Конструкции и расчет механического оборудования электрического транспорта

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электрический транспорт»

КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

для студентов направления 140400 «Электроэнергетика и электротехника»,

профиль «Электрический транспорт» очной и заочной форм обучения

Составитель: Е.В. Шищенко

Самара



Задание

Рассчитать:

1. действия статических нагрузок с учетом вертикальной динамики на ось колесной пары;

2. действия боковых сил на ось колесной пары;

3. действия инерционных нагрузок при экстренном торможении на ось колесной пары;

4. действия дискового осевого тормоза с односторонним нажатием тормозных колодок на ось колесной пары;

5. действия суммарных нагрузок на ось колесной пары;

Построить:

1. Эскиз тележки;

2. Эпюру изгибающих и крутящих моментов оси;

2. Эпюру изгибающих моментов в расчетном сечении.

колесный пара торможение инерционный



1. Теоретическая часть

1.1 Расчет оси колесной пары на прочность

Расчет ведется для оси колесной пары с буксами внешнего расположения. В случае применения колесной пары с буксами внутреннего расположения методика расчета сохраняется, но изменяется расчетная схема приложения нагрузок, действующих на буксы.

1.1.1 Расчет оси колесной пары от действия статических нагрузок с учетом вертикальной динамики

На рис. 1,а показана схема действия статических сил на вагон и колесную пару. Статическая нагрузка состоит из веса тары вагона GT и пассажиров GПАСС при максимальной степени наполнения пассажирского салона

(1.1)

Нагрузка, приходящаяся на буксу (шейку оси колесной пары), определяется по формуле

(1.2)

где n0 - число осей ходовой части вагона;

G0 - вес колесной пары с буксами и редуктором;

К? - коэффициент вертикальной динамики.

Коэффициент вертикальной динамики может быть рассчитан по формуле



(1.3)

где а - коэффициент, равный 0,10 для обрессоренных частей тележки вагона и 0,15 для необрессоренных;

х - конструктивная скорость экипажа (75 км/ч для трамвая, 90 км/ч метрополитена);

fСТ - статический прогиб упругого подвешивания. Может быть принят от 14 до 19 см.

Максимальный изгибающий момент определяется по формуле

(1.4)

где а - расстояние от середины шейки оси до середины круга катания колеса.

Для трамвайных колесных пар с буксами внешнего и внутреннего расположения это расстояние около 150мм. Эпюра изгибающих моментов представлена на рис. 1,б.



1.1.2 Расчет оси колесной пары от действия боковых сил

Суммарная боковая сила, действующая на вагон от центробежных и ветровых нагрузок, в расчете может быть принята равной

(1.5)

где G - полный вес вагона при максимальном расчетном наполнении пассажирами.

Суммарная боковая сила прикладывается к центру тяжести вагона. Расчетная схема действия боковых нагрузок и реакций изображена на рис. 2,а.

Боковая сила, приходящаяся на колесную пару, равна



(1.6)

где кН - коэффициент, учитывающий увеличение нагрузки на ось за счет трения между ребордой колеса и головкой рельса при вписывании вагона в кривую. В расчете кН принимается равным 1,2.

Нагрузка на буксу определяется по формуле

(1.7)

где lP - расстояние между центрами оси шеек осей;

h0 - расстояние от центра тяжести вагона до оси.

Изгибающий момент Му возникает вследствие того, что сила Нґбо уравновешивающая ее реакция Y лежат в разных плоскостях. Максимальный момент при этом равен

(1.8)

Деформацией сжатия оси за малостью пренебрегаем.

1.1.3 Расчет оси от действия инерционных нагрузок при экстренном торможении

В результате экстренного торможения колесная пара получает дополнительную вертикальную и горизонтальную нагрузку за счет инерционных сил, действующих на вагон (рис. 3).



Горизонтальные нагрузки колесной пары, связанные с действием инерционных сил, рассматриваются и учитываются в комплексе нагрузок колесной пары от действия тормозных сил. Вертикальные нагрузки колесной пары от действия инерционных сил связаны с перераспределением веса кузова между тележками и веса тележек между колесными парами благодаря тому, что центры тяжести кузова и тележек расположены выше плоскости осей колесных пар.

Инерционная сила от массы кузова определяется по формуле

(1.9)

где GK - вес кузова с пассажирами; GK=G-2·GТЕЛ;

G - полный вес вагона;

GТЕЛ - вес тележки;

dх?dt - замедление.

Замедление для вагонов, оборудованных рельсовым электромагнитным тормозом, можно принять равным 3ч3,5 м/с2.

Вертикальная нагрузка на шейку оси колесной пары от инерционных сил кузова составит

(1.10)

где hC - координата центра тяжести кузова вагона до плоскости пятников;

hT - расстояние от плоскости пятников до оси колесной пары;

nOT - число осей тележки;

Б - база вагона;

БТ - база тележки.

