Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «ВАГОНЫ И ВАГОННОЕ ХОЗЯЙСТВО»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Вагоны»

на тему:

«Проектирование четырехосного вагона для перевозки лесоматериалов, модель 13-401»



Задание по курсовой работе

Введение

1. Актуальность разрабатываемой темы

2. Описание вагона прототипа в целом и по узлам

Пояснив текст схемами изложить устройство рамы и кузова заданного вагона и их особенности; назвать основные материалы, применяемые при постройке рамы и кузова; перечислить основные статические и динамические нагрузки, действующие на заданный тип вагона, выразив их соответствующими формулами и расчетными схемами, при этом указать принятые Нормами допускаемые напряжения в основных частях кузова и рамы вагонов.

3. Привести определение габаритов по ГОСТу. Перечислить типы габаритов вагонов, а так же методику по вписыванию вагонов в данный габарит

4. Дать определение технико-экономических параметров вагона и указать их величины применительно к рассматриваемому вагону

5. Колесные пары рассматриваемого вагона

5.1 Рассмотреть устройство колесных пар применяемых под заданным вагоном, указав их основные размеры, химический состав и механические свойства материала

5.2 Рассмотреть комплекс сил, действующих в эксплуатации на колесную пару

5.3 Выполнить одним из методов расчет оси колесной пары на прочность

6. Подшипники качения на заданном вагоне

6.1 Рассмотреть конструкцию применяемых типов подшипников качения, способы их посадки на шейку оси

6.2 Рассчитать подшипники качения на долговечность

7. Рессорное подвешивание

7.1. Указать назначение, тип, классификацию рессорного подвешивания. Привести особенности устройства в заданном вагоне, а так же материал, который используется для изготовления элемента рессорного подвешивания и его механические свойства

7.2. Определить жесткость и гибкость пружины применительно к вагону вашего варианта, привести расчет на прочность пружины любой ступени подвешивания от действия расчетной нагрузки

7.3. Указать назначение, типы гасителей колебаний, их устройства

8. Описать типы и классификацию тележек вагонов

Подробно рассмотреть конструкцию тележки вашего вагона, текст пояснить схемами, дать расчетную схему сил, действующих на тележку в эксплуатации, перечислить требования, предъявляемые к тележкам вследствие повышения скоростей движения и условия безопасности.

9. Автосцепное устройство вагона

9.1. Указать тип сцепления вагона, кратко изложить конструкцию автосцепного устройства вагона, изложить принцип действия автосцепки и поглощающего аппарата

9.2. Дать схему и распределение усилий, действующих на автосцепку



Введение

Вагонный парк, являясь массовым и одним из важнейших технических средств, выполняет основное назначение железнодорожного транспорта - перевозку грузов и пассажиров. Характерной его особенностью является то, что вагонный парк взаимодействует со всеми подразделениями и техническими средствами железных дорог, а так же со многими предприятиями народного хозяйства страны. Кроме того, сложность оборудования вагонов и их работа в экстремально тяжелых эксплуатационных условиях придает особую важность процессу проектирования и предъявляет высокие требования к специалистам, принимающим участие в создании новых типов подвижного состава.

Проектирование вагонов является сложной инженерной задачей, от решения которой зависит безопасность движения поездов и технико-экономические показатели подразделений железных дорог, многих отраслей народного хозяйства и качество обслуживания потребителей.

В создании нового типа вагона принимают участие научно-исследовательские и проектно-инструкторские организации, заводы вагоностроительной, металлургической, электротехнической и других отраслей промышленности.

Создание новых типов и конструкций вагонов включает в себя этапы проектирования, производства, экспериментальных исследований опытных образцов, освоения серийного выпуска, корректировку рабочей документации по результатам испытаний и опытной эксплуатации. На всех этапах проектирования и изготовления учитывают требования, предъявляемые к подвижному составу Государственными стандартами и другими законодательными и нормативными документами. Механическое оборудование серийно выпускаемых вагонов должно удовлетворять отраслевым требованиям надежности, долговечности, ремонтопригодности.

Долговечность и надежность вагонных конструкций зависит от коррозионной стойкости элементов кузова и других частей вагона. Поэтому при проектировании вагонов особое внимание уделяется выбору материала, для их изготовления применяют низколегированные и нержавеющие стали, алюминиевые сплавы, пластмассы и другие новые материалы, а также более стойкие защитные покрытия. Учитывают также повышенные требования к технологии изготовления вагонов, отдельных узлов и деталей используют прогрессивные экологически чистые технологии.



1. Актуальность выбранной темы

Транспортировка контейнеров -- наиболее динамично развивающийся сектор железнодорожных перевозок. Стабильный рост объемов контейнерных перевозок по железным дорогам наблюдается с 1995 г. Так, если в 1997 г. перевозилось 7,2 млн. т грузов, то в 2005 г. -- уже 20,8 млн. т. А к 2010 г. прогнозируется увеличение объемов перевозок до 30 млн. т.

Наблюдая за ростом увеличения контейнерных перевозок видно, что преимущественно все они перевозятся на специализированном подвижном составе - платформа. Сами же платформы разнообразны по предназначению. Но в основном контейнеры перевозят на так называемых фитинговых платформах.

В свое время был выпуск в больших количествах платформы модели 13-401, платформа-лесовоз! Но спрос на них не превысил предложения, и для реализации уже готовой платформы возникла идея оснастить ее фитингами для перевозки контейнеров. Платформа одна, а разнообразие перевозки грузов выросло бы вдвое.



2. Описание вагона прототипа в целом и по узлам

Техническое описание платформы модели 13-401

Базовая четырехосная платформа модели 13-401 для перевозки лесоматериалов (рис. 1.1) состоит из типовой рамы, стационарных стоек, двух тележек модели 18-100, автосцепного оборудования, тормозного оборудования, воздухопроводов и арматуры.

Рис. 1.1 Общий вид платформы модели 13-401.

