1.3 Зарубежные аналоги полувагонов

Происходило развитие грузового подвижного состава быстрыми темпами не только в России, но и за рубежом.

В 1998 году западногерманская фирма Lehmann отметила тридцатилетие своей программы модельных железных дорог ”Леманн-гросс-бан”, сокращённо LGB. За это время было выпущено тысячи вагонов различных типов. Братья Ритчеры в 1968 году создали новый типоразмер вагонов. При этом существовала возможность, что вновь проектируемые модели вагонов не смогут конкурировать с теми, что были ранее, но риск оправдался.

Братья Ритчеры предложили новый масштаб уменьшения при моделировании - 1:22,5. Это в два раза больше, чем типоразмер ”О”. Прототипами моделей послужили единицы подвижного состава колеи 1000 мм. Это, в свою очередь, позволило значительно уменьшить радиусы кривых, что, конечно, было весьма немаловажно с точки зрения возможности эксплуатации.

Согласно NEM этот типоразмер, по всем правилам, получил обозначение Iim. Вскоре моделями LGB заинтересовались многие фирмы-производители, и в США появилось несколько дочерних предприятий, специализирующихся на выпуске и совершенствовании LGB.

Интересно было сравнить продукцию, предлагавшуюся фирмой Леманн лет двадцать назад с современной. Необходимо было учитывать, что, в отличие от западноевропейских железных дорог, ширина колеи в Северной Америке не 1000 мм, а в основном ”трёхфутовая”, 914 мм. Поэтому потребовалось изменить типоразмер, и вскоре для заокеанских потребителей модели LGB начали выпускаться с типоразмером ”G”.

Модели LGB весьма были надёжны в эксплуатации, редко ломались, в связи с чем получили большое распространение в мире.

Рассмотрим некоторые модели полувагонов Германии (см. табл. 1.4)

Т а б л и ц а 1.4 Полувагоны Германии

1.4 Основные направления по совершенствованию конструкции

Кузова полувагонов, предназначенных для перевозки сыпучих, навальных и штучных грузов (каменного угля, руды, леса, проката металлов и др.), не требующих укрытия и защиты от атмосферных осадков, не имеют крыши. Это обеспечивает удобство производства трудоёмких операций по погрузке и выгрузке с помощью эффективных средств механизации (мостовых кранов, вагоноопрокидывателей и др.). Кроме того, многие кузова полувагонов снабжены разгрузочными люками в полу или боковых стенах, обеспечивающими выгрузку сыпучих грузов самотёком.

Кузова полувагонов совершенствуются в направлении создания жёсткой недеформируемой конструкции кузова. С целью повышения жёсткости кузова, полувагоны последних лет проектируются с применением торцовых стен (без торцовых дверей). Подкрепление торцовой стены обычно выполняется в виде балок, связывающих боковые стены.

Наиболее распространённый тип универсального полувагона имеет кузов с разгрузочными люками в полу, крышки которых откидываются, образуя наклонные плоскости. Сыпучий груз самотёком выгружается по обе стороны, а при необходимости - в одну сторону от железнодорожного пути. В закрытом положении крышки образуют горизонтальный пол, что позволяет транспортировать грузы широкой номенклатуры. Такие конструкции кузовов полувагонов могут иметь торцовые двери или глухие торцовые стены. Причём кузова с глухими торцовыми стенами более надёжны в эксплуатации.

Рациональной конструктивной схемой кузова полувагона является вариант с трансформируемой системой пола и люками в боковых стенах .

Перед погрузкой сыпучего груза крышки откидывают в положение I, образуя совместно с наклонными частями двухскатный пол. Для выгрузки из кузова сыпучего груза боковые крышки люков открывают, и груз самотёком высыпается. Перед погрузкой штучных или длинномерных грузов крышки устанавливают в положение II, образуя плоский пол.

Кузов специализированного полувагона для сыпучих грузов может проектироваться и с не трансформируемым двускатным полом. Откидывающиеся крышки разгрузочных люков в боковых стенах обеспечивают выгрузку сыпучего груза на стороны.

В эксплуатации нашли также применение полувагоны с конструкцией кузова типа хоппер, предназначенные для перевозки сыпучих грузов, не требующих укрытия и защиты от атмосферных осадков. Торцовые стены такого кузова наклонены в сторону бункерных устройств, разгрузочные люки которых оборудованы крышками. Имеются конструкции люков, обеспечивающих выгрузку сыпучего груза на стороны от рельсового пути, и в межрельсовое пространство.

На направлениях с большим объёмом перевозок руды и угля обращаются замкнутые маршруты, формируемые из специализированных полувагонов с глухим кузовом (без разгрузочных люков и без торцовых дверей). Такие полувагоны рассчитаны на разгрузку с помощью вагоноопрокидывателей.

