Расчет ТРП

1 Расчет колодочного  тормоза. 

     1.1 Определение допустимого нажатия  тормозной колодки

      Для создания эффективной тормозной  системы сила нажатия тормозной  колодки на колесо должна обеспечивать реализацию максимальной силы сцепления  колеса с рельсом и в месте  с тем исключать возможность появления юза при торможении. Это положение в колодочном тормозе выполняется при граничных условиях, соответствующих сухим и чистым рельсам, и аналитически выражаются уравнением

где К  – допустимая сила нажатия колодки на колесо, кН;

φ_к – действительный коэффициент трения тормозной колодки о колесо;

0,85 –  коэффициент, учитывающий разгрузку  задней колесной пары;

ψ_к – коэффициент сцепления колеса с рельсом при торможении;

Р_к – статическая нагрузка на колесо, отнесенная к одной тормозной колодке, кН.

где Р_у – учетный вес электровоза, тепловоза или вагона электропоезда, тс

z=12 – число колесных пар (тормозных осей) электровоза, тепловоза или вагона электропоезда;

m_k=2 – количество тормозных колодок или их секций, приходящихся на одно колесо;

g=9,81≈10 м/с – ускорение свободного падения.

      Значение  m_k принимаются по заданной для расчета рычажной передачи, а значения P_Y, z – по таблице 2 [1].

     Найдем  коэффициент трения для стандартных  чугунных колодок

     где v=7 км/ч – расчетная скорость движения экипажа при недопущении юза, км/ч (таблица 3 методические указания).

     Коэффициент сцепления ψ_к=0,1275 выбирается из таблицы 3 (методическое указание) в зависимости от скорости недопущения юза и нагрузки колесной пары на рельсы для граничных условий при сухих и чистых рельсах методом интерполяции.

     После преобразования формулы получим

      Нагрузка от колесной пары на рельсы определяется из выражения

      Полученное  значение К проверяем исходя из требований теплового режима трущихся пар

где F_k=442 см² – номинальная площадь трения тормозной колодки; (таблица 4 [1])

- допустимое удельное давление  на тормозную колодку; (таблица  5 методические указания). 
 
 
 

1.2 Вывод формулы  и определение передаточного  числа рычажной 

тормозной передачи.

      Характерной чертой каждой рычажной передачи является передаточное число n. Оно показывает во сколько раз сумма нажатия тормозных колодок больше усилий на штоки тормозного цилиндра:

      Передаточное  число определяется как произведение отношений ведущих плеч к ведомым. Тормозная рычажная передача (ТРП) воспринимает усилия от штока тормозного цилиндра, увеличивает его в несколько раз и равномерно между тормозными колодками.

Выбираем  стандартное значение n_об=6,22 для тепловоза 2ТЭ116.

      Величина  угла наклона колодки α принимать для электровозов, тепловозов и моторных вагонов электропоездов 30⁰, а для головных и прицепных вагонов – 10⁰. 

     1.3 Определение диаметра тормозного  цилиндра

      Диаметр тормозного цилиндра находят из известной  зависимости, связывающей необходимое  на штоке тормозное усилие с усилием, действующим на поршень при наполнении тормозного цилиндра сжатым воздухом:

Откуда

где Р_шт – усилие, развиваемое по штоку поршня тормозного цилиндра при условии безъюзового торможения, Н;

     Р_тц=0,42 МПа – давление воздуха в тормозном цилиндре для пассажирских электровозов, тепловозов и вагонов электропоездов.

     Р₀=1240 Н – усилие предварительной затяжки отпускной пружины тормозного цилиндра. (таблица 6 методические указания).

     Lдоп=12,5, см – максимально допустимый ход поршня тормозного цилиндра, (таблица 6 методические указания);

     Ж_пр=51,7 Н/см – жесткость тормозной пружины (таблица 6 методические указания).

      η_тц=0,98 – КПД тормозного цилиндра (потери на трение).

      Усилие, развиваемое по штоку поршня тормозного цилиндра при условии безъюзового торможения:

где   К_доп – допустимое нажатие на тормозную колодку электровоза, тепловоза или вагона электропоезда.

      η_рп=0,9 – коэффициент силовых потерь на трение в рычажной передаче для вагонов электропоездов.

      m=2 – число колодок рычажной передачи, действующих от одного тормозного цилиндра.