Платформа модели 13-401 имеет следующие технические параметры: масса тары вагона - 24,0 т; грузоподъемность - 70,0 т;

осевая нагрузка вагона -22,85 т/ось;

2L - наружная длина по раме вагона, 2L = 13,4 м;

2L_СЦ - длина по осям сцепления, 2L_СЦ = 14,62 м;

Приведенные выше линейные размеры позволяют перевозить два контейнера 1СС (20-футовый, длина - 6 м), и один контейнер 1АА (40 футовый, длина - 12 м).

Уральский НИИ лесной промышленности за свою более чем полувековую историю самостоятельно и совместно с другими отраслевыми институтами и заводами-изготовителями разработал и внедрил гамму подъёмно-транспортного оборудования позволяющего эффективно отгружать лесоматериалы по ОАО «РЖД». Были созданы: специализированный подвижной состав колеи 1520 мм для перевозки лесоматериалов и хлыстов, перегрузчики хлыстов JIT-62 электрогидравлические грейфера различной грузоподъёмности и назначения, совместимые с железнодорожными вагонами, а также другое оборудование для лесных предприятий, упрощающее и облегчающее погрузку и крепление груза вагонах и на платформах.

Рис. 1.2 Платформа с оборудованием ВО-118 (основной габарит погрузки)

В 1980-1981 годах было разработано, прошло испытания и сдано на ее изготовление оборудование ВО-118 (рис 1.2). Это оборудование выпускалось под авторским контролем «УралНИИЛП» десятками заводов СССР и России. Выпущено и до сих пор эксплуатируется на железных дорогах России и стран ближнего зарубежья порядка пяти тысяч комплектов оборудования.

В 1985-1986 годах (в связи с введением МПС зонального габарита) «УралНИИЛП» была переработана документация, проведены испытания трех исполнений оборудования ВО-118 и осуществлен массовый выпуск (перевод) ограждающего оборудования под зональный габарит (рис. 1.3).

а) б)

Рис. 1.3 Платформы, оборудованные по зональному габариту стойками ВО-118 с цепными стяжками (рис. а) и стойками ВО-118 с торцевыми стенками ВО-162 без цепей (рис. б).

Оборудование ВО-118 (три исполнения, таблица 1) предназначено для перевозки круглых и пиленых лесоматериалов длиной от 3,0 до 13,4 м на платформах моделей 13-401 (13-4012) колеи 1520 мм.

Таблица 1. Техническая характеристика ВО-118.

Показатели оборудования	Параметры оборудования
	Исполнение 1	Исполнение 2	Исполнение 3*
Грузоподъемность, т	68,5-70	66-68	64,5-66,5
Масса, т	3,7-4,5	4,2-5,0	5,2-6,5
Погрузочная длина, мм	13 400	13 100 - 13 600
Погрузочный объем,	110	120	115
Габарит	1Т	Зональный
Время погрузки , мин.	0,55 - 1,51
Время выгрузки , мин.	0,6 - 0,8
Комплектность*	8 пар стоек	6 пар стоек и 2 торцевые стенки

*Оборудование может эксплуатироваться по всей сети ОАО «РЖД» (рис. 1.4).

Рис 1.4 Оборудование КУЗНЕЦОВА типа ВО-162 исполнение 3.

РАМА ПЛАТФОРМЫ

Базовая платформа изначально предназначена для перевозки лесоматериалов.

Рама платформы состоит из хребтовой балки (сварные двутавры), двух концевых балок коробчатого сечения, двух шкворневых и двух промежуточных балок, раскосов, усиливающих продольных и поперечных балок, стационарных стоек.

Рама снабжена двумя стальными литыми пятниками диаметром 450 мм и высотой 95 мм, с помощью которых осуществляется опора кузова на тележки.

Несущие элементы кузова вагона изготовляются из стали марки 09 Г2Д, надрессорная балка, боковая рама из стали 20Г1ФЛ.

Силы, действующие на вагон

На вагон постоянно действуют нагрузки, уровень которых практически не изменяется в течение времени службы вагона (или изменяется весьма незначительно). Эти нагрузки называются статическими.

В течение всего срока службы детали и узлы вагона находятся под действием собственного веса, величина которого остается постоянной. При проектировании тара вагона (его собственная масса) определяется в зависимости от тары деталей и узлов, образующих кузов, раму, ходовые части, автосцепное и автотормозное оборудование.

В эксплуатации грузовой вагон находится под действием массы перевозимого груза, называемой полезной нагрузкой. Ее величина при загрузке различными грузами изменяется, но не должна быть больше установленной грузоподъемности вагона. При проведении прочностных расчетов полезную нагрузку принимают постоянной, равной грузоподъемности вагона.

К статическим силам относятся также гидростатические и распорные усилия, возникающие при перевозках в цистернах, полувагонах, крытых вагонах, хопперах и других вагонах жидких, сыпучих и других навалочных грузов. При проведении уточняющих расчетов эти силы могут учитываться как временные, действующие не постоянно.

При движении по рельсовому пути происходят колебания вагона в различных плоскостях, в результате которых возникают дополнительные нагрузки то на одну, то на другую деталь или узел конструкции. Эти нагрузки являются переменными, они зависят от времени и называются динамическими силами, действующими на вагон. Динамические силы возникают в вертикальной плоскости, в горизонтальной (поперек пути) и продольной (вдоль пути) плоскостях. К динамическим силам относятся возникающие при установившихся и переходных колебательных процессах силы взаимодействия вагона с рельсами при движении в прямых, круговых и переходных кривых участках пути. Кроме того, динамическими являются силы взаимодействия между деталями и узлами вагона, вагонами и локомотивом при трогании поезда с места, экстренном торможении, маневровой работе на станции, установившемся режиме движения поезда на перегоне.

