Расчет вписывания электровоза в кривые
МПС России
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра электрической тяги
РАСЧЕТ ВПИСЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА В КРИВЫЕ
Пояснительная записка к курсовой работе
по дисциплине «Динамика ЭПС»
Проверил:
доцент, к.т.н.
Нафиков А.М.
Екатеринбург
2001
СОДЕРЖАНИЕ
Исходные данные
1 Общее устройство механической части электровоза ВЛ23
2 Расчет статического вписывания
2.1 Расчет статического вписывания круговым методом
2.2 Расчет статического вписывания эллиптическим методом
3 Расчет динамического вписывания
4 Способы улучшения статического и динамического вписывания
Список литературы
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Формула ходовой части | 2a, м | Rст, м | Lк, м | Lср, м | 2Π, т·с | Rд, м | h, мм |
30 + 30 | 4,3 | 85 | 8,45 | 8,1 | 20,4 | 285 | 113 |
2а – жесткая база тележки (расстояние между осями крайних колесных пар);
Rст – радиус кривой для статического вписывания;
Lк – жесткая база кузова (расстояние между опорами кузова на
тележки);
Lср – расстояние между осями средних колесных пар двух смежных
тележек);
2π – осевая нагрузка;
Rд – радиус кривой для динамического вписывания;
h – возвышение наружного рельса над внутренним.
1 МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЭЛЕКТРОВОЗА ВЛ23
1.1 Рама тележки
Ходовая часть электровоза состоит из двух шарнирно сочлененных между собой трехосных тележек, которые в свою очередь состоят из рамы, колесных пар, зубчатых передач, букс, рессорного подвешивания, тормозной системы, упряжного прибора, путеочистителя, подвесок тяговых двигателей и деталей сочленения.
Рама тележки (рисунок 1.1) предназначена для распределения вертикальной нагрузки между отдельными колесными парами с помощью рессорного подвешивания, восприятия тягового усилия и передачи его на упряжные приборы.
Рисунок 1.1 - Рама тележки электровоза серии ВЛ23:
1 — боковой лист; 2 —буферный брус; 3 —шкворневая балка; 4 — среднее междурамное крепление; 5 — заднее междурамное крепление
Боковина рамы изготовлена из Ст5 и имеет толщину 100 мм. Боковина имеет верхний и нижний пояса, соединенные стойками, которые образуют упоры для букс. Нижний пояс боковины у буксовых, вырезов стянут струнками. Струнки закреплены к боковине с помощью шпилек и болтов. В буксовых проемах на боковину наварены накладки с наличниками, которые образуют буксовые направляющие.
Средняя часть буферного бруса выполнена в виде коробки, в которой установлен фрикционный аппарат упряжного прибора. Снизу буферный брус имеет кронштейны для тормозных подвесок и крепления путеочистителя.
Шкворневой брус сверху имеет подпятниковое гнездо, причем гнездо шкворневого бруса первой тележки круглое диаметром 470 мм, а второй — прямоугольное с размерами 575 X 520 мм. В подпятниковое гнездо шкворневого бруса первой тележки вварены прокладка и кольцо, образуя центровой подпятник. В подпятниковое гнездо шкворневого бруса второй тележки вварены планки и подкладки, образуя скользящий подпятник. По обе стороны подпятников шкворневой брус имеет приливы с продолговатыми отверстиями. К этим приливам приварены накладки — скользуны тележки.
Брус сочленения первой тележки заканчивается вилкой, а второй тележки — серьгой.
1.2 Колесная пара
Колесная пара (рисунок 1.2) состоит из оси 1, зубчатого колеса 2 и колесного центра с бандажом 3. Передача вращающего момента от якоря тягового двигателя к колесной паре осуществляется с помощью двусторонней жесткой косозубой передачи.
Зубчатое колесо состоит из центра зубчатого колеса и венца. Венец изготовляют из стали 50 ГОСТ 1050—74. Шестерню изготовляют из стали 37ХНЗА. Венец и шестерню подвергают закалке до твердости 43—55 HRC. Число зубьев шестерни 21, зубчатого венца 82, передаточное число 3,905, угол наклона зубьев 24°37'12". Зубчатая передача заключена в кожух, который крепят к остову тягового двигателя.