Чтобы лучше использовать объём в заданном габарите подвижного состава, кузова могут проектировать с наружным расположением обшивки относительно стоек.

По сравнению с внутренним расположением обшивки относительно стоек это обеспечивает увеличение объёма кузова и статической нагрузки вагона при тех же наружных размерах.

Таким образом, из всего многообразия вышеперечисленных схем кузовов полувагонов можно свети к следующим трём схемам:

1) полувагон с ”глухим кузовом”;

2) полувагон с ”люками в полу”;

полувагон с ”люками в боковых стенах”.

Конструкции полувагонов со схемой 1 проектируются в основном в Северной Америке; со схемой 1 и 2 - в России, а со схемой 3 - в Европе.

В схеме 1 полувагон устанавливается на вагон-опрокидыватель, закрепляется упорами сверху, и его целиком поднимают и переворачивают.

Недостатки конструирования полувагонов по схеме 1:

С одной стороны, в полувагоне должны быть предусмотрены большие отверстия для выхода атмосферных осадков при попадании их в кузов; с другой стороны эти отверстия не должны превышать размеров частиц перевозимого сыпучего груза, что, однако, может привести или к его частичному рассыпанию, или к засорению отверстий. Без применения вагона-опрокидывателя могут образовываться лужи от дождя или снега в кузове. Для решения вышеназванных проблем необходимо предусмотреть дренажные отверстия и небольшие люки для зачистки, а также обеспечить удаление осадков

В Европе получили распространение полувагоны со схемой 3 в двух исполнениях - с ”открывающими люками” и с ”дверьми”

В отличие от полувагонов со схемой 2 (люк находится внизу), давление на люк здесь меньше, но высыпка сыпучего груза затруднена (часть его остаётся на хребтовой балке ).

Груз будет высыпаться по углу естественного откоса, а в остальных местах будет скапливаться - это недостаток схемы с применением дверей (не раздвижных, а распахивающих).

1.5 Конструктивная схема, технико-экономические параметры и линейные размеры вагона

Размещено на http://www.allbest.ru/

93

Табл.1

1.6 Расчет отдельных технико-экономических параметров конструируемого вагона

осевая нагрузка Р0=23,7т;

количество осей ;

коэффициент тары Кт=22,2/69=0,32;

удельный объем кузова

Vy=V/P=73/73=1,00 м³/т;

где V- объём кузова.

1) Определение грузоподъёмности вагона.

Грузоподъёмность, т:

;

P=23,7*4/1+0,33=73т.

2) Определение тары вагона:

Тара вагона, т:

;

T=73*0,33=24т.

3) Определение геометрического объема кузова.

V = V_y • P;

где V_y - удельный объем кузова ,

V = 1,00*73=73 м³.

1.6.1 Расчёт линейных размеров конструируемого вагона

габарит (ГОСТ 9238-83) принимаем по заданию 1-Т.

ширина габарита 1-Т в верхней части мм.

Внутренние размеры кузова вагона:

- ширина 2B_вн = 2878 мм;

- длина 2L_вн=12118 мм;

- высота H_вн=2060 мм.

Наружные размеры кузова вагона:

- ширина 2B_нар=3134 мм;

- длина 2L_нар=13920 мм;

- высота H_нар=3484 мм.

1)Выбор ширины и высоты кузова.

Принимаем толщину боковых стен и стоек такими же, как и у вагона-прототипа, мм:

,

где - наружная ширина кузова вагона-прототипа, = 3134 мм; - внутренняя ширина кузова вагона-прототипа, = 2878 мм;

- толщина боковых стен вагона-прототипа, = 15 мм;

мм.

Вычисляем внутреннюю ширину кузова, мм:

;

мм.

В дальнейшем значение ширины кузова уточним при вписывании его в габарит.

Принимаем внутреннюю высоту кузова равной 2Н=2,068 м.

2)Определение длины кузова вагона.

Внутренняя длина кузова, м:

;

м.

Окончательно находим внутреннюю длину кузова:

мм.

Принимаем ширину торцовых стен такими же, как и у вагона-прототипа.

Тогда наружная длина кузов составит, мм:

;

где - наружная длина кузова вагона-прототипа, = 13920 мм; - внутренняя длина кузова вагона-прототипа, = 12118 мм;

- толщина торцовой стены вагона-прототипа, = 15 мм;

мм.

Определение общей длины вагона по осям автосцепки.

,

где - длина вылета автосцепки, = 0,65 мм;

2L=11,26+2*0,65=1256мм;

Проверка нагрузки на 1 погонный метр пути.

Проверка производится по неравенству:

[q],

где [q] - допускаемая погонная нагрузка, [q] = 10,5 т/м;

g=73+24/1256=7,72т/м.

Условие [q] выполняется.

5)Определение базы вагона.

База вагона, мм:

;

2l=1126/1,4=8,04м.

