Расчет рамы тележки локомотива

1. Определение расстояния между колесными парами и составление эскиза рамы тележки

Приступая к расчетной части проекта, необходимо определить основные размеры рамы тележки. Прежде всего, при проектировании электровозных тележек должны быть учтены требования вписывания в габарит очертания подвижного состава для локомотивов (1T ГОСТ9238–83). Назначая основные размеры рамы тележки, необходимо стремиться к уменьшению расстояния между колесными парами с целью сокращения стоимости механической части, уменьшения жесткой базы и облегчения вписывания в кривые. Расстояние между колесными парами назначается по конструктивным соображениям; оно зависит от осевой формулы и принятого способа передачи вращающего момента от тягового двигателя к колесным парам.
При назначении расстояния между колесными парами электровозов и электросекций следует иметь в виду, что междурамные крепления располагаются таким образом, чтобы к ним при необходимости можно было бы подвесить тяговый двигатель.
При индивидуальном приводе уменьшение расстояния между колесными парами и соответствующее снижение веса тележки значительно снижает момент инерции тележки относительно вертикальной оси, проходящей через шкворень. В меньшей мере это имеет место при групповом приводе (мономоторные тележки). Уменьшение момента инерции тележки снижает боковые воздействия на путь при ударах колесных пар при дефектах пути в плане. Особенно это имеет значение при движении в кривых, когда колесные пары в течение всего времени движения гребнем касаются головки рельса. Снижение момента инерции сказывается и на уменьшении кинетической энергии при вилянии тележек, вызывающей также боковые удары о рельс. Кинетическая энергия пропорциональна произведению момента инерции на квадрат частоты виляния. Таким образом, уменьшение расстояния между колесными парами, то есть уменьшение базы тележки, снижает момент инерции, но, с другой стороны, увеличивает частоту виляния.
Проектирование следует начинать с выбора минимального расстояния между колесными парами. Для этого вычерчиваются габаритные размеры колёсно-моторного блока по габаритам выбранного тягового двигателя и заданного диаметра колес по кругу катания с соблюдением габарита между низом двигателя и уровнем головок рельсов. Диаметры колес выбираются по установленным ГОСТом размерам бандажей и колес. Расстояние между колесными парами определяется габаритами колесно-моторных блоков, сечениями поперечных балок и их очертанием в плане. Таким образом, составить эскиз тележки (вид сверху и вид сбоку) означает подобрать основные геометрические размеры тележки.

2. Установление основных размеров тележки

На рис. представлена рама тележки с опорно-осевым подвешиванием с указанием основных размеров.

Основными размерами тележки являются:
а, а- расстояние между осями движущихся колесных пар;

а = Д+k + b + d + Д/2 = 1,105 + 0,15 + 0,7+0,06+0,625 = 2,64 м.
а= Д+ k + b + d + Д/2 = 1,105+0,15+0,15+0,06+0,625=2,09 м.
a + a= 2,64+2,09=4,73 м.

b – ориентировочные размеры ширины концевых поперечных креплений рамы; b= 0,15 м.
e – расстояние от оси колесной пары до торца поперечной балки рамы;
Д – диаметр ведущего колеса; Д= 1,25 м.
b – ширина поперечной балки (в месте примыкания к боковине); b= 0,15 м.
b – ширина шкворневой балки; b=0,7 м.
Основные конструктивные размеры тяговых двигателей эксплуатируемых электровозов определяются на основании данных, приведенных в справочной литературе.
Выбранный двигатель: НБ 412
Д – наружный диаметр остова тягового двигателя. Д= 1,105 м, масса – 5000 кг
k – длина опорных лап тяговых двигателей; k = 0,15 м.
Используя эти данные, найдем общую длину тележки:

А = b + d + Д/2 = 0,15 + 0,06 + 0.625 = 0,835 м.
Б = Д+ k+ b = 1.105+0.15+0.15=1,405 м.
L= А + а+ а + Б = 0.835+2.64+2.09+1.405=6,97 м.

3. Составление весовой ведомости

На основании весовой ведомости определяется нагрузка, действующая на раму тележки, с учетом которой выполняется проектирование и расчет рессорного подвешивания, а также прочностной расчет рамы. Составление весовой ведомости – заключается в установлении веса отдельных элементов и всей тележки в целом, а также веса кузова. Вес рамы тележки подсчитывается по ее отдельным узлам и складывается из веса:
– рамы тележки
– рессорного подвешивания;
– тормозного оборудования;
– колесных пар;
– тяговых двигателей;
– тяговой передачи.
Нагрузки колесных пар на рельсы принимаются для всех колесных пар одинаковыми.
Составление весовой ведомости электровоза преследует цель увязать конструктивный вес с заданной нагрузкой колесных пар на рельсы.
Весовая ведомость составляется упрощенно, т.е. вес мелких деталей учитывается с помощью равномерно распределенной по длине боковины нагрузки и суммируется с весом самой боковины. Вес мелких деталей, расположенных на поперечных балках, суммируется с их весом. Весовая ведомость электровоза с опорно-осевым подвешиванием представлена в таблице №1.

