Контрольная работа по теме Расчет вагонов

Содержание  

1. Рессорное подвешивание

 

2. Конструкция пружин

 

3. Рессоры

 

4. Гасители  колебаний

 

5. Способы увеличения прочности  и долговечности  рессор и пружин

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.   Рессорное подвешивание 

         Кузов вагона передает нагрузку на буксы колесных пар через промежуточную систему, называемую рессорным подвешиванием, которую образуют упругие элементы (рессоры, пружины, амортизаторы, гасители колебаний) и соединительные детали (рессорные подвески, валики и т.д.) связывающих колесные пары с рамой тележки или кузова вагона.

          Рессорное подвешивание обеспечивает смягчение толчков и ударов, передаваемых колесами кузову, а также гашение колебаний, возникающих при движении вагона. В результате этого ослабляется действие толчков на пассажиров, уменьшается износ подвижного состава и железнодорожного пути. В качестве упругих элементов применяют винтовые пружины, листовые рессоры, пневматические, торсионные, кольцевые и другие типы рессор, а также резинометаллические элементы.

         В рессорном подвешивании вагонов большое распространение получили витые цилиндрические пружины. В сравнении с листовыми рессорами они позволяют получить необходимые упругие характеристики при меньших массах и габаритных размерах, а в сочетании с гасителями колебаний обеспечивают более спокойный ход вагона. Кроме того, пружины смягчают горизонтальные толчки и удары. Они проще и дешевле в изготовлении и ремонте, чем листовые рессоры.

         Рессоры и пружины характеризуются геометрическими размерами и гибкими свойствами.

         К основным размерам относятся: высота рессоры или пружины в свободном состоянии без груза и высота под грузом, длина рессоры, диаметр пружины, диаметр прутка, число рабочих витков пружины. Разность между высотой рессоры или пружины в свободном состоянии без груза и высотой под грузом называется прогибом рессоры.

        Гибкие свойства рессор (пружин) определяются коэффициентом гибкости (или просто гибкостью) либо коэффициентом жесткости (жесткостью). Жесткость — величина, обратная гибкости. Гибкость и жесткость рессор (пружин) зависят от их основных размеров. При увеличении длины рессоры или при уменьшении числа и сечения листов гибкость ее увеличивается, а жесткость уменьшается. У пружин с увеличением среднего диаметра витков и их числа и с уменьшением сечения прутка гибкость увеличивается, а жесткость уменьшается.

        Рессорное подвешивание, шарнирно соединяющее раму вагона или тележки с установленной на буксе рессорой, называют надбуксовым рессорным подвешиванием. В тележках, кроме надбуксового, применяется еще центральное подвешивание, при котором рессоры или пружины расположены посередине рамы тележки и упруго соединяют ее с рамой  вагона. 

         Центральное рессорное подвешивание, работая последовательно с надбуксовым, увеличивает общую гибкость упругого подвешивания вагона.

         Рессоры и пружины могут располагаться параллельно и последовательно. В зависимости от количества последовательно соединенных систем рессор подвешивание бывает одинарным, двойным и тройным. Если между рамой вагона или рамой тележки и буксой установлена одна система параллельно работающих рессор, подвешивание называется одинарным; если установлены две или три системы рессор, работающих параллельно, подвешивание называется соответственно двойным или тройным. На пассажирских вагонах наиболее широко распространено двойное рессорное подвешивание — центральное и надбуксовое.

        Безопасность и плавность движения вагонов зависят от упругих свойств, прочности и качества конструкции рессор, пружин и гасителей колебаний. 

       В рассматриваемом пассажирском вагоне межобластного сообщения, где базовой тележкой является двухосная тележка модели КВЗ-ЦНИИ-I (рис. 1), состоящая:  1 - надбуксовая пружина; 2 - тормозное устройство; 3 - рама тележки; 4 - валик люлечной подвески;  5 - подпятник; 6 - карданный вал; 7-буксовый узел; 8 - серьга центрального подвешивания; 9 - поддон центрального подвешивания; 10 - генератор; 11- муфта карданного привода; 12 - гидравлический гаситель колебаний; 13 – поводок. 

        

Рис 1. Тележка  типа КВЗ-ЦНИИ I: 

2. Конструкция пружин

 

       Упругий элемент, изготовленный из отдельного прутка или полосы завивки, называется пружиной.