Определяем  диаметр тормозного цилиндра

      По  полученному диаметру тормозного цилиндра выбираем ближайший больший стандартный  цилиндр d_{тц. ст.}=254 мм.

      Пересчитываем значение P_шт

1.4 Выбор  воздушной части тормозной системы.

      В воздушной части тяговой единицы  подвижного состава входят: компрессорная  установка, кран машиниста, воздухораспределитель, запасной резервуар, воздухопровод с арматурой и другие приборы.

     При разработке воздушной части тормозной  системы электровоза, тепловоза  или вагона электропоезда предварительно выбирают тип воздухораспределителя. На железных дорогах России определяют следующие типы воздухораспределителей: усл.№292-001, усл.№292М, усл.№ 305-000, усл.№483, усл.№483М и др. Тип воздухораспределителей выбирают, исходя из времени заполнения тормозного цилиндра сжатым воздухом до 90% его максимального давления. Для пассажирского тормоза это время не должно превышать 8 сек., а для грузового – 25сек. Такие величины времени наполнения тормозного цилиндра в пассажирском тормозе обеспечиваются воздухораспределителями усл.№292-001, усл.№292М, а в грузовом – усл.№483, усл.№483М.

      Для тепловоза 2ТЭ116 выбираем воздухораспределитель усл.№483М.

      Минимальный объем запасного резервуара определяется

где F_тц – площадь поршня тормозного цилиндра,

     По  найденной величине минимального объема принимают ближайший больший стандартный запасной резервуар V_зр=20×10³ см^3.

     1.5 Определение подачи (производительности) компрессора и объема главного  резервуаров.

     Общий часовой расход воздуха, который  должен подводиться компрессором при  частных торможениях, в см³/ч

     Где  Q_тор – расход сжатого воздуха на торможение, см³/ч;

     Q_ут – расход сжатого воздуха на утечки из магистрали и приборов тормозной системы, см³/ч;

     Q_др – другие расходы, см³/ч;

     Q_тор определяется по следующей формуле

     где ΔР_тм=0,09 МПа – снижение давления воздуха в тормозной магистрали при регулировочном торможении (0,08 – 0,1 Мпа);

     ΔР_бор=0,1 Мпа – атмосферное давление воздуха, Мпа;

     К=10 ч^-1 – число регулировочных торможений за 1 ч для тепловозов;

     V_тс – объем тормозной сети поезда или электропоезда (магистрали с отростками, запасных резервуаров и рабочих камер), см³. Определяется по следующей формуле:

     где V_тм=38,8×10³ см³ – объем тормозной магистрали конкретной подвижной единицы, (таблица 7 [1]).

     V_зр=20×10³ см³ – объем запасного резервуара конкретной подвижной единицы (для тепловоза определен выше);

     V_рр=12,5×10³  см³  –         объем        рабочих       резервуаров воздухораспределителя

пассажирской  подвижной единицы;

            r_ni=62 – число конкретных подвижных единиц, включенных в поезд по заданию (включая локомотив и различные типы вагонов).

      Расход  сжатого воздуха на утечки из магистрали и приборов тормозной системы  Q_ут определяется по следующей формуле:

где ΔР_ут=0,02 МПа×мин – допустимое снижение давления в тормозной магистрали в минуту за счет утечек (в соответствии с действующими инструкциями принимается 0,02 МПа×мин при давлении в магистрали 0,5 МПа).

      Другие  расходы (питание различных вспомогательных  механизмов, открывание и закрывание дверей вагонов электропоезда и др.) можно принять следующее для тепловозов:

      Подставляем в формулу для Q_общ полученные значения:

      Потребная подача компрессора в см³/мин может быть определена:

где 1,3 – коэффициент, учитывающий необходимость включения компрессора для охлаждения;

      Q_лок.ут.=150×10³ см³/мин – расход сжатого воздуха на компенсирование утечек из главных резервуаров и напорной сети электровоза, тепловоза, электропоезда.

      Необходимый объем главных резервуаров из условия наполнения тормозной магистрали (без питания запасных резервуаров) после торможения в см³:

где ΔР_м=0,15 МПа – снижение давления сжатого воздуха в тормозной магистрали поезда при полном служебном торможении;

      ΔР_гр=0,2 МПа – допустимый перепад давления воздуха в главных резервуарах при полном служебном торможении.

      По  полученной величине V_гр принимаем ближайший больший стандартный объем главных резервуаров: V_гр.ст.=170×10³ см³.