Таблица 1. Весовая ведомость электровоза с опорно-осевым подвешиванием
№	Наименование деталей	Число деталей на одну тележку, шт.	Вес одной детали, кН.	Вес деталей приходящийся на одну тележку, кН.	
1	Обрессоренный вес тележки, Pт			125	
1.1	Рама тележки			36	
1.1.1	Боковина рамы	2	10,15	20,3	
1.1.2	Шкворневая балка	1	8	8	
1.1.3	Поперечная балка	1	4	4	
1.1.4	Передняя концевая балка	1	1	1	
1.1.5	Задняя концевая балка	1	2,7	2,7	
1.2	Половина веса тягового двигателя	3	24,5	73,5	
1.3	Вес тормозного оборудования			15,5	
2	Необрессоренный вес тележки, Pт			194,5	
2.1	Колесная пара в сборе	3		105	
2.2	Рессорное подвешивание			16	
2.3	Половина веса тягового двигателя	3		73,5	
3	Полный вес тележки,
Pт = Pт+ Pт			319,5	
4	Вес электровоза, приходящийся на тележку,
P = P*N (N число осей тележки)			660	
5	Вес кузова электровоза, приходящийся на тележку,
P= P- Рт			340,5	
6	Обрессоренный вес электровоза, приходящийся на тележку,
P= Pт+ P			465,5	
7	Реакция в точке рессорного подвешивания электровоза R= P/N (N – число точек подвешивания рамы, приходящихся на тележку)			38,79	

4. Статическая развеска электровоза

Установив величины сосредоточенных и равномерно распределенных нагрузок, необходимо вычертить эскиз рамы и составить расчетную схему приложения нагрузок. При этом величины сосредоточенных нагрузок берутся из составленной ранее весовой ведомости. Эти нагрузки считаются приложенными в соответствующих точках или в центре тяжести соответствующих узлов. В первом приближении их можно считать сосредоточенными в геометрическом центре узла.
К сосредоточенным нагрузкам относятся:
– часть веса кузова, приходящаяся на одну тележку;
– вес средних поперечных балок;
– вес двигателя при опорно-осевом подвешивании;
– вес крайних поперечных балок рамы;
– вес рессорного подвешивания;
– вес тормозного оборудования
К равномерно распределенной нагрузке следует отнести вес боковины рамы тележки. Для проверки правильности составления расчетной схемы используют условие: сумма всех обрессоренных и необрессоренных нагрузок на вертикальную ось симметрии тележки должна быть равна 0.

Если это условие не выполняется, значит, допущена ошибка и необходимо проверить определение веса кузова и расчетную схему нагрузок.
На рис. 4 приведена расчетная схема рамы трехосной тележки.

P- вес кузова электровоза, приходящийся на тележку;
P- вес передней концевой балки тележки электровоза;
P- вес шкворневой балки;
P- вес поперечной балки;
P- вес задней концевой балки;
P- вес тягового двигателя;
P – вес тормозного оборудования;
R – реактивные усилия, возникающие в точках крепления к раме тележки пружин и балансиров;
q – распределённая нагрузка;

= 6,97–0,15= 6,82 м.
q= P/ =10,15 /6,82=1,488 кН/м.

1+8+73,5+4+15,5+2,7+340,5+2*1,488*6,82–12*38,79=0
Данное условие выполнено.

рис.5

Сущность развески заключается в том, чтобы на основании уравнений равновесия тележки электровоза определить место нахождения дополнительных опор кузова, обеспечивающее проектное распределение нагрузок на колесные пары.
При составлении уравнения равновесия все усилия, действующие на раму, разносятся на две боковины, т.е. на каждую боковину приходится половина веса концевых и поперечных балок, половина веса кузова приходящегося на тележку.

; ; ; 

При выполнении статической развески электровоза необходимо выполнение условия, которое определяет равенство нулю моментов всех сил и реакций относительно произвольно выбранной точки А.
В общем случае уравнение суммы моментов относительно точки А имеет вид:

м.
м.
м.
м.
м.
м.
 м.
м.
м.

Расстояние до первой боковой опоры равно =1,637 м.
Расстояние до второй боковой опоры равно +2,35=3,987 м.

