….b₃=18 мм .

Жесткость:

Листовой рессоры……………………………..Ж_р=1200 кН/м.

Пружины……………………………………….Ж_пр=2200 кН/м

Радиус кривой……………………………….…ρ=300 м.

Возвышение наружного рельса в крив.………h=100 мм.
Таблица 1. Вероятность эксплуатации локомотива р_i, с различными средне интервальными скоростями

i – номер интервала	1	2	3	4	5
Интервал, км/ч	0..20	20...40	40..60	60...80	80..100
Средняя скорость, км/ч	10	30	50	70	90
pi	0,05	0,2	0,6	0,1	0,05

1. Стержневая система рамы тележки

Рамы тележек представляем, как пространственную систему, состоящую из стержней, оси которых проходят через центры тяжести площадей. локомотив двигатель

Рисунок 1 - Расчетная схема двухосной рамы тележки

Из чертежа двухосной рамы тележки (рис. 1.1) по расчетным осям элементов определим размеры расчетной схемы:

Определяем длину стержней:





Ширина рамы тележки:





Расстояние от оси шкворневой балки рамы до оси подвески тягового двигателя находим как:



_{Расстояние до осей шарниров рессорных подвесок:}





Расстояние до оси шарниров поводков буксы:



Расстояние от расчетной плоскости рамы до осей шарниров поводков буксы по оси z:





Расстояние до центра сферического шарнира шкворня:



Расстояние до осей кронштейна люльки.

2. 
   Характеристики среднего сечения боковины рамы
   

Для упрощения расчетов предположим, что поперечное сечение в заделке продольной балки будет состоять из вертикальных и горизонтальных листов.

Определим площади поперечных сечений элементов по формуле:



Где:

а - размер элемента по горизонтали, м;

b - размер элемента по вертикали, м.

Найдем площади для всех элементов.













Определим ординату центров тяжести плоских элементов относительно вспомогательной оси , м.











Определим статические моменты площади плоских элементов относительно оси , м³.













Определим ординату центра тяжести всего сечения:



Определим ординаты центров тяжести плоских элементов относительно нейтральных осей всего сечения, проходящих через его центр тяжести:













Рассчитаем произведение :












Рассчитаем моменты инерции каждого элемента относительно нейтральной оси y, по выражению
















Таблица 2. Расчет моментов инерции опасного сечения относительно оси у

№ п/п	Fi, м2	Z'i,м	Z'iFi,м3	Zi , м	Zi2 Fi, м4	J'yi, м4
1		0	0
2		0	0
3		0,195
4		-0,195
5		0,209
∑		-		-

Определим ординату y_i центров тяжести плоских элементов относительно вспомогательной оси , м.











Рассчитаем произведение :













Рассчитаем моменты инерции каждого элемента относительно нейтральной оси z, по выражению














где a_i - размер i элемента по горизонтали в метрах;

c_i - размер i элемента по вертикали в метрах.
Таблица 3. Расчет моментов инерции опасного сечения относительно оси z

№ п/п	Fi, м2	yi , м	yi2 Fi , м4	J'z, м4
1		-0,111
2		0,111
3		0	0
4		0	0
5		0	0
∑		-

Момент инерции всего сечения определяем относительно осей у и zпо выражению



Максимальные напряжения от вертикальных и горизонтальных изгибающих моментов будут в волокнах металла максимально удаленных от нейтральных осей сечения. Это точки 1 и 6. Моменты сопротивления изгибу вокруг горизонтальной оси у, для волокон проходящих через точки 1 и 6 определяем





где z₁ и у₁ - расстояния от рассматриваемых точек до центра тяжести





В остальных точках 2; 3; 4; 5 моменты сопротивления изгибу будут иметь большие значения, поэтому напряжения в них будут меньше.

3. Весовая нагрузка рамы тележки

Вертикальные силы веса, действующие на раму тележки, составляют

- собственный вес рамы;

- вес тормозного оборудования;

- вес подрессоренной части тягового двигателя;

- передачи и системы первичного подвешивания;

- части веса кузова, приходящиеся на тележку.

Величина реакций рессорных подвесок определяем в кН из условия



где

Р_нп - вес неподрессоренных частей, отнесенных к одной кп , кН

- нагрузка от оси на рельс

4 - четыре точки крепления;




Нагрузка от веса кузова, приходящаяся на одну тележку



где Р_т - вес одной тележки электровоза, кН

Распределённый вес нагрузки на длину балки



где

q – интенсивность равномерно распределенной нагрузки









Сосредоточенная нагрузка от веса кузова электровоза

4. Напряжение в опасном сечении рамы тележки от весовой нагрузки

Рассчитаем изгибающий момент в заделке и построим эпюру








Положительными считаются напряжения растяжения, отрицательными-сжатия.