Рисунок 1.2 - Колесная пара
1.3 Рессорное подвешивание
Рессорное подвешивание (рисунок 1.3) электровоза служит для смягчения ударов, передаваемых на подрессорное строение при прохождении по неровностям пути, и равномерного распределения нагрузки между колесными парами и колесами.
Рессорное подвешивание состоит из цилиндрических пружин 1, листовых рессор 2, рессорных стоек 3, продольных балансиров 4, соединительных чек 5 и других деталей. По концам коренные листы рессор и продольные балансиры имеют круглые отверстия для установки накладок 6. Нижней поверхностью хомута рессоры через рессорную стойку 3 нагрузка передается на буксу. Рама тележки опирается на продольные балансиры посредством накладок.
Рисунок 1.3 - Рессорное подвешивание
1.4 Тормозная система
Рычажная тормозная система (рисунок 1.4) электровоза выполнена с односторонним нажатием колодок на каждое колесо. Тормозная система состоит из тормозных цилиндров 1, вертикальных рычагов 3, горизонтальных тормозных тяг 12, 14, 16, тормозных подвесок 7, балансиров, 13, 15, тормозных колодок 4, тормозных башмаков 5, тормозных поперечин б, 9, 11, возвращающей пружины (расположена внутри тормозного цилиндра), предохранительных скоб 8, соединительных валиков и поддерживающих подвесок 10. Вертикальные рычаги удлинены для присоединения тяг ручного тормоза 2.
Регулировку рычажной тормозной системы выполняют изменением рабочей длины тормозной тяги 16 регулировочным болтом. Тормозные башмаки 5 служат для установки тормозных колодок.
Ручной тормоз служит для затормаживайия электровоза в случае порчи автотормоза или при продолжительной стоянке. Ручной тормоз состоит из колонки, которая представляет собой двухступенчатый зубчатый редуктор, цепи, направляющих роликов, балансира и тяг.
1.5 Кузов
Металлический кузов электровоза имеет цельносварную конструкцию из профилей и листов углеродистой стали. Материал основных деталей кузова — сталь марки СтЗкп (ГОСТ 380—71). Обшивка стен кузова выполнена из листовой стали.
Кузов опирается на тележки двумя плоскими пятами и четырьмя дополнительными опорами. Пяты закреплены к раме кузова болтами, установленными на прессовой посадке. К нижней плоской опорной поверхности пяты и к боковой цилиндрической поверхности приварены сменные стальные закаленные наличники. Смазка пят осуществляется осевым маслом с помощью масленок, расположенных под рамой кузова.
Дополнительная опора состоит из стального стакана с чугунной прокладкой, скользящей по опорной плите рамы тележки, и двух резиновых шайб толщиной 25 мм каждая, разделенных стальными прокладками.
Изменением числа и толщины стальных прокладок в дополнительной опоре осуществляют регулировку положения рамы тележки, по которой скользит дополнительная опора. От попадания пыли и грязи опора защищена заслонками из тонколистовой стали. Смазка к дополнительной опоре подается из масленок, расположенных на тележке.
Рама кузова электровоза имеет одну центрально расположенную хребтовую балку, сваренную автоматической сваркой под слоем флюса из двух швеллеров № 30с и двух (верхней и нижней) накладок. Боковые стены кузова имеют листовую обшивку толщиной 2,5 мм. Для улучшения внешнего вида электровоза и уменьшения короблений обшивка стен выполнена с продольными гофрами.
На крыше кузова имеется люк с крышкой, служащий для доступа на крышу электровоза. Крышка люка снабжена механической блокировкой, позволяющей открыть люк лишь при опущенном токоприемнике и поднять токоприемник только после закрытия люка. Для удобства работ на крыше электровоза установлены металлические трапы и поручни.
Стены, пол и потолок кабины машиниста имеют тепловую изоляцию из шлаковойлока. Для входа в кабину машиниста имеются двери и подножки, расположенные по обе стороны электровоза. Для входа в машинное помещение имеются двери в перегородке кабины машиниста. Боковые окна кабины выполнены задвижными.