1.7 Вписывание вагона в габарит

ГОСТ 9238--83 устанавливает 6 единых габаритов для вагонов и локомотивов и 2 дополнительных габарита для вагонов.

Габарит Т -- для подвижного состава, допускаемого к обращению по путям общей сети железных дорог Союза ССР, внешним и внутренним подъездным путям промышленных и транспортных предприятий, сооружения и устройства на которых отвечают требованиям габарита приближения строений С. Этот габарит имеет наибольшие размеры ширины и высоты. По этому габариту строят в основном вагоны электропоездов.

Рис.8 Верхняя часть габарита Т

Габарит Т_ц -- для цистерн и вагонов-самосвалов, допускаемых к обращению по путям общей сети железных дорог, внешним и внутренним подъездным путям промышленных и транспортных предприятий, сооружения и устройства, на которых отвечают требованиям, установленным Инструкцией [4].

Габарит Т_пр -- для полувагонов, допускаемых к обращению по путям общей сети железных дорог, внешним и внутренним подъездным путям промышленных и транспортных предприятий, сооружения и устройства на которых отвечают требованиям, установленным Инструкцией [4].

Рис.9 Верхняя часть габарита Т_ц

Габарит 1-Т -- для подвижного состава, допускаемого к обращению по всем путям общей сети железных дорог Союза ССР, внешним и внутренним подъездным путям промышленных и транспортных предприятий. По этому габариту строятся вагоны, если их не удается вписать в габарит 1-ВМ.

Габарит 1-ВМ (ранее 0-Т) --для подвижного состава, допускаемого к обращению как по всей сети железных дорог Союза ССР колеи 1520 (1524) мм, так и по магистральным и ряду других линий железных дорог -- членов Организации сотрудничества железных дорог (ОСЖД) колеи 1435 мм, используемых для международных сообщений. По этому габариту строятся пассажирские и изотермические вагоны.

Габарит 0-ВМ (01-Т)--для подвижного состава, допускаемого к обращению как по всей сети железных дорог Союза ССР колеи 1520 (1524) мм, так и по всем основным линиям железных дорог -- членов ОСЖД колеи 1435мм, с незначительными ограничениями только на отдельных участках. По этому габариту строятся почти все грузовые вагоны.

Габарит 02-ВМ (02-Т) --для подвижного состава, допускаемого к обращению как по всей сети железных дорог Союза ССР колеи 1520 (1524) мм, так и по всем железным дорогам-- членам ОСЖД, а также железных дорог Германии, Австрии, Югославии, Греции и европейской части Турции колеи 1435 мм.

Рис.10 Верхняя часть габарита 1-Т

Габарит 03-ВМ (03-Т)--для подвижного состава, допускаемого к обращению как по всей сети железных дорог Союза ССР колеи 1520 (1524) мм, так и по всем железным дорогам колеи 1435мм европейских и азиатских стран. Груз, перевозимый на открытом подвижном составе, должен по своим размерам соответствовать габариту подвижного состава. Министерство путей сообщения СССР разрабатывает и утверждает габариты и степени негабаритности грузов и правила их перевозки по железным дорогам.

Рис.11 Верхняя часть габарита 03-ВМ

Все габариты подвижного состава состоят из верхнего очертания(верхней зоны) и нижнего очертания (нижней зоны). По верхнему очертанию определяются строительные очертания кузова вагона, нижнее очертание габарита определяет допускаемые размеры ходовых частей.

Габариты подвижного состава приведены на рис.8 - 11.По основному контуру, очерченному сплошными линиями, строится кузов вагона; линии, обозначенные точками, являются границей размещения на вагонах сигнальных устройств; штрих-пунктирные линии ограничивают положение неответственных частей вагона (поручней, козырьков для стока воды, щитков и др.).

Наибольшие размеры габаритов подвижного состава приведены в табл.3.

Таблица 3 Наибольшие размеры габаритов подвижного состава

Резерв: 91,26 мм.

Вывод: вагон вписался в габарит.

2. Расчет кузова вагона на прочность

2.1 Расчетная схема кузова полувагона 12-532

При расчете кузова вагона учитывают следующие нагрузки: статическая нагрузка, инерционные силы, вызванные ускорением масс при колебании вагона, силы, возникающие при движении вагона по кривым и стрелочным переводам, аэродинамические силы.

Силы приводятся к основным расчетным схемам их приложения:

- вертикальные Рz

- боковые Ру

- продольные Рx

- силы, возникающие от действия груза.

Вертикальные нагрузки:

1. Собственная сила тяжести (тара).

2. Сила тяжести груза и характер его приложения - полезная нагрузка.

3. Боковые силы взаимодействия вагонов в кривых.

Продольные нагрузки:

Представляют собой снимающие и растягивающие силы, возникающие при движении поезда, а также продольных сил инерции.

Нормами для расчёта и проектирования вагонов установлены два основных и один дополнительный расчётные режимы.