Уровень возникающих динамических сил зависит от многих причин: состояния рельсового пути, его геометрических параметров, жесткостных и диссипативных свойств, режима движения поезда, упругих и диссипативных свойств рессорного подвешивания и ударно-тяговых приборов вагона. При повышенных скоростях движения существенное значение оказывает воздействие воздушной среды, сила и изменчивость ветровой нагрузки.

Состояние подвижного состава и рельсового пути в эксплуатации в пределах нормируемых конструктивных и эксплуатационных допусков в содержании носит случайный, вероятностный характер. В связи с этим и действующие в процессе движения на вагон динамические силы являются случайными величинами, случайными функциями времени или скорости. На рис. 1.6 показаны полигоны распределения коэффициентов вертикальной динамики k_дв, полученные по экспериментальным данным ОАО «ВНИИЖТ» и ОАО «НИИ вагоностроения» для элементов тележек пассажирских и грузовых вагонов.

Коэффициентом вертикальной динамики называют отношение динамической нагрузки Р_Д к статической Р_СТ

= ,

где Рд и Р_СТ -- соответственно динамическая и статическая вертикальные нагрузки, действующие на вагон, его узел или деталь.

Рис. 1.6. Полигоны распределения коэффициентов вертикальной динамики для центрального подвешивания тележек: 1 - тип КВЗ-ЦНИИ; 2- модели 18-100, р - частость

Данные рис. 1.6, приведенные в работе, свидетельствуют о том, что они несимметричны относительно максимальных ординат, частота которых очень мала. Наиболее часто повторяющиеся величины в несколько раз меньше максимальных. Расчеты показывают, что за амортизационный срок службы вагона общее число повторений амплитуд вертикальных динамических нагрузок разных уровней, влияющих на усталостную прочность, составляет (3--6)-10⁸, а общее число повторений продольных усилий для грузового вагона (4--5)10⁵ раз.

На вагон действуют также тормозные силы, возникающие при движении поезда в режиме торможения.

Вагон подвергается ряду воздействий, носящих временный характер: сил, возникающих при механизированной погрузке и разгрузке вагона (погрузка грейфером, разгрузка на вагоноопрокидывателе), сил, возникающих при ремонте вагона (при подъеме кузова домкратами), системы самоуравновешенных сил при движении по кривым участкам пути (вертикальная кососимметричная нагрузка).

Кроме того, вагон и его части подвергаются воздействию сил, обусловленных особенностями технологии его изготовления и ремонта (процессы сборки узлов и деталей вагона, сварочные работы и др.).

Для грузовых вагонов максимальная масса брутто определяется по допускаемой величине статической осевой нагрузки р₀ от колесной пары на рельсы и числу колесных пар т_{) в вагоне:

= .

При использовании полной грузоподъемности Р и массы тары Т масса вагона брутто равна

= Т+Р

Тогда общая формула для определения статической нагрузки, действующей на любую деталь вагона, имеет вид

= ,

где -- вес частей и укрепленного на них оборудования, через которые нагрузка передается от рассчитываемой детали вагона на рельсы;

m число одинаковых, параллельно загруженных деталей.

Для определения вертикальной статической нагрузки, действующей на рессорный комплект двухосной тележки грузового четырехосного вагона, получим выражение

,

где масса двухосной тележки,

масса надрессорной рамы тележки.

Необходимо заметить, что при расчетах деталей на прочность в статическую нагрузку, действующую на деталь, включается и собственный вес рассчитываемой детали.

Величина и характер приложения полезной нагрузки для универсальных грузовых вагонов, а также для грузовых и пассажирских специального назначения указываются в техническом задании на проектирование.

Приведение нагрузок, действующих на вагон, к нормативным значениям.

На основании проводимых различными учеными и организациями теоретических поисков и результатов экспериментальных исследований для расчета и проектирования вагонов разрабатываются Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) (далее -- «Нормы»).

Существующие в настоящее время «Нормы» созданы ОАО «ВНИ- ИЖТ» и ОАО «НИИ вагоностроения» и внедрены в 1996 г. Они устанавливают основные требования по конструированию вагонов с целью обеспечения их прочностных свойств, надежности, устойчивости в рельсовой колее, динамических качеств с точки зрения безопасности движения и плавности хода. Действие этих норм распространяется на весь парк несамоходных грузовых и пассажирских вагонов, а также вагонов промышленного транспорта, эксплуатирующихся на сети железных дорог ОАО «РЖД». Кроме требований, «Нормы» содержат рекомендации и справочные материалы, способствующие более рациональному использованию прогрессивных решений при создании новых конструкций вагонов. Проектирование вагонов с соблюдением требований «Норм» позволяет обеспечить достаточный уровень безопасности движения, т.е. с высокой степенью вероятности утверждать, что при движении в эксплуатационных условиях не произойдет авария или крушение поезда.

При проектировании вагона в техническом задании, кроме назначения вагона, его осности, габарита, предельных значений нагрузки на ось колесной пары и погонной нагрузки, указывается необходимая конструкционная скорость движения вагона, т.е. наибольшее значение скорости движения, при которой должна обеспечиваться работоспособность всех систем, устойчивость и плавность хода вагона на прямом участке пути хорошего технического состояния. Поэтому для реализации заданных положений при проектировании вагонов должны учитываться: современные и перспективные условия эксплуатации; требования по улучшению динамических качеств вагонов и их воздействия на путь; необходимость обеспечения прочностных свойств и коррозионной стойкости элементов конструкции. Обязательно принимают во внимание обоснованные рекомендации к надежности вагона, его безотказности, долговечности и ремонтопригодности; вопросы снижения собственного веса конструкции, подбора рациональных геометрических сечений несущих элементов; условия механизированной погрузки и разгрузки грузов. Учитывают также правила технической эксплуатации железных дорог, правила техники безопасности, противопожарные требования и санитарно-гигиенические нормы для пассажиров и обслуживающего персонала. Необходимо также соблюдать требования по унификации и стандартизации узлов и деталей вагона, сохранности перевозимых грузов.