5. Проектирование и расчет жесткости элементов рессорного подвешивания
локомотив тележка жесткость рама
Согласно «Техническим требованиям к проектируемым локомотивам по условиям прочности, динамики и воздействия на путь», поездные и грузовые локомотивы должны иметь две ступени подвешивания. При этом общий статический прогиб рессорного подвешивания должен быть для пассажирских локомотивов не менее 0,14 м и для грузовых не менее 0,1 м.
В зависимости от назначения электровоза (грузовой, пассажирский, высокоскоростной) решаются вопросы гибкости рессорного подвешивания, распределения гибкости в каждой ступени.
По числу пружин, приходящихся на точку передачи усилия, следует различать одинарное и двойное подвешивание.
Первая ступень подвешивания электровозов (буксовое подвешивание) состоит, как правило, из рессор и пружин, рессор, пружин и балансиров, пружин и гидравлических гасителей.
Для уменьшения изменения нагрузок при прохождении колесами неровностей пути рессорное подвешивание должно быть достаточно гибким. Листовые рессоры или гидравлические гасители должны обеспечивать достаточное трение для того, чтобы поглощать энергию колебаний надрессорного строения и способствовать этим затуханию колебаний. Если принятая система рессорного подвешивания включает рессоры и пружины, то сначала рассчитывается отдельно жесткость пружин, затем жесткость рессор и только потом определяется эквивалентная жесткость подвешивания на колесо, если система не имеет балансиров, или на сторону, если система сбалансирована.
Выбор типа рессорного подвешивания электровозов связан с выбором типа опор кузова по условию обеспечения устойчивости тележки.
Для двухосных тележек применяется независимое (несбалансированное) комбинированное (в виде рессор с пружинами) подвешивание тележки (электровоз ВЛ80), или подвешивание из рессор с резиновыми пакетами по концам (тележки электровозов ЧС1 и ЧС3). Для скоростных электровозов рекомендуется пружинное подвешивание с гидравлическими гасителями колебаний.
Сбалансированное подвешивание трехосных тележек выполняется комбинированием рессор с пружинам; причем у грузовых электровозов пружины располагаются только по концам сбалансированной системы (электровоз ВЛ60), у пассажирских же пружины располагаются по концам каждой рессоры (электровозы ЧС2).
У трехосных тележек скоростных электровозов сбалансирование рессор или пружин, как правило, не выполняется, так как при высоких скоростях движения выравнивание нагрузок колес балансирами не эффективно. Однако следует иметь ввиду, что сбалансирование обеспечивает сохранение статического распределения нагрузок и не требует проверки на весах нагрузок колес на рельсы на случай возможной просадки рессор или пружин.
Вторичное рессорное подвешивание электровозов выполняется с применением люлек с продольными рессорами и со скользящими опорами на них (электровозы серии ЧС1, ЧС2) или со скользящими пружинными опорами (электровозы ЧС-4 и ВЛ10 до №1297).
В последнее время применяется люлечное подвешивание, которое предназначено для передачи вертикальных и поперечных сил от кузова на тележку (электровозы ВЛ80, ВЛ85, ВЛ65).
Для гашения вертикальных колебаний упругое подвешивание должно иметь соответствующее демпфирование. Для уменьшения виляния локомотива следует применить демпфирование между кузовом и тележками в горизонтальной плоскости.
В ходе расчетов в соответствии с заданием выполняется распределение статического прогиба между ступенями рессорного подвешивания, причем , а

:

где - суммарный статический прогиб системы рессорного подвешивания, м;
- статический прогиб первой ступени, м;
- статический прогиб второй ступени, м.
Основной характеристикой рессор и пружин является их жесткость. При последовательном соединении рессор и пружин в первой ступени рессорного подвешивания fст распределяется между пружинами и рессорами, причем

где  – статический прогиб пружины в первой ступени подвешивания, м;
Жесткость пружины в этом случае определяется по формуле:

где - жесткость одной пружины, кН;

 кН

где  – статическая нагрузка, приходящаяся на одну пружину, кН;
- число пружин на тележке.
Жесткость пружин второй ступени подвешивания определяется по формуле:

ж = , где Р – вес кузова, приходящийся на тележку, кН;

ж- жесткость пружин в кузовном подвешивании электровоза, кН.
nк – число пружин в кузовном подвешивании тележку;

ж = 

6. Расчет эквивалентной жесткости первой и второй ступеней подвешивания

Для последующего расчета динамических параметров проектируемой системы при построении расчетных схем, как правило, жесткость отдельных рессор и пружин заменяется эквивалентной жесткостью подвешивания, приходящейся на колесо, на колесную пару, на сторону или на тележку.
Жесткость эквивалентной пружины, приходящейся на колесо и заменяющей две параллельно включенные пружины трёхосной тележки с несбалансированным рессорным подвешиванием.

Так как в рессорном подвешивании трёхосной тележки работают шесть групп комплектов, содержащих по две пружины то суммарная эквивалентная жесткость рессорного подвешивания тележки

; 

Эквивалентная жесткость второй ступени подвешивания определяется из суммы гибкостей соответствующего заданию числа параллельно включенных пружин кузовного подвешивания:

, причем
= ,

где Р – вес кузова, приходящийся на тележку.

 =

Список литературы

1. Буйнова Н.П., Капустина Е.П. Механическая часть локомотивов: Методическое пособие. – Иркутск: ИрИИТ, 2001.
2. Дубровский З.М., Попов В.И., Тушканов Б.А. Грузовые электровозы переменного тока. – М.: Транспорт, 1991.
3. Справочник по электроподвижному составу. / Под ред. Л.И. Тищенко.-М.: Транспорт, 1976.-Т.1.
4. Механическая часть тягового подвижного состава. / Под ред. И.В. Бирюкова – М.: Транспорт, 1992.
5. Калинин В.К., Михайлов Н.М., Хлебников В.Н. Электроподвижной состав железных дорог. – М.: Транспорт, 1972.

Размещено на Allbest.ru