        В настоящее время в основном применяют пружины, которые по сравнению с рессорами значительно проще по конструкции и технологии изготовления, а в сочетании с гасителями колебаний обеспечивают более плавный ход   вагона при повышенной   скорости движения. Пружины изготовляют из прутков стали круглого, квадратного или прямоугольного сечения. 

       Цилиндрические винтовые пружины (рис. 2) широко применяются в рессорном подвешивании и в ударно-сцепных устройствах вагонов. Эти пружины представляют собой завитый по винтовой линии пруток стали с одинаковыми просветами между витками. За счет этих просветов пружина   может под нагрузкой изменять свою высоту. 
 

  

  Рис. 2 Цилиндрическая пружина 
 
 
 

     Чтобы последняя была устойчивой в рабочем положении, перед навивкой концы прутков нагревают и оттягивают в виде клина для получения плоской опорной поверхности. Длина каждого оттянутого конца делается равной ³/₄ длины окружности витка.

      Пружины характеризуются диаметром d прутка (или размером   его сечения), диаметром средней линии пружины Д_ср или наружным диаметром Д_нар, высотой Н_св в свободном состоянии, высотой при наибольшем   сжатии (до соприкосновения витков) К_гр и   числом рабочих витков n_р.  Число   рабочих   витков обычно меньше общего числа на 1,5 витка.

   В зависимости  от воспринимаемой на грузки цилиндрические пружины делают однорядными и двухрядными (две пружины, вставленные одна в другую). В двух рядных наружная пружина изготовляется из прутка большего диаметра, но с малым числом витков,   внутренняя — из более тонкого   прутка и с большим числом витков.

   Чтобы при сжатии витки внутренней пружины не зажимались наружной,  завивка   пружин  производится  в  разные  стороны.

   Цилиндрические  винтовые пружины изготовляют путем  навивки прутка — заготовки в  горячем состоянии на специальном  станке с роликами, поступательное перемещение которых создает заданный шаг пружины.

   Двухрядные  пружины применяются в тележках грузовых и пассажирских вагонов, а  также в поглощающих аппаратах. 

       
 

      Спиральные пружины, (рис. 3) предназначенные для восприятия больших усилий, навиваются из полосовой стали прямоугольного сечения с большим отношением сторон так, что каждый виток входит внутрь соседнего витка, образуя в плане спираль.

 

    Конические  пружины (рис. 4) в отличии от цилиндрических имеют переменный диаметр витков, который возрастает от верхнего конуса к нижнему. С уменьшением диаметра шаг витка постепенно уменьшается. Однако могут быть пружины и с постоянным шагом. У конических пружин при нагрузке расстояние между витками изменяется неодинаково сначала сжимаются витки большого диаметра, а затем постепенно витки меньших диаметров. Конические пружины имеют переменную жесткость, возрастающую с увеличением нагрузки. Если цилиндрические пружины в предельно сжатом состоянии могут занимать самую минимальную высоту Н_гр = nd, то коническая пружина с круглым сечением витка может быть сжата до предельной высоты, равной диаметру прутка Н_гр = d.

   

   Упругие свойства элементов рессорного подвешивания оценивают с помощью силовых  характеристик и коэффициентом  жесткости (жесткостью) или коэффициентом гибкости (гибкостью).

    На (рис. 5) показаны простейшие графики  силовых характеристик: линейность, которую имеет цилиндрическая пружина и нелинейность типичная для конических пружин. 
 

   Силовые характеристики пружин: 

   Жесткость упругого элемента численно равна силе, вызывающей прогиб этого элемента, равного единице длины:

   

                                                                                                                                ,                  (1)

                                      

   где Р – внешняя сила, действующая на рессору:

          f  - прогиб рессоры м от силы; 

   Гибкость  упругого элемента – величина обратная жесткости, численно равна прогибу  под действием силы, равной единице  длины:

   

                                                                                                                                  ,                  (2)        
 

   Для упругих  элементов с линейной характеристикой  жесткость постоянна (c = const).

   Для элементов  с линейной характеристикой она  изменяется по мере роста силы и прогиба и в общем случае определяется зависимостью  

   

                                                                          ,                   (3) 

   Если  известно уравнение р(f) силовой характеристики легко вычисляется жесткость.