I расчётный режим. Этому режиму для грузовых вагонов соответствуют силы, возникающие при трогании состава повышенной массы и длины с места и его осаживании, при производстве маневровых работ и соударении вагонов, при экстренном торможении в поездах, движущихся с малыми скоростями, а для пассажирских вагонов - силы, возникающие при маневровых и аварийном соударении, при столкновении вагонов в нештатных ситуациях, а также при аварийном рывке (толчке) вагона движущегося в составе грузового поезда.

Основным требованием этого режима является недопущение появления остаточных деформации (повреждений) в узле или детали вагона при действии достаточно резкого сочетания экстремальных нагрузок.

Величины продольных нагрузок для I режима при расчёте на прочность принимаются равными:

при действии сжимающих сил квазистатические силы и силы при ударных процессах (удар) для грузовых вагонов основных типов соответственно составляют 3 и 3,5 МН; для изотермических вагонов, хоппер-дозаторов, вагонов-самосвалов - 2,5 и 3 МН; для пассажирских вагонов всех типов - 2,5 МН в обоих случаях;

при действии растягивающих сил уровень квазистатической силы и уровень импульсных усилий растяжения (рывок) соответственно для грузовых вагонов принимаются равными 2,5 МН в обоих случаях, а для пассажирских вагонов - 1,5 и 2 МН.

Время действия импульсных усилий (удара и рывка) принимается равным 0,3 с.

При расчётах по I режиму допускаемые напряжения необходимо принимать близкими к пределу текучести или пределу прочности в зависимости от свойств материала и характера приложенной нагрузки (ударный или волновой процессы).

II дополнительный специальный расчётный режим. Этот расчётный режим устанавливается для отдельных типов вагонов, а необходимость проведения расчёта указывается в техническом задании на проектирование. При расчётах учитывают силы, создающие неблагоприятное сочетание нагрузок для данного типа вагона (при ремонтных операциях, погрузочно-разгрузочных работах и т. д.).

III расчётный режим. Этому режиму в условиях эксплуатации соответствуют силы, возникающие при движении вагона в составе поезда по прямым, кривым участкам пути и стрелочным переводам с допускаемой скоростью вплоть до конструкционной при периодических служебных регулировочных торможениях, периодических умеренных (при незначительном изменении ускорений) рывках и толчках, нормальной работе механизмов и узлов грузовых и пассажирских вагонов. Основное требование режима - недопущение усталостного разрушения узла или детали вагона при действии достаточно частом возможных сочетаний умеренных по величине нагрузок, соответствующих нормальной работе вагона в движущемся поезде.

Для III режима величины продольных нагрузок при расчёте на прочность грузовых вагонов основных типов, изотермических, пассажирских вагонов, хоппер-дозаторов, вагонов-самосвалов соответственно для сжимающих и растягивающих сил (квазистатические силы и силы от ударных воздействий, рывков) принимаются равными 1 МН. При расчётах по III режиму допускаемые напряжения определяют исходя из пределов выносливости материала с учётом совместного действия квазистатических, вибрационных, ударных нагрузок, влиянии коррозии металла и т. д.

Силы, возникающие от действия груза:

1. Усилие распора от насыпных грузов.

2. Гидростатическое давление жидкостей и газов.

Нагрузки по режимам для грузового вагона.

2.2 Допускаемые напряжения материалов

Целесообразно применять стали со следующими механическими характеристиками:

- временное сопротивление разрыву=500-700МПа

- относительное удлинение=21%

- предел выносливости при изгибе=210-230МПа

Допускаемые напряжения устанавливают для каждого элемента вагона с учетом статической, вибрационной и ударной прочности материала, а также его энергоемкости, чувствительности к концентрации напряжений, коррозионной стойкости и т.д.

2.3 Расчет рамы вагона

Расчет по 3 режиму нагружения.

N - продольная растягивающая нагрузка

N=-100т

N - продольная сжимающая нагрузка

N=100т

P = Pcт + Рдин

, где

Ро - осевая нагрузка

N - количество осей

Pт - масса тележки

, где

коэффициент динамики

, где

параметр гасителя колебаний=1,13

доверительная вероятность=0,97

*среднее значение коэффициента динамики

*, где

Ao -демпфирования = 0,15

B - коэффициент остности = 1

V - конструкционная скорость = 33,33м/с

*

Расчет по 1-му режиму нагружения:

N - продольная растягивающая нагрузка

N=-250т

N - продольная сжимающая нагрузка

N=350т

P = Pв = Рст = 85,04т

2.4 Расчет на продольные нагрузки

Продольные нагрузки состоят из растягивающих и сжимающих сил, возникающих при движении поезда и маневровой работе.