Определим напряжение в нижней точке опасного сечения для точки 1:

5. 
   Расчетные режимы работы
   

Ориентировочно величина допустимой скорости движения в кривой без возвышения наружного рельса V_Д, км/ч, может быть рассчитана по эмпирической формуле:



Условие безопасности движения в кривой с возвышением будет соблюдаться в такой же мере, как в кривой без возвышения, если действующие системы сил будут одинаковы. Центробежная сила С в кривой без возвышения должна быть равной разности центробежной силы С_В в кривой с возвышением и поперечной составляющей от опорных реакций:



где:

h возвышение наружного рельса,

2s = 1,6 м. – расстояние между опорными точками колесной пары на рельсах.
Если и то

6. Силы, действующие на раму тележки, при движении электровоза в кривой

Полную систему сил, действующих на раму тележки, при движении в кривой можно рассмотреть, как состоящую из двух независимых систем.


Рисунок 6 - Схема действия сил на раму тележки при движении в кривой
Величина центробежной силы подрессоренных масс С_П в кН, отнесенной к одной тележке определяем для допустимой скорости V_Д для кривой без возвышения наружного рельса по формуле



где r - радиус кривой.

Перераспределение вертикальных реакций:


где h_c=2,2м - высота центра тяжести подрессоренных масс, относительно уровня головок рельсов;

b - половина ширины рамы тележки;

= 1,25м - расчетный диаметр колес по кругу катания.

Из этого уравнения определяем перегрузку R_c

• 
  точке подвески кузова на раму тележки передается в поперечном направлении центробежная сила от кузова С_к , распределенная на 4 подвески, и пары реакций 2R_ск на опрокидывающий момент от центробежной силы.
  

Величина центробежной силы от кузова:

Составим уравнение моментов относительно оси х:



Из этого уравнения определяют искомую перегрузку R_ск:

Горизонтальные реакции, приложенные к буксовым кронштейнам, принимаем равными между собой и определяем



Принудительный поворот тележки без качения колес приводит к проскальзыванию бандажей. Со стороны колесной пары на боковины рамы действуют силы и . Рамные силы рассчитываются для движения в кривой с допустимой скоростью при h=0.

α_i – угол между вектором силы трения на i колесе и поперечной осью координат. Для упрощения расчета без большой погрешности примем:

sin α₁=0,246,

sin α₂=0,969,

f – коэффициент трения скольжения колес относительно рельс примем 0,25,

s – половина расстояния между точками опоры колес на рельс, м.



Продольные усилия стремятся повернуть раму тележки в горизонтальной плоскости, этому препятствуют буксы, закрепленные на шейках осей колесных пар. В результате появляются поперечные горизонтальные реакции H_p, приложенные к буксовым направляющим. Велиbчина H_p рассчитывается из условия равновесия от действия этих сил и выражается уравнением

;

7. Напряжения в опасном сечении при движении локомотива в кривой

Система сил R_c, H_c, N_p, H_p, создает в заделке консоли два изгибающих момента: момент М_х действующий в вертикальной плоскости, и момент M_z действующий в горизонтальной плоскости.

Составим уравнения для определения изгибающих моментов в опасном сечении рамы относительно оси y.



6-5



5-4



4-3



3-2



2-1




6-5

5-4



4-2

2-1

Определим напряжение изгиба относительно оси y:





Таблица 3 Напряжения в расчетных точках 1 и 6, МПа

Точки сечения	1	6
Напряжение от изгиба относительно оси Y, σу	1,96	1,96
Напряжение от изгиба относительно оси Z, σz	14,69	-14,69
Суммарное напряжение σyz	16,65	-12,73

Суммарное напряжение в расчетных точках:

σ_уz1=σ_у1+σ_z1= 1,96 + 14,69 = 16,65 МПа

σ_уz6=σ_у6+σ_z6= 1,96 + -14,69 = -12,73 МПа

8. Силы, действующие на раму тележки при работе двигателей электровоза в тяговом режиме

На раму действуют силу тяги Р_д, которые передаются от колесных пар и букс через буксовые поводки. Сила тяги двух двигателей через шкворневую балку передается на раму кузова и далее на автосцепку. Одновременно на кронштейны подвески двигателей на раме тележки действуют силы от корпуса двигателя Р_дт.
Рассмотрим силу тяги F_Д по условию сцепления колес с рельсами при заданных скоростях движения (V=0, V_д=37,61 км/ч, V_дв=61.63 км/ч, V_к=110 км/ч) для электровозов переменного тока:










Одной из таких сил является Р_ДТ, действующая на подвеску ТЭД, определяется как



где Lд = 1,2 м расстояние от оси кп до оси шарнира подвески двигателя,

Fд - сила тяги одного двигателя









Для определения реактивной сил R_дт для левой части схемы составим расчетное выражение:

(

Режим		Силы				Момент		Напряжение
		Fд, кН	Pдт, кН	Rдт, кН	Му, кН/м		σF, МПа
Vтр	0	90	46,875	2,79	9,212		4,848
Vд	37,61	67,986	35,409	2,108	6,957		3,662
Vдв	61,63	63,138	32,884	1,957	6,463		3,402
Vк	110	54,908	28,635	1,705	5,611		2,953

9. Расчет напряжения в опасном сечении от системы сил, действующих в тяговом режиме

Запишем расчетное выражение для изгибающего момента в заделке и определим ее величину:










По значению момента вычислим напряжения в 1-й и 6-й точках сечения для V=0, V_д=37,61 км/ч, V_дв=61.63 км/ч, V_к=110 км/ч:

10. Напряжение от кососимметричной нагрузки рамы тележки

Из-за нарастающего возвышения наружного рельса, разности диаметров колесной пары, в раме тележки происходит перераспределение реакций, в результате чего рессорные комплекты будут иметь различные прогибы и различные реактивные усилия.