Шейки осей колесной пары будут догружаться также инерционными силами от массы тележки. Инерционная сила, действующая на тележку, может быть определена по формуле

(1.11)

Схема нагружения тележки представлена на рис. 3,б. Вертикальная составляющая, действующая на шейку оси от силы инерции тележки, равна

(1.12)

где hTґ - расстояние от центра тяжести тележки до плоскости осей колесных пар.

Суммарная нагрузка на шейку оси колесной пары от действия инерционных сил равна

(1.13)

Горизонтальная составляющая сил инерции реализуется за счет сил сцепления ТИ.

Расчетная схема и эпюра моментов от инерционных нагрузок изображены на рис. 3,в. Максимальный момент в вертикальной плоскости определяется аналогично формуле (1.4).

1.1.4 Расчет оси от действия механических тормозных устройств

Величина, место и направление действия сил на колесную пару при механическом торможении зависит от вида тормоза, применяемого на вагоне. Рассмотрим расчет оси при различных тормозных устройствах.

а) Колесно-колодочный тормоз с односторонним нажатием тормозных колодок

Схема действия сил изображена на рис. 4.

Здесь ХК - сила нажатия колодки на бандаж колеса; Х - реакция направляющих устройств в буксовом узле на силу нажатия;

ВТ - тормозная сила; ВК - реакция направляющих устройств на эту силу; ТК - сила трения между колодкой и колесом; ZK - реакция рельса на силу ТК; ВСЦ - сила сцепления колеса с рельсом; ВТґ - касательная тормозная сила.

Сила нажатия ХК определяется из формулы

(1.14)

где цК - коэффициент трения между колодкой и поверхностью качения колеса.

Так как ТК=ВК=ВСЦ, а сила сцепления может быть определена по формуле

(1.15) то (1.16)

где ш - коэффициент сцепления колеса с рельсом. В расчетах может быть принят равным 0,25ч0,3. Коэффициент трения цК для чугунных колодок может быть принят 0,2 для пластмассовых колодок - 0,28.

Эпюры изгибающих моментов оси от действия тормозных сил показаны на рис. 4.

Преобладающими будут изгибающие моменты от сил ХК. При колесно-колодочном тормозе с двусторонним нажатием, ось колесной пары будет подвергаться изгибу в горизонтальной плоскости только от тормозных сил ВТ, т.к. силы нажатия колодок в этом случае компенсируют друг друга.

б) Дисковый осевой тормоз с односторонним нажатием тормозных колодок.

Схема действия сил и возможного расположения тормозного диска на оси показана на рис. 5,а.

Обозначения силовых нагрузок и реакций приняты теми же, что и на рис. 4. Расстояние от оси до центра приложения равнодействующей сил трения обозначено через rB.

Ось колесной пары подвергается деформациям изгиба в вертикальной плоскости от сосредоточенной силы ТК, деформациям изгиба в горизонтальной плоскости от действия тормозной силы ВТ и кручению от момента МТ. Эпюры изгибающих и крутящих моментов изображены на рис. 5,б.

Сила ТК определяется по формуле

(1.17)

Максимальный момент

(1.18)



Крутящий момент

(1.19)

При дисковом осевом тормозе двусторонним нажатием ось колесной пары подвергается изгибу в горизонтальной плоскости от тормозной силы ВТ и кручению от момента.

в) Дисковый колесный тормоз с односторонним нажатием колодок.

Схема приложения сил изображена на рис. 6.

Ось колесной пары подвергается изгибу в горизонтальной плоскости от тормозных сил ВТ. Аналогичной деформации ось будет подвергаться при дисковом колесном тормозе с двусторонним нажатием.

г) Центральный тормоз

Тормоз, расположенный в цепи тяговой передачи, называется центральным. Тормозной момент МТ от центрального тормоза через тяговую передачу передается на колесную пару, вызывая соответствующие деформации оси (рис. 7).

Тормозной момент, передаваемый на ось колесной пары, может быть подсчитан через передаточное число

(1.20)

где i - передаточное число редуктора.

Обозначим через ZШ - силу, действующую в зацеплении шестерен редуктора, через DZШ - диаметр большой шестерни. Схема сил, возникающих при торможении, показана на рис. 7,а, б.

Ось колесной пары при действии центрального тормоза будет подвергаться тем же деформациям, что и при установке дискового осевого тормоза с односторонним нажатием.

Расчетные нагрузки определяются исходя из следующих соотношений. Тормозной момент на оси колесной пары при расчете по сцеплению равен

(1.21)

Момент на колесе будет равен

(1.22)

Откуда усилие в зацеплении равно

(1.23)

Определив реакции от вертикальных нагрузок в рельсе можно подсчитать максимальный изгибающий момент вертикальной плоскости.

1.1.5 Построение эпюр изгибающих и крутящих моментов от суммарных нагрузок оси

Результирующие эпюры позволяют определить наиболее нагруженные сечения оси колесной пары, которые следует проверить по допустимым напряжениям.