Установлено 3 режима расчета. По 1-му режиму отображаются редко встречающиеся эксплуатационные условия (1000-1500 раз за амортизационный срок службы вагона), продольная сила=2,5. По 2-му режиму, принимаемому дополнительно к 1-му для расчета пассажирских вагонов. 3-ий - отображает обычные условия движения с наибольшей скоростью.

Силы, возникающие при торможении.

, где

j - замедление при торможении

- при плавном торможении без соударения

- при соударении

2.5 Расчет от распора грузов и внутреннего давления

При расчете элементов кузова рассматривают нагрузку как давление, приходящееся на единицу площади стенки кузова, т. е. интенсивность нагрузки. Величина нагрузки изменяется линейно и увеличивается по высоте насыпки. За точку отсчета принимается верхняя поверхность груза.

Давление сыпучих грузов:

, где

j - насыпная плотность груза, для торфа = 0,5

y - расстояние от поверхности насыпного груза до точки, в которой определяется давление

- угол естественного относа груза = 0

Напряжение в листе:

, где

с - длина перпендикуляра, опущенного из угла прямоугольника, очерченного кромками листа, на его диагональ.

толщина листа

-условие прочности выполняется.

1. Материалы и допускаемые напряжения.

Детали и узлы вагона воспринимают значительные статические нагрузки в течение эксплуатации. На основании накопленного опыта вагоны изготавливают из сталей, имеющие следующие характеристики:

Временное сопротивление разрыва - 500-550 МПа

Предел текучести - 400 МПа

Относительное удлинение - 21%

Предел выносливости при изгибе > 210-230 МПа

Минимальное содержание серы и фосфора.

Наиболее распространенный материал для рамы и кузова - сталь 09Г2Д. Имеющиеся присадки улучшают коррозионную стойкость по сравнению с ранее используемой сталью Ст-3.

2. Расчет на вертикальные нагрузки.

Проведем упрощенный расчет рамы как балки на двух опорах.

Распределенная нагрузка находится по формуле:

вес груза

вес рамы

динамическая нагрузка

длина рамы

72,1 т.

12,4 т.

коэффициент вертикальной динамики

а - коэффициент равный 0,15

в - коэффициент, учитывающий остность вагона =1

статический прогиб = 0,05м

скорость движения вагона = 33,33 м/с

Возьмем III режим как наиболее неблагоприятный.

;

Напряжение от изгиба определяется по формуле:

;

W - момент сопротивления поперечного сечения кузова = 0,21

Условие прочности выполняется.

3. Расчет на продольные нагрузки

Хребтовая балка воспринимает продольные нагрузки. Будем считать, что других нагрузок рама не воспринимает.

Материал рамы 09Г2.

Предел текучести=400МПа

Допускаемое напряжение=0,85

;

N - нагрузка F - площадь поперечного сечения

Сечение хребтовой балки

Для I режима нагружения N=3,5 MH

Условие прочности выполняется т. к.

При III режиме нагружения N=1МПа

Условие прочности выполняется т. к.

4. Расчет на ремонтные нагрузки.

Нагрузка при подъеме кузова прикладывается к шкворневым балкам за специальные петли.

Момент инерции сечения относительно оси y:

; где

ширина горизонтальных полок

высота горизонтальных полок

ширина вертикальных полок

высота вертикальных полок

расстояние от центра тяжести горизонтальной полки до центра сечения

Момент сопротивления сечения относительно оси y:

-максимальное отклонение сечения от центра.

Условие прочности выполняется т. к. , коэффициент запаса равен:

3. РАСЧЁТ ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ ВАГОНА

Ходовые части служат опорой вагона на путь и обеспечивают им взаимодействие в движении. От конструкции ходовых частей вагона во многом зависит безопасность и плавность хода. Ходовые части платформы модели 13-9004 выполнены в виде двух двухосных тележек ЦНИИ-Х3-О с роликовыми подшипниками.

Основными элементами являются:

- колесные пары;

- узлы упругого подвешивания с гасителями колебаний;

- тормозное оборудование;

- рама тележки, связывающая все элементы в единую конструкцию.

В настоящее время грузовые вагоны железных дорог строят с ЦНИИ-ХЗ-О (рис.12), которые имеют клиновые гасители колебаний.

Боковая рама 2 тележки выполнена в виде стальной отливки, в средней части которой расположен проем для рессорного комплекта, а по концам -- проемы для букс.

В верхней части буксовых проемов имеются кольцевые приливы, которыми боковые рамы опираются на буксы, а по бокам -- буксовые челюсти.

Сечения наклонных элементов (поясов) и вертикальных стержней (колонок) боковой рамы имеют корытообразную форму с некоторым загибом внутрь концов полок. Горизонтальный участок нижнего пояса имеет замкнутое коробчатое сечение. Балки с таким профилем хорошо сопротивляются изгибу и кручению.