Для оценки нагруженности вагона при проектировании необходимо знать для каких условий эксплуатации создается новый вагон. «Нормами » регламентируется, что проектируемые грузовые вагоны будут использоваться в поездах массой до 10 ООО т, а пассажирские в пассажирских поездах массой до 2000 т. Пассажирские вагоны в порожнем состоянии или в качестве служебных можно включать в грузовые поезда массой не более 5000 т.

Проектирование перспективных вагонов и расчет их конструкций должны производиться на конструкционные скорости движения: грузовые вагоны -- на 33,3 м/с (120 км/ч), изотермические -- на 38,8 м/с (140 км/ч) и пассажирские -- на 44,4 % (160 км/ч).

Обычно величина нагрузки на ось вагона устанавливается техническими требованиями заказчика.

При установлении предельных значений осевой нагрузки [Р₀] учитывают назначение, конструкционную скорость движения, сферу обращения вагона, подготовленность железнодорожного пути для реализации данной осевой нагрузки.

Осевая нагрузка определяется по формуле

где -- расчетная сила тяжести (вес) вагона брутто;

п -- число осей в тележке.

При проектировании вагона необходимо выполнять условия, при которых расчетные значения осевой нагрузки не должны превышать предельно допустимых величин, т.е. ? [].

Исходя из конструкции железнодорожного пути устанавливают предельные значения погонной нагрузки на путь [q_бр]. Тогда расчетное значение статической погонной нагрузки от силы тяжести (веса) вагона брутто определяется по формуле

где 2L_oб -- длина вагона по осям сцепления автосцепок.

При расчетах необходимо соблюдать условие q_бр? [q_бр]. При расчетах в связи с увеличением осевых нагрузок существенно возрастает погонная нагрузка на путь от тележки вагона. Погонная нагрузка увеличивается также при динамическом воздействии от тележки на путь.

Расчетные средние значения динамической погонной нагрузки на путь от тележки согласно «Нормам» определяются по формуле

где, []] -- средняя и предельно допустимые динамические погонные нагрузки на путь от тележки;

21_Т -- база тележки;

?l= 2,2 м -- условная длина общей расчетной зоны влияния крайних осей;

- расчетный коэффициент вертикальной динамики вагона.

При проектировании вагонов допускаются значения [] -- до 103 кН/м (10,5 тс/м) и [q_дин] -- до 168 кН/м (17,1 тс/м).

Все вагоны, имеющие большие, чем указаны, значения осевых и погонных нагрузок, проектируют по согласованным с ОАО «РЖД» специальным требованиям.

Нормирование расчетных сил при проектировании вагонов и расчетные режимы нагружения

При оценке нагруженности вагонов, их узлов в соответствии с «Нормами» регламентируют все основные и дополнительные силы, действующие на вагон.

К основным силам, действующим на вагон, относятся:

- собственная сила тяжести конструкции (тары вагона) и сила тяжести груза;

- силы инерции, возникающие при колебаниях вагона при его движении по неровностям железнодорожного пути;

- силы, возникающие при движении вагона по переходным, круговым кривым и стрелочным переводам;

- силы, имеющие волновой или ударный характер и возникающие в горизонтальной продольной плоскости при различных режимах движения поезда и маневровой работе;

- аэродинамические силы (силы давления ветра и т.п.).

Конструкции вагонов различаются в зависимости от назначения,

условий эксплуатации. Поэтому вместе с перечисленными выше силами при расчетах дополнительно учитываются:

- силы распора (давления) сыпучих и навалочных грузов;

- силы гидравлического удара в котлах цистерн, баках, резервуарах;

- силы давления жидкостей и газов при перевозке их в котлах цистерн, грузовых емкостях бункерных вагонов.

Перечисленные выше силы при расчетах и проектировании вагонов приводят к следующим основным схемам их приложения:

- вертикальная нагрузка;

— продольная нагрузка;

— группы самоуравновешенных сил (вертикальных кососимметричных, горизонтальных от распора сыпучих грузов и др.).

Кроме того, при оценке нагруженности вагонов необходимо учитывать силы, действующие при механизированной погрузке и выгрузке; внешние силы, которые действуют на вагон при постройке и ремонте; внутренние силы, возникающие при постройке и ремонте вагонов от пользования важнейших технологических факторов; силы, действующие на вагон при его перевозках на паромах.

При оценке прочностных и усталостных свойств отдельных узлов и деталей вагонов необходимо также учитывать дополнительные силы от колебаний навесного оборудования, силы давления воздуха в тормозных цилиндрах, резервуарах; силы, действующие на увязочные устройства при перевозке штучных грузов, и т.д.

Напряжения, возникающие от действия дополнительных сил, обычно суммируются с напряжениями от основных сил.

«Нормами» для расчета и проектирования вагонов установлены два новых и один дополнительный расчетные режимы.

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

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

Величины продольных нагрузок для I режима при расчете 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 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 расчетах по I режиму допускаемые напряжения необходимо принимать близкими к пределу текучести д_т или пределу прочности д_в в зависимости от свойств материала и характера приложенной нагрузки (ударный или волновой процессы).

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

III расчетный 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 достаточно частом действии возможных сочетаний умеренных по величине нагрузок, соответствующих нормальной работе вагона в движущемся поезде.

Для III режима величины продольных нагрузок при расчете 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 расчетах по III режиму допускаемые напряжения определяют исходя из пределов выносливости материала с учетом совместного действия квазистатических, вибрационных, ударных нагрузок, влиянии коррозии металла и т.д.

Определение в соответствии с «Нормами» нагрузок, действующих на вагон

При расчетах вагонов на вертикальную нагрузку необходимо учитывать собственную силу тяжести (тару) вагона, силу тяжести (вес) груза и вертикальную динамическую нагрузку, которая возникает при колебаниях и взаимодействии вагонов при движении поезда и маневровой работе.