Напряжения в соответствующих плоскостях для проверяемых сечений подсчитываются по формулам:

(1.24)

где W1, WK1 - соответственно момент сопротивления изгибу и кручению оси, которые подсчитываются по формулам:

(1.25)

где dI - диаметр оси в проверяемом сечении I в см.

Эквивалентное напряжение в расчетном сечении оси определяется по формуле энергетической теории прочности

(1.26)

Здесь

(1.27)

[у] - допускаемое напряжение.

Допускаемое напряжение для шейки оси колесной пары принимается равным 1200 [кгс/см2], для остальных сечений оси - 1400 [кгс/см2].

1.2 Расчет оси колесной пары на усталость

Ось колесной пары как деталь как деталь, работающая при переменных нагрузках, должна подвергаться расчету на усталость. Порядок расчета оси на усталостную прочность, табличные данные и графические зависимости, необходимые для расчета, приведены в учебнике.



2. Пример выполнения расчетно-графической работы

2.1 Расчет оси от действия статических нагрузок с учетом вертикальной динамики

Приняв статический прогиб упругого подвешивания fCT = 18[см] при конструктивной скорости х = 75[км/ч], коэффициент вертикальной динамики по формуле (1.3) равный

Нагрузка, приходящаяся на шейку оси колесной пары формула (1.2), равна

Эпюра изгибающих моментов оси показана на рис. 1. Максимальный изгибающий момент в вертикальной плоскости при а=0,150м по формуле (1.4) равен

б) расчет оси от действия боковых сил

Боковая сила, приходящаяся на ось, определится по формуле (1.6)

Нагрузка на шейку оси от перераспределения веса вагона при действии боковой силы подсчитывается по формуле (1.7):

Расстояние от центра тяжести вагона до плоскости может быть ориентировочно подсчитано по формуле

Тогда

Максимальный изгибающий момент под опорой оси реакции рельса составит

Изгибающий момент в том же сечении от боковой реакции рельса составит

в) Расчет оси от действия инерционных нагрузок при экстренном торможении

Инерционная сила кузова определяется по формуле (1.9)



Вертикальная нагрузка на шейку оси от этой силы составит по формуле (1.10)

Инерционная нагрузка от массы тележки составит по формуле (1.11)

Вертикальная добавка на шейку оси от инерционных сил тележки будет по формуле (1.12)

Суммарная нагрузка на шейку оси колесной пары от действия инерционных сил равна

Максимальный изгибающий момент в вертикальной плоскости составит

г) Расчет оси от действия дискового осевого тормоза с односторонним нажатием тормозных колодок.

Примем расстояние от центра приложения равнодействующих сил трения ТН до оси равным rH=155мм.

Тогда тормозная сила ВТ будет равна по формуле (1.15)

Максимальный изгибающий момент в горизонтальной плоскости от сил ВТ равен по формуле (1.4)

Равнодействующая сил трения ТК равна по формуле (1.17)

Крутящий момент МТ в средней плоскости оси равен

д) Расчет оси на суммарные нагрузки

Эпюры изгибающих и крутящих моментов от действующих нагрузок и результирующие эпюры изображены на рис. 2. Наибольший момент ось колесной пары испытывает в подступичной части.

По аналогии с осью колесной пары вагонов МТВ примем диаметр оси в этом сечении d = 128мм. Момент сопротивления изгибу будет равен по формуле (1.25)

Момент сопротивления кручению по формуле (1.25)

Действующие напряжения при изгибе и кручении в соответствующих плоскостях определяются по формулам:

Эквивалентное напряжение в сечении равно по формуле (1.26)

Ось колесной пары в опасном сечении проходит по условиям прочности, но имеет почти двойной запас прочности по допускаемым напряжениям. Следовательно, может быть облегчена за счет уменьшения диаметров замены на пустотелую. Соответствующий конструктивный расчет оси может быть проведен с использованием тех же формул.

2.2 Расчет оси колесной пары на усталость

Момент сопротивления изгибу и действующие напряжения в переходном сечении оси будут равны:

Используя таблицу, находим пределы усталости нормальных образцов

[у-1]?=1700ч2100 [кгс/см2].

По отношению радиуса галтели r к диаметру шейки оси d

определяем значение (ку)о2=1,1.

По отношению диаметров предпоступичной части D шейки оси d

находим значение ху=0,63.

Значение коэффициента концентрации напряжений образца равно

Масштабные факторы будут иметь значения (еОК)=0,2; (еО)=0,9; (еДК)=0,62, а коэффициент, характеризующий влияние чистоты поверхности на концентрацию напряжения Д=0,1. В проверяемом сечении ось имеет шлифованную поверхность.

Коэффициент концентрации напряжений оси в расчетном сечении равен (ку)?=1,757.

Предел усталости оси при изгибе будет иметь значение

Запас усталости при изгибе равен



Допустимым запасом прочности считается величина n=1,7.

Вывод: расчетное сечение оси проходит по усталости.

Размещено на Allbest.ru