По бокам среднего проема в верхней части рамы расположены направляющие для ограничения поперечного перемещения фрикционных клиньев, а внизу имеется опорная поверхность для установки рессорного комплекта. С внутренней стороны к этой поверхности примыкают полки, являющиеся опорами для наконечников триангелей в случае обрыва подвесок, которыми триангели подвешены к кронштейнам боковой рамы. В местах расположения клиньев к колонкам рамы приклепаны фрикционные планки. На наклонном поясе отливают пять цилиндрических выступов (шишек), часть которых срубается в соответствии с фактическим расстоянием между наружными челюстями буксовых проемов. Подбор боковых рам при сборке тележек производят по числу оставленных шишек, что гарантирует соблюдение необходимых допусков для обеспечения параллельности осей колесных пар.

Надрессорная балка тележки отлита заодно с подпятником, опорами для размещения скользунов, гнездами для фрикционных клиньев и приливом для крепления кронштейна мертвой точки рычажной передачи тормоза. Балка выполнена по форме бруса равного сопротивления изгибу в соответствии с эпюрой изгибающих моментов и имеет коробчатое замкнутое сечение.

3.1 Колёсные пары

Колёсная пара состоит из оси и двух укреплённых на ней колёс. Типы, основные размеры и технические условия на изготовление вагонных колёсных пар определены Государственными стандартами, а содержание и ремонт - Правилами технической эксплуатации железных дорог (ПТЭ) и Инструкцией по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию колёсных пар. Тип колёсной пары определяется типом оси и диаметром колёс , а также конструкцией подшипника и способом крепления его на оси (см. табл. 2.1).

Т а б л и ц а 2.1 Типы колёсных пар вагонов

Типы вагонных осей различают по размерам и форме шейки - для роликовых подшипников качения и подшипников скольжения. Размеры оси устанавливают в зависимости от величины расчётной нагрузки, воспринимаемой при эксплуатации вагона. Колёсные пары III-950 предназначены для эксплуатации с подшипниками скольжения, а колёсные пары РУ1-950, РУ1Ш-950, РУ-950 и РУ-1050 - с роликовыми подшипниками (РУ - роликовая унифицированная, Ш - крепление подшипников приставной шайбой). Исходя из расчётной нагрузки, определяют диаметры шеек, подступичной и средней частей оси. Предпоступичная часть является ступенью перехода от шейки к подступичной части оси и служит для установки уплотняющих устройств буксы. На подступичных частях прочно закрепляются колёса. В настоящее время в эксплуатации находятся ещё небольшое число колёсных пар с осями III типа с подшипниками скольжения, которые заменяют роликовыми. На торцах их шеек имеются буртики, ограничивающие продольные перемещения подшипников скольжения, располагающихся в верхних частях. Колёсные пары с осями, предназначенными для эксплуатации с роликовыми подшипниками, различают между собой конструкцией торцового крепления внутренних колец роликовых подшипников на шейке: - с нарезанной частью для навинчивания корончатой гайки; при помощи приставной шайбы, для чего на торцах делаются отверстия с нарезкой для болтов крепления. Такое крепление выполнено в двух вариантах: тремя или четырьмя болтами. Колёсные пары с формой шейки 3 обозначают РУ1, а с формой 4 - РУ1Ш. В эксплуатации ещё находится небольшое число колёсных пар с осями типа РУ с диаметром шеек 135 мм. В настоящее время они изымаются. Основным типом колёсных пар являются конструкции с цельнокатаными стальными колёсами по кругу катания 950 мм. В пассажирских вагонах старых типов осталось малое число колёсных пар с диаметром 1050 мм. Большое внимание прочности и надёжности колёсных пар уделялось при создании первых вагонов. В связи с увеличением грузоподъёмности и тары вагонов, а также скорости движения поездов возрастали нагрузки, действующие на колёсные пары, что требовало усиления их элементов. В результате возрастали диаметры осей, совершенствовались конструкции колёс и повышалась прочность посадки их на ось. В 1948 г. по ГОСТ 4007-48 установлены четыре типа осей, различающихся размерами в зависимости от допускаемой статической нагрузки на ось (см. табл. 2.2).

Т а б л и ц а 2.2 Типы осей и допускаемые нагрузки

Примечания:

тип оси IV - для думпкаров и транспортёров;

в знаменателе - для пассажирских вагонов.