Для каждой рассчитываемой детали вагона величина собственной силы тяжести определяется суммарной силой тяжести всех частей вагона, нагружающих эту деталь, включая и силу тяжести самой детали. При расчетах собственная сила тяжести включает в себя расчетный вес предметов экипировки вагона.

Сила тяжести груза (грузоподъемность вагона) и характер ее приложения для грузовых и изотермических вагонов устанавливаются техническим заданием на проектирование.

Для пассажирских вагонов сила тяжести груза определяется с учетом массы пассажиров с багажом в соответствии с расчетной населенностью вагона. Расчетная населенность для различных типов пассажирских вагонов определяется так:

— вагоны дальнего сообщения -- по наибольшему числу мест, предусмотренных при эксплуатации вагона;

— вагоны межобластного (местного) сообщения -- по проектному телу мест для сидения и количеству стоящих пассажиров из расчета 5 человек на 1 м² свободной площади пола, включая тамбуры и проходы;

— второй этаж двухэтажного вагона -- по проектному числу мест для сидения и количеству стоящих пассажиров из расчета 4 человека на 1 м² свободной площади пола.

При расчетах средняя масса пассажира с багажом принимается равной 1 кН (100 кг).

В соответствии с «Нормами» вертикальную динамическую нагрузку определяют приближенно умножением силы тяжести (веса) вагона брутто на коэффициент вертикальной динамики k_дв. Сила тяжести вагона брутто включает в себя силу тяжести груза и элементов вагона, расположенных над рассматриваемой ступенью рессорного подвешивания, с четом 1/3 силы тяжести самого рессорного подвешивания.

Коэффициент вертикальной динамики в соответствии с «Нормами» рассматривается как случайная функция с вероятностным распределением.

Коэффициент к_дв определяется как квантиль этой функции при расчетной вероятности по формуле

где -- среднее вероятное значение коэффициента вертикальной динамики;

Я-- параметр распределения (уточняется по экспериментальным данным), для грузовых вагонов при существующих условиях эксплуатации (Я = 1,13, для пассажирских Я = 1).

При оценке прочности вагонов по допускаемым напряжениям, принятым согласно расчетным режимам, принимается р(К_ДВ) = 0,97. Среднее вероятное значение К_ДВ определяется по формулам: при скоростях движения вагона ?= 15 м/с (~ 55 км/ч)

при скоростях движения вагона ?? 15 м/с

где а -- коэффициент, принимаемый на основании обработки результатов теоретических и экспериментальных исследований равным для элементов кузова вагона 0,05; для обрессоренных частей тележки -- 0,10; для необрессоренных частей тележки -- 0,15;

b -- коэффициент, учитывающий влияние числа осей в тележке (и) или группе тележек под одним концом вагона на величину коэффициента динамики:

?-- расчетная скорость движения вагона, ^м/_с ;

f_CT -- статический прогиб рессорного подвешивания, м.

Расчетный коэффициент вертикальной динамики для шкворневых (опорных) узлов рамы и шкворневых стоек (в местах заделки в раму) боковых стен кузова грузового вагона определяют с учетом влияния перевалки кузова вагона по формуле

где у -- коэффициент, принимаемый равным 0,2.

Рекомендуемые «Нормами» формулы справедливы для вертикальной динамики современных вагонов, установленных на тележках, имеющих фрикционное или гидравлическое демпфирующее устройство и статический прогиб рессорного подвешивания = 0,015 м. При статическом прогибе менее 0,015 м рекомендуется условно принимать = 0,015 м.

При расчетах вагонов на боковую нагрузку учитывают силы динамического взаимодействия вагона и пути в горизонтальной поперечной плоскости (центробежные силы, силы давления ветра и поперечные составляющие сил взаимодействия вагонов друг с другом при движении в кривых участках пути).

Боковые силы, возникающие при динамическом взаимодействии вагона и пути, определяются методами математического моделирования системы «вагон--путь».

На основании обработки результатов теоретических и экспериментальных исследований горизонтальных колебаний вагонов «Нормами» рекомендуется для расчета вагонов приближенно рассматривать боковую (рамную) силу Н_р, действующую от колесной пары на раму тележки, как случайную фикцию с вероятностным распределением:

Величина рамной силы Н_р определяется как квантиль этой функции при расчетной вероятности Р(Н_р) по формуле

где Нр -- среднее вероятное значение рамной силы, которое определяется по выражению

Р_ст -- расчетное значение статической осевой нагрузки;

b -- коэффициент, учитывающий влияние числа осей в тележке;

д-- коэффициент, учитывающий тип ходовых частей вагона. Для грузовых вагонов на безлюлечных тележках с большой горизонтальной жесткостью подвешивания д = 0,003.



3. Габариты подвижного состава

Одним из главных условий безопасности движения локомотивов, вагонов и иного подвижного состава является предупреждение их соприкосновения со стационарными сооружениями, расположенными вблизи железнодорожного пути, или с подвижным составом, находящимся на соседнем пути, Поэтому стационарные сооружения должны располагаться на определённом расстоянии от пути, а подвижной состав - иметь ограниченное поперечное очертание.

Таким образом, получаются два контура: контур, ограничивающий наименьшие допустимые размеры приближения строения и путевых устройств к оси пути- габарит приближения строений: и контур, ограничивающий наибольшие допускаемые размеры поперечного сечения подвижного состава- габарит подвижного состава. Второй расположен внутри первого и между ними имеется пространство (зазоры), за исключением опорных поверхностей колёс, где оба контура совпадают.

ГОСТ 9238-83 устанавливает следующие определения для двух рассматриваемых разновидностей габарита.