      Найденные подачу компрессора и емкости главных резервуаров необходимо проверить для случаев отпуска и зарядки тормозов после служебного и экстренного торможения. В основу расчета принимаем уравнение баланса расхода сжатого воздуха в следующем виде:

Где  ΔР_рр=0,15 МПа – перепад давления в рабочем резервуаре (при полном служебном и экстренном торможении с воздухораспределителями пассажирского типа);

      Р_зр=0,51 МПа – давление в запасных резервуарах для пассажирского тормоза 0,5 – 0,52 МПа.

      ΔР_зр=0,4 МПа – снижение давления в запасных резервуарах.

      t_от=3 мин – расчетное время отпуска тормоза и подзарядки запасных резервуаров до установленного зарядного давления.

      Рассчитанный  компрессор и емкости главных  резервуаров обеспечивает расход сжатого воздуха, так как 1756,3∙10⁴>349,9∙10⁴ см³/мин. 
 
 
 
 
 
 
 

2.Расчёт  обеспеченности поезда  тормозными средствами. 

     2.1 Определение действительной и  расчётной подачи сил нажатия  тормозных колодок электровоза,  тепловоза или вагона электропоезда.

      Действительная сила нажатия на тормозную колодку

     где P_шт было определено выше при выбранном ранее стандартном диаметре тормозного цилиндра.

      Подсчитать  по величинам j_к и К_д, соответствующим фактическим, действительным значениям, тормозную силу поезда, составленного из большого количества вагонов различных типов с различными силами нажатия, затруднительно. Поэтому её определяют методом приведения, при котором действительные величины К_д и j_к заменяют расчётными. При этом в соответствии с [Прав тяг расчётов] должно выполнятся условие

где j_к* К_д - действительная тормозная сила поезда, реализуемая между колесом и рельсом;

      j_кр* К_р   - расчётная тормозная сила;

      j_кр - расчётный коэффициент трения тормозной колодки;

      К_р - расчётное нажатие тормозной колодки.

      Из  этого равенства получим выражение  расчётного тормозного нажатия

      Для определения расчётных коэффициентов  трения используем формулы:

для стандартных  чугунных колодок

      Подставив в формулу известные значения j_к и j_кр, получим соответственно для стандартных чугунных тормозных колодок:

      При определении величины К_р для рычажной передачи заданного, тепловоза или вагона электропоезда значение К_д принимается равным рассчитанному ранее по формуле в кН. 

     2.2 Определение расчётного коэффициента  нажатия тормозных колодок электровоза,  тепловоза или вагона электропоезда.

      Расчётный коэффициент нажатия тормозных  колодок электровоза, тепловоза, вагона электропоезда характеризует степень обеспеченности подвижной единицы тормозными средствами. Отношение суммы расчётного нажатия тормозных колодок подвижной единицы к его весу называют расчётным коэффициентом нажатия тормозных колодок. Он определяется по формуле

      где -суммарное расчётное нажатие тормозных колодок электровоза, тепловоза или вагона электропоезда, кН;

      Р_у – учётный вес электровоза, тепловоза или вагона электропоезда, тс.

      Суммарное расчётное нажатие тормозных  колодок электровоза, тепловоза или вагона электропоезда

      где К_р – расчётное нажатие тормозной колодки, кН;

            m - число колодок рычажной передачи, действующих от одного тормозного цилиндра;

            l - число рычажных передач (тормозных цилиндров) электровоза, тепловоза или вагона электропоезда.

      Обеспеченность  электровоза, тепловоза или вагона электропоезда тормозными средствами оценивается из сравнения полученной величины с данными, приведёнными в  табл. 8 [1].

2.3 Определение  расчётного тормозного коэффициента  поезда.

      Расчетный тормозной коэффициент поезда характеризует  степень обеспеченности поезда тормозными средствами. Отношение расчетного нажатия  тормозных колодок к весу поезда называют расчетным тормозным коэффициентом  поезда, для уклона до 18‰

для уклона выше 18‰

      где ∑К_рⁿ – суммарное расчетное нажатие тормозных колодок поезда, кН

      Р_л – вес локомотива, тс

      Q_с – вес состава поезда, определяемый по формуле

     где Q₁, Q₂,  – вес соответствующих типов вагонов в поезде, выбирается из табл.8 [1] тс.

      у₁, у₂  – количество соответствующих типов вагонов в поезде по типам осности.