Вагонная ось является составной частью колёсной пары и представляет собой стальной брус круглого, переменного по длине поперечного сечения. На подступичных частях оси располагаются колёса, укреплённые жёстко или подвижно, а на шейках размещаются подшипники. Вагонные оси различаются между собой размерами, определяемыми в зависимости от заданной нагрузки; формой шейки оси в соответствии с применяемым типом подшипника - для подшипников качения и подшипников скольжения; формой круглого поперечного сечения - сплошные или полые; способом торцового крепления подшипников качения на шейке оси - корончатой гайкой или шайбой. Кроме того, оси классифицируются по материалу и технологии изготовления. Между шейками и подступичными частями находятся предпоступичные части, служащие для размещения деталей задних уплотняющих устройств букс, а также снижения концентрации напряжений в переходных сечениях от подступичных частей к шейкам оси. В местах изменения диаметров для снижения концентрации напряжений имеются плавные сопряжения - галтели, выполненные определёнными радиусами: от шейки - к предпоступичной, от предпоступичной - к подступичной и от средней - к подступичной частям. Снижение концентрации напряжений, вызванных посадкой внутреннего кольца роликового подшипника, обеспечивается разгружающей канавкой, расположенной у начала задней галтели шейки оси. Оси для подшипников качения на концах шеек имеют

нарезную часть для навинчивания корончатой гайки, на торце имеется паз с двумя нарезными отверстиями для постановки и крепления двумя болтами стопорной планки. В вагонных осях с креплением подшипников качения при помощи приставной шайбы в торцах шеек делают нарезные отверстия для болтов в двух вариантах: при помощи трёх или четырёх болтов. Оси для подшипников скольжения по торцам шеек имеют буртики, служащие для ограничения смещения подшипников вдоль оси наружу при движении вагона. На торцах всех типов осей предусмотрены центровые отверстия, служащие для установки и закрепления оси или колёсной пары в центрах при обработке на токарном станке. Форма и размеры центровых отверстий стандартизованы. Оси колёсных пар, оборудуемых дисковым тормозом, а также оси, на которых предусмотрена установка привода подвагонного генератора, имеются посадочные поверхности для установки тормозных дисков или деталей редуктора. Основные размеры и допускаемые нагрузки для стандартных типов осей вагонов широкой колеи, кроме вагонов электро- и дизель-поездов приведены в табл. 2.3.

На шейки осей РУ1 и РУ1Ш устанавливают роликовые подшипники с наружным диаметром 250 мм, а на оси РУ - диаметром 280 мм. Поэтому посадочные диаметры у них разные. Диаметры шеек оси III типа, применяемой в вагонах старых типов, используемых в основном на подъездных путях промышленных предприятий, имеет больший диаметр шеек в связи с возможными переточками в эксплуатации. Для грузовых вагонов с повышенными нагрузками от колёсной пары на рельсы до 245 кН предусмотрена усиленная ось, имеющая увеличенные диаметры.

Оси проектируют в исполнении УХЛ по ГОСТ 15150. Для вагонов магистральных дорог колеи 1520 мм оси изготавливают из осевой заготовки по ГОСТТ 4728: для вагонов основных типов применяется сталь марки ОсВ, для вагонов электропоездов - сталь марки ОсЛ. Химический состав осевой стали в %: углерода 0,4…0,48, марганца 0,55…0,85, кремния 0,15…0,35, фосфора - не более 0,04, серы - не более 0,45; хрома и никеля - не более каждого по 0,3; меди - не более 0,25.

Т а б л и ц а 2.3

3.2 Условный метод расчёта на прочность оси колёсной пары

При условном (приближённом) методе расчёта на прочность ось рассматривается в статическом состоянии, на неё действует система сил, состоящая из вертикальной силы, равной и горизонтальной:

,

где - максимальная статическая расчётная или фактическая нагрузка от колёсной пары на рельсы.

Множители в выражениях по определению горизонтальной и вертикальной сил учитывают динамической действие сил соответственно в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Расчёт и выбор соответствующих значений величин будем производить, руководствуясь Нормами для расчёта и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) и ГОСТом 4835-80.

Исходные данные:

тип оси колёсной пары - РУ1Ш;

фактический диаметр шейки оси мм;

фактический диаметр подступичной части оси мм;

фактический диаметр середины оси мм;

допускаемый износ по длине шейки оси м.

осевая нагрузка т;

количество осей вагона ;

вес брутто вагона т.

Вычисление нагрузок.

Осевая нагрузка (выраженная в единицах СИ), Н:

;

Н = 0,235 МН.

Вес колёсной пары (выраженный в единицах СИ), Н:

,

где - масса колёсной пары РУ1Ш, = 1,2 т;

Н.

Вертикальная нагрузка, действующая на колёсную пару, Н:

;

Н.

Определение изгибающих моментов.

Изгибающий момент в первом расчётном сечении, :

,

где - расстояние от центра оси колёсной пары до центра тяжести кузова,

= 1,45 м;

- расстояние между центрами приложения нагрузки на шейки,

= 2,036 м;

- длина шейки оси, = 0,19 м;

- коэффициент, учитывающий увеличение длины шейки при износе

бурта (вводится для букс с подшипниками скольжения), = 0;

? 0,020.

Изгибающий момент во втором расчётном сечении, :

,

где - половина расстояния между центрами приложения нагрузки на шейки, м:

;

м;

s - половина расстояния между кругами катания, м:

,

где 2s - расстояние между кругами катания, 2s = 1,58 м;

м;

- радиус средне изношенного колеса, = 0,45 м;

?