Габаритом приближения строений железных дорог называется предельное поперечное (перпендикулярное оси пути) очертание, внутрь которого помимо подвижного состава не должны заходить никакие части сооружений и устройств, а также лежащие около пути материалы, запасные части и оборудование, за исключением частей устройств, предназначенных для непосредственного взаимодействия с подвижным составом (контактных проводов с деталями крепления, хоботов гидравлических колонок при наборе воды и др.) при условии, что положение этих устройств во внутри габаритном пространстве увязано с частями подвижного состава, с которыми они могут соприкасаться, и что они не могут вызвать соприкосновения с другими элементами подвижного состава.

Габаритом подвижного состава железных дорог называется предельное 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 максимальные нормируемые износы.

Габаритом погрузки железных дорог называется предельное поперечное (перпендикулярное оси железнодорожного пути) очертание, в котором, не выходя наружу, должен размещаться груз (с учетом упаковки и крепления) на открытом железнодорожном подвижном составе при его нахождении на прямом горизонтальном железнодорожном пути.

Пространство между габаритами приближения строений и подвижного состава (а для двухпутных линий также между габаритами смежных подвижных составов) обеспечивает безопасные смещения подвижного состава и погруженных на нём грузов, которые возникают при движении, а также обусловленные допустимыми отклонениями элементов пути.

Все смещения вагона могут быть сведены к следующим четырём группам:

а) вызываемые возможными отклонениями в состоянии пути - уширение колеи, упругое отжатие рельсов, перекосы и износы шпал и подкладок, упругие осадки шпал и балласта и т.п.;

б) динамические колебания вагона, возникающие при его движении;

в) обусловленные зазорами и износами ходовых частей и прогибы и осадки рессорного подвешивания от статической нагрузки;

г) выносы частей вагона в кривых.

При габаритных расчётах учитывают только смещения, возможные при отклонениях, допускаемых нормами содержания вагона и пути. Поскольку размеры габарита приближения строений установлены для прямых участков пути, а в кривых имеются дополнительные уширения, выносы вагона в кривых учитывают только в размерах, превышающих имеющиеся уширения.

В зависимости от способов учёта указанных смещений вагонов различают две системы габаритов подвижного состава: строительную и эксплуатационную.

18 марта 1860г. в нашей стране впервые в мире были установлены единые, обязательные для всех железных дорог габариты приближения строений и подвижного состава. Они выгодно отличаются от габаритов зарубежных железных дорог, позволяя создавать вагоны с наибольшим объёмом на единицу длины.

3.1 Вписывание вагона в заданный габарит

Конструкция грузового вагона характеризуется следующими параметрами (рис 1.7):

Где:

2В - ширина вагона,м

2 В_в - внутренняя ширина, м

- толщина боковой стены, м

а_т -толщина торцевой стены, м

а_в - вылет автосцепки, м

2L_oб - общая длина вагона, м

2L - наружная длина кузова, м

2L_e - внутренняя длина кузова, м

2L - база вагона, м

Определим ширину вагона из условия вписывания его в габарит. Для этого воспользовавшись методичкой определяются габариты вагона в кривых участках пути.

Ширина вагона по высоте Н определяется по формуле

2B= 2(B₀ -E) (1.1)

где: - ширина соответствующего габарита подвижного состава на рассматриваемой высоте от уровня верха головок рельсов.

2B = 2(1625- 124,3) = 3001,4 мм;

Обычно для вписывания вагонов в габарит ограничение полуширины по длине определяют для трех основных сечений:

- направляющего;

- внутреннего (среднего);

- наружного.

Определение ограничений определяется по формулам:

,

,

,

где: - максимальная полуширина колеи в кривой расчетного радиуса, мм;

- половина минимального расстояния между наружными гранями предельно изношенных гребней ободов колес;

- 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;

- 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 вагона 9,72 м;

- расстояние от рассматриваемого поперечного сечения вагона до его ближайшего направляющего сечения, м;

- величина дополнительного поперечного смещения в кривой расчетного радиуса тележки вагона,

- база тележки, ;

- коэффициент, зависящий от расчетного радиуса кривой,

- величина геометрического смещения расчетного вагона в кривой ,

E₀= 26+31+ 0 = 57 мм;

E_B= 26+31+[2,5*(9,72-4,86)*4,86+2,14 - 180]= 57 мм;

Построение горизонтальной габаритной рамки (рис 1.8)

Рис.1.8 Горизонтальная габаритная рамка очертания вагона



4. Дать определение технико-экономических параметров вагона и указать их величины применительно к рассматриваемому вагону

К основным параметрам грузового вагона, оптимальная величина которых определяется в результате технико-экономического расчета, относится:

Т - тара вагона или его собственная масса;

Р - грузоподъемность вагона ;

V - объем кузова;

F - площадь полувагона.

Эти параметры выбираются в зависимости от следующих показателей:

2Lсц - длина вагона по осям автосцепок;

2l - база вагона;

количество осей.

Отражают геометрию кузова:

2B - ширина заданного габарита,

H - высота габарита,

- -ширина колеи,

- нормируемая осевая нагрузка,

- нормируемая погонная нагрузка,

- доля итого груза в общем объеме перевозок,

- дальность перевозки итого груза.

При проектировании учитываются ограничения, накладываемые на вагон.

К ним относятся: допускаемая осевая нагрузка вагона, заданный габарит подвижного состава.

№ п/п	Наименование показателя	Величина показателя
1	Грузоподъемность, тонн	70
2	Масса тары вагона, тонн	24
3	Площадь пола, м2	41,8
4	База вагона, мм	9720
5	Длина, мм: - по осям сцепления автосцепок - по концевым балкам рамы - внутри кузова	14600 13400 13 300
6	Нагрузка: - статическая осевая(от колесной пары на рельсы), кН(тс) - погонная, кН/м (тс/м)	223,5 (23,75) 61,06 (6,22)
7	Конструкционная скорость, км/ч	120
8	Ширина мм: - максимальная - внутри кузова	3240 2770
9	Высота от уровня головок рельсов, мм:	4000
	Коэффициент тары	0, 30
	Удельная площадь, /т	0,52
10	Количество осей, шт	4
11	Количество стоек, шт	8
12	Модель тележки	18-100
13	Габарит	1-Т
14	Изготовитель	ОАО «Русхиммаш»

Для сравнения удобно пользоваться относительными параметрами или характеристиками.