Для расчета кососимметрической составляющей R_к необходимо сначала рассчитать эквивалентную жесткость рессор одной колесной пары.

Комплект состоит из 4 параллельно работающих пружин с жесткостью ж_пр и двух параллельно действующих листовых рессор с жесткостью ж_р работающих последовательно с комплектом пружин.

, отсюда

кН/м.
Тогда реакция рессорных подвесок из расчета подъема набегающего колеса при входе в кривую при возвышении наружного рельса на h = Δh_k = 20 мм, реакция R_к будет:
кН.

где: Δh_к – расчетная высота подъема набегающего колеса при входе в кривую с учетом разности диаметров колес, конусообразности бандажей, неточности регулировки рессорного подвешивания, мм

Ж_э– жесткость рессорного подвешивания тележки, отнесенная к одной КП, кН/м.

Составим расчетное выражение изгибающего момента в точках 1 и 6

Напряжение от изгиба в точках 1 и 6 опасного сечения определяются:

11. Напряжения в опасном сечении рамы тележки от вертикальной динамической нагрузки

Эти напряжения определяем через силы, определяемые как сумма статических нагрузок с добавкой динамических сил.

Динамические силы определяем с помощью коэффициента динамики К_д, который зависит от статического прогиба рессорного подвешивания.

Статический прогиб рессорного подвешивания:

мм;

Коэффициент вертикальной динамики:









Напряжение от вертикальной динамической нагрузки (амплитудное значение) определяется по формуле:

12. Запас прочности в опасном сечении при наиболее неблагоприятных сочетаниях нагрузок

Рассмотрим одновременное действие различных нагрузок в их возможном сочетании и произведем алгебраическое суммирование напряжений для 6-ой точки сечения. По величине максимального результирующего напряжения определяется запас прочности и делается заключение о пригодности рамы тележки в эксплуатации. Тележка считается пригодной, если коэффициент запаса прочности не менее чем 1,7…2, то есть коэффициент запаса прочности по текучести металла



Расчет напряжений выполняем в табличной форме.
Таблица. Результирующие напряжения в опасном сечении

Виды нагрузки	Режим работы электровоза
	Скорость движения, V, км/ч
	0	37,61	61,63	110
Весовая	49,51	49,51	49,51	49,51
Тяговый режим	-	16,65	16,65	-
Вертикальная	4,848	3,662	3,402	2,953
Кососимметрическая	3,907	3,907	3,907	3,907
Динамическая	-	6,783	7,971	10,348
Результирующее напряжение	58,265	80,512	81,44	66,718

Согласно таблицы наиболее тяжелым режимом работы электровоза является движение со скоростью V_эксп = 61,63 км/ч с возвышением наружного рельса. Напряжение в 1 точке расчетного сечения будет максимальной при движении с конструктивной скоростью:

σ_max= 81,44 МПа

В этом случае в расчетной точке опасного сечения рамы



где σ_max = 240 МПа - предел текучести стали Ст 3

Коэффициент запаса прочности больше предела 1,7 …2, следовательно, рама пригодна к эксплуатации.

Заключение
В данном курсовом проекте, произведя расчеты и определив основные параметры рамы тележки, значения сил и моментов сил, действующих на неё в процессе движения с различными скоростями, а также напряжения в опасном сечении, можно сделать следующие выводы:

- движение со средней эксплуатационной скоростью, равной 61,63 км/ч с возвышением наружного рельса, является наиболее тяжелым режимом работы электровоза;

- коэффициент запаса прочности по текучести металла (1,7 ≥n_m ≤ 2), превышает заданные границы. Рама является пригодной в эксплуатации.

- коэффициент запаса усталостной прочности удовлетворяет условиям пригодности рамы в эксплуатации, так как элементы рамы, подвергающиеся переменному асимметрическому напряжению должны иметь дополнительный запас прочности из-за наличия концентраторов напряжения и ряда других причин.


Список используемых источников

1. 
   Медель В. Б. «Подвижной состав электрических железных дорог. Конструкция и динамика». Учебник для институтов ж.-д. трансп.- М.: Транспорт, 1974. – 232 с.
   
2. 
   «Механическая часть тягового подвижного состава». Учебник для ВУЗов ж.-д. трансп.- /И. В. Бирюков. и др.; Под редакцией И. В. Бирюкова. М.: Транспорт, 1992. - 440 с.
   
3. 
   Медель В.Б. Проектирование механической части электроподвижного состава. М., «Транспорт», 1964. 423 с.
   

4. «Механическая часть локомотивов» задание на курсовой проект с методическими указаниями.