   В системе  рессорного подвешивания упругие элементы могут быть соединены параллельно  или  последовательно. Рассмотрим тип  параллельного соединения рессоры (пружины) нагруженные общей силой  р рессоры имеют постоянные гибкости соответственно λ₁, λ₂ и λ₃ и жесткость с₁, с₂ и с₃. Силы приходившиеся на каждую из рессор, обозначим p₁, p₂ и p₃, а прогиб каждой рессоры – соответственно f₁, f₂ и f₃. в данном случае общий прогиб рессор f  равен прогибу каждой рессоры в отдельности. 

                                   f  =  f₁ = f₂ = f₃  

   Согласно  формуле имеем

   

   

;               ;            ;                   (4) 
 

   Сила  р равна сумме сил, действующих на каждую рессору т.е. 

                                           p  = p₁ + p₂ + p₃                          (5) 

   Учитывая  равенство прогибов упругих элементов  и подставляя значение p₁, p₂ и p₃, в последнее уравнение получим: 

     
 
 

Общая гибкость комплекта

                                     

                                    ,           (6) 
 

Выражая силы через жесткость и прогибы рессор, имеем: 

                  p₁ = f с₁ ;      p₂ = f с₂ ;       p₃ = f с₃ ;      p  = f с ;         

   Подставляя  эти значения в уравнения получим  формулу для расчета жесткости  подвешивания:   

                                         с = с₁ + с₂ + с₃.                    (7) 

   Коэффициент относительного трения рассматриваемого рессорного комплекта определяется формулой:

   

                                     

                                    ,              (8) 
 
 

   Где φ_Т1, φ_Т2   и φ_Т3 – коэффициент относительного трения в рессорных комплектах.

   

 
 
 
 
 

   Последовательное  соединении рессор имеется например в тележках двойного подвешивания.

   Для трех последовательно – расположенных  рессор, пренебрегая их весом и  весом промежуточных элементов имеем: 

           f  =  f₁ + f₂ + f₃ ;        p  = p₁ ± p₂ = p₃                          (9) 

   проводя преобразования аналогичные случаю параллельного подвешивания, получим  формулу: 

                                               λ = λ₁ + λ₂ + λ₃                   (10) 

   для общей жесткости 

   

                              (11) 
 

   или

     
 
 
 

   Коэффициент относительного трения в этом случае согласно нормам расчета вагонов  на прочность определяется по формуле: 

     
 
 
 

   Формулы, аналогично получаются для определения  гибкости, жесткости и коэффициента относительного трения комплекта, состоящую из любого числа параллельно или последовательно загруженных рессор. При последовательном соединении рессор, если они размещаются в каждой ступени (ярусе) не по одной, а по нескольку, сначала для каждой ступени λ, с и φ_Т по формулам для параллельного расположения рессор, а затем для всего подвешивания определяются λ, с и φ_Т по формулам для последовательного загружения. При действии на вагон боковых сил (центробежной силы, давления ветра) отдельные элементы рессорного подвешивания нагружаются неравномерно и тогда необходимо определять угловую жесткость подвешивания.

   Расчет  двухрядной пружины.

   Если  для обеспечения прочности и  необходимых гибких свойств однорядной пружины получаются сижком большие ее габаритные размеры, то целесообразно применять многорядные пружины.

   В качестве примера рассмотрим расчет двухрядной пружины. Двухрядная пружина работает по системе с параллельным их расположением в комплекте. В этом случае их общая жесткость равна сумме жесткости внутренней и наружной пружины. 

                                          с = с_В + с_Н                             (13) 

   а общий  прогиб одинаков для обеих пружин 

                                              f  =  f_В + f_Н                                 (14) 

   кроме того, для рациональной работы обеих  пружин проектированием необходимо принимать условие равенства  возникающих в них напряжений 

                                                 τ_В  =  τ_Н 

   где τ_В, τ_Н – касательное напряжение, возникающее соответственно в материале внутренней и наружной пружин.