- технический коэффициент тары,

- погрузочный коэффициент тары,

- удельный объем,

ц - погрузочный объем,

- удельная площадь пола,

- погонная нагрузка брутто,

- погонная нагрузка нетто.

Где: - коэффициент использования грузоподъемности,

ц - коэффициент заполнения грузового помещения.

Для универсальных вагонов удобно пользоваться следующими зависимостями:

- средняя статическая нагрузка, где - статическая нагрузка итого груза.

- средняя динамическая нагрузка.



5. Колесные пары рассматриваемого вагона

5.1 Рассмотреть устройство колесных пар применяемых под заданным вагоном, указав их основные размеры, химический состав и механические свойства материала

Колесные пары РУ-950 тележки 18-100 имеют оси РУ-1 с горячей посадкой подшипников (диаметр шейки 0.13 м), изготовленные из стали ОСВ ГОСТ 4728-79, и стальные цельнокатаные колеса, диаметром 0.95 м. Колесные пары имеют высокий уровень усталостной прочности.

Рисунок 1.9 Общий вид колесной пары.

Применение полых осей позволяет снизить массу колесной пары с одновременным повышением усталостной прочности (за счет неравномерного распределения напряжений изгиба по сечению оси), а также улучшит структуру и механические свойства металла. Перспективным является создание колес из алюминиевых сплавов, что позволит снизить массу.

Колесной парой называется сборочная единица ходовых частей (тележки), состоящая из оси с напрессованными колесами на ее подступичные части (рис. 2).

Обратите внимание на общий вид колесной пары (рис. 1.9).

Колесные пары служат для восприятия нагрузок от рамы тележки и передачи на верхнее строение пути. Колесные пары взаимодействуют с путевыми строениями, передавая нагрузки от вагона, через них воспринимаются нагрузки от путевых строений. Колесные пары направляют движение вагона по рельсам.

Оси различаются:

1. Размерами основных элементов Сталь ОСВ;

2. Формой шейки ;

3. Формой поперечного сечения;

4. Способом посадки внутренних колец подшипников качения на шейки;

5. Способом закрепления подшипника переднего на шейке;

6. Материалом и технологией изготовления.

Для удобства размещения подшипников наружная часть оси «шейка» имеет цилиндрическую форму такую же форму имеет подступичная часть где размещаются колеса между ними предподступичная часть, где задние уплотнительные детали букс. Средняя часть имеет к центру конический переход для снятия напряжений, делаются плавные скругления - галтели. Такая конструкция оси выбрана в соответствии с нагрузками на ось. Ось работает на изгиб и кручение испытывая знакопеременные нагрузки. Черные оси изготавливают методами: ковки, штамповки, поперечно внутренней прокатки и горячего деформирования.

Рис. 2 Колесная пара с роликовыми буксовыми узлами

Конструктивные элементы колесной пары выполняются следующим образом (рис. 2.1).

Рис. 2.1 Схема колесной пары:

1 -- расстояние между внутренними гранями колес; 2 -- диаметр колеса по кругу катания; 3 -- диаметр шейки оси; 4-- диаметр предподступичной части оси; 5 -- диаметр средней части оси; 6 -- размеры элементов

Ось колесной пары представляет собой цилиндрический стержень, имеющий разные диаметры частей по длине в зависимости от их назначения и воспринимаемых нагрузок (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Элементы колесной пары

На оси выделяются следующие части: шейки, предподступичные части, подступичные части и средняя часть оси.

Шейки служат для размещения и закрепления на них буксовых узлов. Для этого на торцах шеек предусматривается резьба или отверстия для болтов.

На подступичные части оси под большим давлением напрессовываются колеса. Эти части являются наиболее утолщенными по всей оси.

Для смягчения перехода от подступичных частей к шейкам служат предподступичные части. Кроме того, на предподступичной части размещается задний затвор буксы. Переходы от одной части оси к другой выполняются в виде галтелей (плавных переходов) соответствующего радиуса, за исключением перехода к средней части оси. Галтели резко снижают концентрацию напряжений при переходе от одного диаметра оси к другому и тем самым повышают надежность работы оси.

Колесо (рис. 2.2) имеет обод, диск и ступицу. Ширина обода -- 130 мм. Переход от ступицы к ободу выполнен в форме диска, расположенного под некоторым углом к этим частям, что придает колесу упругость и снижает воздействия динамических сил. Диск слегка конусный: у ступицы его толщина больше, чем у обода. Такая форма распределения металла наиболее рациональна, так как обеспечивает равнопрочность колеса относительно поперечных толчков.

У одного края обода колеса, обращенного внутрь колесной пары, имеется гребень, предохраняющий колесную пару от схода с рельсов. Гребень у вагонных колес имеет высоту 28 мм, толщина же его, измеренная на расстоянии 18 мм от вершины равна 33 мм.

Поверхности катания колеса придается коничность для выравнивания неравномерного проката по ширине поверхности катания, а также для облегчения прохождения кривых участков пути (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Профиль поверхности катания колеса

Профиль поверхности катания колес выбирается в соответствии с профилем головок рельсов и с учетом подуклонки рельсов, которая обеспечивается конусными подкладками под основание рельсов

У современных конструкций пути головке рельсов придается выпуклая форма, чтобы колесо катилось по ее середине. Рельсы устанавливаются с уклоном внутрь колеи, равным коничности поверхности катания колеса 1/20, благодаря чему давление от колеса на подошву рельса передается по вертикальной оси рельса, проходящей через его центр тяжести.