      Суммарное расчетное нажатие тормозных  колодок поезда подсчитывается по формуле  
 

Найденная величина υ_р не должна быть меньше значений указанных в табл.12 [1].

      Расчетный коэффициент нажатия тормозных  колодок для уклона до 18‰ υ_р=0,48,а для уклона свыше 18‰ – 0,49 следовательно тепловоз 2ТЭ116 обеспечен тормозными средствами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Оценка эффективности  тормозной системы  поезда. 

      Оценка  эффективности проектируемой тормозной  системы поезда производится по длине  тормозного пути S_т, величинам средних замедлений ε_i, времени торможения t_тор. 

1.  Расчет  тормозного пути поезда при автостопном торможении.

     Тормозным путём называют расстояние, проходимое поездом за время от момента перевода ручки крана машиниста или  стоп крана в тормозное положение  до полной остановки поезда.

     Длина тормозного пути может быть рассчитана по формуле, вытекающей из интегрирования уравнения движения тормозящего поезда.

     Тормозной путь поезда условно определяется как  сумма подготовительного пути S_п и действительного пути торможения S_д , т.е.

где V₀- скорость поезда в момент начала торможения, км/ч;

      t_п- время подготовки тормозов к действию, с;

     V_н ,V_к- начальная и конечная скорости поезда в принятом расчётном интервале скоростей (интервал не более 10 км/ч);

           ζ-замедление поезда под действием удельной замедляющей  силы в 1 Н/кН, км·кН/(ч² ·Н) (принимается для грузовых и пассажирских поездов 120);

     b_м-удельная тормозная сила, Н/кН;

     w_ох - основное удельное сопротивление движению поезда со средней скоростью в каждом интервале при следовании электровоза, тепловоза или электропоезда на холостом ходу (выбеге), Н/кН.

     Время подготовки тормозов к действию в  секундах определяется при экстренном и полном служебном торможении по следующим формулам:

     для грузовых поездов длиной более 200 осей (до 300)

     Удельная  тормозная сила поезда находится  по формуле:

     где φ^ч_кр, φ^к_кр определяются по формулам (29)-(30).

           Основное удельное сопротивление движению грузового  или пассажирского поезда со средней скоростью в каждом интервале при следовании электровоза, тепловоза на холостом ходу (выбеге) определяется по следующим выражениям

     где    w_o- основное удельное сопротивление движению состава, Н/кН;

                 w_x- удельное сопротивление движению электровоза, тепловоза на холостом ходу (выбеге), Н/кН.

     Удельное  сопротивление движению электровоза, тепловоза в Н/кН на холостом ходу (выбеге)

     на  звеньевом пути

     Основное  удельное сопротивление движению грузового  состава в Н/кН определяется по формуле

где  w₀₈, w₀₄, w_0n – основное удельное сопротивление движению восьми-, четырёхосных вагонов, Н/кН;

Q₈, Q₄, Q_n – вес соответствующей группы вагонов, тс.

      Основное  удельное сопротивление движению четырёхосных вагонов в составе на различных буксовых подшипниках в Н/кН определяется по формуле

где w₀₄^ск , w₀₄^к – основное удельное сопротивление движению четырёхосных вагонов в составе на подшипниках скольжения и качения соответственно, Н/кН;

      α,β- доли в составе четырёхосных вагонов  на подшипниках скольжения и качения  соответственно, (α берётся из задания; β=1-α).

      Основное  удельное  сопротивление движению гружённых четырёхосных вагонов  в Н/кН на подшипниках скольжения (q₀₄>6тс):

      на  звеньевом пути

где q₀₄- нагрузка, передаваемая от колесной пары на рельсы четырёхосного вагона, тс.

      Основное  удельное сопротивление движению груженных  четырёхосных вагонов и вагонов  рефрижераторных поездов в Н/кН на роликовых подшипниках (q₀₄>6тс):

      на  звеньевом пути

      Основное  удельное сопротивление движению груженных  восьмиосных вагонов в Н/кН на роликовых подшипниках (q₀₈>6тс):

      на  звеньевом пути

где q₀₈- нагрузка, передаваемая от колёсной пары на рельсы восьмиосного вагона, тс.

      Результаты  подсчёта тормозного пути для двух уклонов (спусков) сводятся в итоговые таблицы. Действительный путь торможения определяется сложением поочерёдно отрезков действительных тормозных