   Для получения  формулы расчета прогиба пружины  можно использовать энергетический метод;

   работа  внешних сил равна потенциальной  энергии деформации кручения прутка пружины: 

   А = П 

   Работа  внешних сил сжатия пружины определяется из силовой характеристики и численно равна площади треугольника 

   

 
 

   Силовые характеристики упругих элементов

   а)    цилиндрической пружины

   б)    конической пружины

   в)    листовой рессоры

   г)    резиновой рессоры

   д)    пневматической 
 
 

     
 
 

   Из  курса строительной механики известно, что потенциальная энергия деформации кручения прутка пружины определяется по формуле:

   

                                                                 ,                     (15) 
 

   где:  М = PR – крутящий момент

           l = 2πR n_p – длина прутка пружины;

          n_p – число рабочих витков

     

– полярный момент инерции сечения прутка 
 

   Определим прогиб пружины

   

                                                                 ,                    (16) 

   По  критерию равенства напряжений с учетом получим:

     

                                                 ,                     (17) 

    Исходя  из условия равенства прогибов  получим

     

                                                 ,                  (18) 
 

   При равенстве левых частей формул приравняем их правые части. После сокращения подобных членов получим соотношения параметров пружин

   

                                                ,              (19) 
 

   Данное  соотношение можно распространить на любые многорядные пружины.

    При условии  равенства индексов М_В = М_Н пружин учитывая формулу получим равенство С_В = С_Н тогда соотношение принимает вид. 

                             R_ВН_В = R_Нn_Н                                      ( 20) 

   Расчет  на прочность отдельных пружин производится по формулам. При этом нагрузки на каждую из пружин определяются пропорционально  их жесткостям.

   

                                                               ,              (21) 

   где Р и С – вертикальная сила и жесткость двухрядной пружины:

         С_В и С_Н – жесткости внутренней и наружной пружин. 

   Для изготовления вагонных пружин применяются стали 55С2; 55С2А; 60С2; 60С2А (ГОСТ 14959-79) химический состав в процентах:

   С = 0,52 ÷ 0,60; М_Н = 0,6 ÷ 0,9; S_i = 1,5 ÷ 2,0;

   S, P, N_i не более 0,04 каждого, С_r не более 0,03. механические свойства термически обработанных сталей 55С2 и 60С2 предел прочности 1300 МПа, а при относительном удлинении 6 и 5% и сужении площади сечения 30 и 25% соответственно.  

   Расчет  двухрядной пружины га прочность. 

   Приближенным  методом оценить прочность двухрядной пружины рессорного комплекта тележки четырехосного полувагона. 
 

   Масса вагона брутто – m_бр = 82 т

   Масса необрессоренных частей вагона –  m_n = 8,8 т 

   Число двухрядной пружины одной двухосной  тележки 18-100 – n_эр = 12

   Коэффициент конструкционного запаса прочности – К_кд = 1,8

   Модуль  упругости материала пружин Е = 2,1 · 10⁵ мПа

   Модуль  сдвига l = 0,8 · 10⁵ мПа 

   Характеристика  пружин: 

           наружная       Д_н = 0,17;     d_н = 0,03; n_рн = 4,2;   m = 5,37

           внутренняя  Д_в = 0,105;  d_в = 0,019;  n_рв = 7,2;   m = 5,53 

1. Определим вертикальную статическую нагрузку, приходящуюся на одну двухрядную пружину.

                                                                   

       где Р_бр – вес вагона брутто

               Р_м –  сила тяжести ходовых частей, не воздействующие на упругие элементы. 

               n_э – число параллельных нагруженных упругих элементов 

   

                              кН 
 

2. Вычислим  расчетную вертикальную силу, действующую  на двухрядную пружину

 

Р_р = Р_ст ∙ К_кз

                        

Р_р = 29,92 ∙ 1,8 = 53,85 кН 

3. Определим вертикальную жестокость при  f = 1

 
 
 

где  τ – модуль сдвига

       d – диаметр прутка

       Д – средний диаметр прутка

       n_р – число рабочих витков 

наружной                  мН/м

 

внутренней              мН/м 
 

двухрядной  пружины С = 0,393 + 0,156 = 0,549 мН/м 

4. Подсчитаем  расчетные нагрузки действующие  на пружину

               

С_н и С_в – жесткость наружной и внутренней пружин 
 
 
 

наружной                       мН/м 

внутренней       мН/м        

5. Найдем  коэффициент учитывающий кривизну витых пружин

 
 
 

    

    наружной                          

 

    внутренней                         
 
 

    Рассчитываем  напряжения в материале

      
 
 

    

    наружной                                                           мПа

      R = 0,085

    

    внутренней                                                         мПа

      R = 0,0525 
 

    Таким образом, при данных условиях эксплуатации прочность пружин рессорного подвешивания т.е расчетные напряжения наружной и внутренней пружин не превышает допускаемых [ τ ] напряжений равные для рессорно пружинной стали – 771 мПа τ ≤ [τ ]