Рис. 2.4. Схема взаимодействия колеса и рельса

Начиная от гребня (рис. 2.3) после небольшой площадки, поверхность катания обода колеса имеет уклон 1/20, а затем 1/7, который оканчивается фаской 6x6 мм. Двойная коничность делается потому, что в обычных условиях колесо работает на коничности 1/20, а при проходе кривых участков включается конусность 1/7 и обеспечивается движение колесной пары с меньшим проскальзыванием колес. Кроме того, наличие конусности 1/7 и фаски 6x6 мм поднимает наружную грань колеса над головкой рельса, что обеспечивает беспрепятственный проход стрелочных переводов, даже при наличии нормированного проката поверхности катания колес.

5.2 Рассмотреть комплекс сил, действующих в эксплуатации на колесную пару

Расчет оси условным методом

Оценка прочности осуществляется по допускаемым напряжениям. Ось рассматривается в статическом состоянии и на неё действуют силы:

1. Вертикальные силы на обе шейки от массы брутто Q=1.25Po;

2. горизонтальные силы как доля от вертикального приложения в центре тяжести кузова

H= 0.5Po, где Po- максимальная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы (или фактическая);

1.25; 0.5 - коэффициенты, учитывающие динамическое воздействие сил в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Максимальная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы при проектировании определяется заданием. При оценки прочности существующей оси фактическая осевая нагрузка определяется по формуле:

, где Рст - статическая нагрузка вагона представляет собой силу тяжести груза в вагоне;

Т - собственная сила тяжести от тары вагона;

mo - число колесных пар в вагоне.

5.3 Расчет оси колесной пары на прочность

Ось рассматривается как двух консольная шарнирно опертая балка. В расчетной схеме внешние силы: h = 1.45м от осевой линии колесной пары. Вертикальная Q и горизонтальная H силы загружают вертикальной силой P1 левую и P2 правую шейки. В связи с учетом неблагополучного сочетания не симметричных колебаний считаем, что нагрузка приложена к середине шейки, а на другой равна 0.

На левую P1 =

На правую P2 = ;

2b2 - расстояние между серединами шеек.

2b2 = 2.036м;

2S = 1.58м;

r = 450мм.

N1 =

N2 =

Горизонтальная реакция рельса Hp уравновешивает H приложенную к гребню левого колеса. Из условия равновесия оси изгибающие моменты вызванные действием разных нагрузок в этом методе рассчитывают в 3 более опасных сечениях.

1.1 у внутренней галтели шейки;

2.2 в подступичной части в плоскости круга катания колеса;

3.3 в среднем сечении оси.

M1 = P1 *

M2 = P1*l2+H*r, где l2 - расстояние от середины шейки до плоскости круга катания;

M3 = P1*b2+H*r.

Моменты сопротивления изгибу для итого рассматриваемого сечения сплошной оси.

Wi =

Mi = Wi*где -допускаемое напряжение в Мпа.

В условном методе определяют минимальные динамические оси обеспечивающие необходимую прочность.

d1 = d2 = d3 =

Рo = = = 235 Кн.;

P1 = = = 146.875+83.68= 230.5 Кн;

P2 = = = 146.875-83.68= 63.1 Кн;

N1 = = 146.7 + =146.8+141,3 = 288,1 Кн;

N2 = = 146,875 - = 146,8 - 141,3 =5,5 Кн;

M1 = P1* = = 230,556*0,095 = 21.9 Кн*м;

M2 = 230,556*0.228+117,5*0.45 = 52.5+52,8 = 105.4 Кн*м;

M3 = 230,556*1.018+117,5*0.45-233,375*0.79 = 234.7+52.8 -184,3 = 59,9 Кн*м;

d1 = = 0,121 м;

d2 = = 0,186 м;

d3 = 0,159 м;

В шейке прочность оказалась больше, то прочность обеспечена. В подступичной части прочность больше задаваемой-значит прочность обеспечена. В средней части прочность оказалась больше заданной, следовательно, прочность обеспечена.



6. Конструкция применяемых типов подшипников качения, способы их посадки на шейку оси

Буксы предназначены для передачи нагрузки от тележки или рамы кузова вагона на шейки осей, а также для ограничения продольного и поперечного перемещений колесной пары при движении вагона.

Рис 2.5 Букса.

Буксовый узел тележки состоит из литого корпуса, изготовленного из стали 20ГФЛ, переднего 1 (рис.2.5) и заднего 2 подшипников, посаженных на шейку оси вплотную друг к другу, что уменьшает габаритные размеры буксы и снижает напряжения в шейке оси. Оба подшипника полузакрытого типа. Задний подшипник имеет однобуртное внутреннее кольцо 4. Блоки подшипников взаимозаменяемы.

Букса имеет четырех камерное лабиринтное уплотнение с уменьшенным радиальным зазором. Кольцевая поверхность 5 на торце оси позволяет осуществлять ультразвуковой контроль шейки оси без снятия внутренних колец подшипников, торцевое крепление состоит из приставного кольца, приставной шайбы и трех болтов.

Подшипники качения

Применение подшипников качения позволило заменить трение скольжения трением качения. Трение качения существенно меньше зависит от смазки. Условный коэффициент трения качения мал и близок к коэффициенту жидкостного трения в подшипниках скольжения. При этом упрощаются система смазки и обслуживание подшипника, уменьшается возможность разрушения при кратковременных перебоях в смазке (например, в периоды пусков, резких изменений нагрузок и скоростей). Конструкция подшипников качения позволяет изготовлять их в массовых количествах как стандартную продукцию, что значительно снижает стоимость производства. Отмеченные основные качества подшипников качения обеспечили им широкое распространение. К недостаткам подшипников качения следует отнести отсутствие разъемных конструкций, сравнительно большие радиальные габариты, ограниченную быстроходность, связанную с кинематикой и динамикой тел качения (центробежные силы, гироскопические моменты и пр.), низкую работоспособность при вибрационных и ударных нагрузках и при работе в агрессивных средах.