? 0,098.

Изгибающий момент в третьем расчётном сечении, :

;

 ? 0,056.

Нахождение диаметров оси.

Диаметр шейки оси, мм:

,

где - допускаемое напряжение для шейки оси, Па;

мм ? 0,1201 м.

С учётом припусков на обработку окончательно принимаем, мм:

;

мм ? 0,1221 м.

Замечаем, что условие

выполняется.

Диаметр подступичной части оси, мм:

,

где - допускаемое напряжение для подступичной части оси,

Па;

мм ? 0,1823 м.

С учётом припусков на обработку окончательно принимаем, мм:

;

мм ? 0,1883 м.

Замечаем, что условие выполняется.

Диаметр средней части оси, мм:

,

где - допускаемое напряжение для средней части оси, Па;

мм ? 0,1542 м.

С учётом припусков на обработку окончательно принимаем, мм:

;

мм ? 0,1602 м.

Замечаем, что условие выполняется.

Распечатка результатов, полученных при использовании программы PRNT.

***** Параметры введенные для расчета *****

Мбр=92.000т Мкп=1.200т h=1.450м S=0.790м

Rколеса=0.450м 2l=2.036м Длина шейки lh=0.190м

Допускаемый износ шейки оси Z=0.001м

Допускаемые напряжения в МН/(м*м): [G1]=120 [G2]=165 [G3]=155

***** Результаты расчета *****

Нагрузка на ось Poc=0.235 МН

Изгибающий момент в сечении N-1 М1=0.021 МН*м

Изгибающий момент в сечении N-2 М2=0.100 МН*м

Изгибающий момент в сечении N-3 М3=0.057 МН*м

Напряжения в сечении N-1 G1=97.569 МН/(м*м)

Напряжения в сечении N-2 G2=139.862 МН/(м*м)

Напряжения в сечении N-3 G3=129.196 МН/(м*м)

Необходимые диаметры оси

d1:=0.1213м d2:=0.1836м d3:=0.1553м

Необходимые диаметры оси с учетом припусков на обработку

d1:=0.1233м d2:=0.1896м d3:=0.1613м

Вывод: по результатам условного метода расчёта при осевой нагрузке т условие прочности оси колёсной пары РУ1Ш грузового вагона обеспечено, так как все рассчитанные диаметры оси меньше допускаемых.

3.3 Буксовый узел

В настоящее время в России более 95% грузового вагонного парка и весе пассажирские вагоны оборудованы буксами с подшипниками качения.

Типовая букса с глухой подшипниковой посадкой внутреннего кольца цилиндрических роликовых подшипников на шейку оси применяется в современных грузовых и пассажирских вагонах. На железных дорогах России наиболее широко распространены буксы на горячей посадке вследствие их преимуществ. Современная типовая букса с двумя цилиндрическими роликовыми подшипниками для любого типа грузового вагона может иметь два вида торцового крепления внутренних колец от продольного сдвига - торцовой корончатой гайкой или тарельчатой шайбой. Букса с торцовым креплением гайки имеет корпус с приливами, в котором размещены передний и задний подшипники с короткими цилиндрическими роликами. Со стороны колеса корпус закрыт лабиринтным уплотнением (съёмныё лабиринт) и (лабиринтное кольцо), а впереди - крепительной, укреплённой болтами к корпусу и смотровой крышками с болтами и шайбами. Крепительная крышка из стали или алюминиевого сплава прочно удерживает наружные кольца роликовых подшипников и в буксе, не позволяя им проворачиваться и перемещаться вдоль оси при вращении колёсной пары. Внутренние кольца подшипников закреплены на шейке оси с торца корончатой гайкой, стопорной планкой и болтами. Между корпусом буксы и крепительной крышкой установлено уплотнительное кольцо, обеспечивающее герметизацию буксового узла. Внутренняя полость буксы заполнена консистентной смазкой, обеспечивающей надёжную работу подшипников в сложных условиях их нагружения. Другой вариант торцового крепления внутренних колец подшипников отличается следующими особенностями: к торцу шейки оси тремя или четырьмя (варианты) болтами укрепляется тарельчатая шайба, которая своими выступающими краями нажимает на приставное кольцо и прочно закрепляет внутренние кольца подшипников и на шейке оси, удерживая их от продольного сдвига при действии осевых нагрузок. Буксы на горячей и втулочной посадке имеют свои преимущества и недостатки. Преимуществами букс с глухой подшипниковой посадкой является снижение массы вследствие отсутствия втулки и уменьшения габаритных размеров подшипника; сокращение почти в 5 раз затрат труда на монтаж и демонтаж подшипников, а в связи с этим в два с половиной раза снижение эксплуатационных затрат на ремонт букс. Однако, при таком способе посадки нередко наблюдается потеря натяга.