В высоковольной камере размещена вся высоковольтная аппаратура электровоза. Крепление камеры к кузову осуществлено электросваркой. На боковых стенках камеры расположены створчатые дверки, обеспечивающие доступ к аппаратам.
Вход в высоковольтную камеру осуществляется через задвижную дверь на задней торцовой стенке. Задвижная дверь камеры снабжена пневматической блокировкой. С помощью механической блокировки задвижная дверь связана с боковыми створчатыми дверками и с крышкой люка для доступа на крышу. Система блокировок не дает возможности открывать дверь камеры при поднятом токоприемнике, в свою очередь токоприемник может быть поднят лишь после закрытия всех дверок. Верхняя часть высоковольтной камеры, являющаяся реостатным помещением, отделена от нижней горизонтальными желобами воздухопровода и съемными щитами с войлочным уплотнением, расположенными над проходом внутри камеры.
Система вентиляции электровоза обеспечивает подачу воздуха для охлаждения тяговых двигателей и пусковых резисторов. Воздух в систему вентиляции нагнетается центробежным вентилятором. Забор воздуха производится из специальной камеры.
Степень открытия жалюзи регулируют расположенными в их нижней части винтами. С внутренней стороны к раме жалюзи прикреплены сетчатые фильтры. Пройдя жалюзи и фильтры, воздух попадает в воздушную камеру, из воздушной камеры воздух нагнетается вентилятором в воздуховод.
Воздуховод представляет собой систему труб прямоугольного сечения, изготовленных из тонколистовой стали. Система регулируемых заслонок обеспечивает подачу к каждому двигателю 95 м воздуха. Остальная часть нагнетаемого вентилятором воздуха подается в высоковольтную камеру для охлаждения резисторов.
1.6 Межтележечное сочленение
Сочленение тележек (рисунок 1.5) выполнено в виде сферического шарнира и допускает взаимные повороты тележек во всех направлениях. Шар 3 помещен в двух вкладышах 4 со сферической внутренней поверхностью, укрепленных болтами 2 в брусе сочленения. С брусом сочленения другой тележки шар связан шкворнем 5.
От выпадания шкворень удерживается планкой 6. В отверстия бруса сочленения первой тележки под шкворень запрессованы стальные цементированные и закаленные втулки 7. Поверхности соприкосновения шара с вкладышами и шкворня с шаром смазываются с помощью масленки 1.
Рисунок 1.5 - Межтележечное сочленение
2 РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКОГО ВПИСЫВАНИЯ
Статическое вписывание – это движение локомотива в кривой малого радиуса с малой скоростью.
Целью расчета является определение вписывания экипажа в кривые без выдавливания рельсов. При наличии выдавливания определяют необходимый поперечный разбег колесных пар. Также находятся углы поворота тележек относительно кузова и углы поворота тележек друг относительно друга, находятся боковые смещения отдельных частей кузова от осей пути.
Расчет статического вписывания производится двумя методами: круговым и эллиптическим.
2.1 Расчет статического вписывания круговым методом
Круговой метод заключается в том, что кривые участки пути вычерчиваются в масштабе в виде дуг круга, а тележка представляется отрезком прямой, длина которой равна жесткой базе. При вписывании тележечного локомотива тележки изображают отрезками прямых, расстояние между серединами которых соответствует расстоянию между шкворнями.
Тележки трехосные.
,
где:
– стрела;
– половина длины хорды;
– радиус окружности.
Преобразуя формулу (2.1), получим:
Так как 2R>>f, то L2 ≈ 2Rf, следовательно
Формула обоснования выводится из подобия треугольников АВС и
АО’В.
O’ B
Рисунок 2.1 – Схема для вывода формулы обоснования статического вписывания круговым методом
Построим окружность с меньшим радиусом и хордой ,
где - масштабный коэффициент.
O’
Рисунок 2.2 – Схема, поясняющая применение кругового метода статического вписывания электровоза в кривую
Тогда для этой окружности справедливо
Если соблюсти определенный масштаб для радиуса и хорды, то .
Для расчета статического вписывания выбираем масштабный коэффициент
Рассчитаем радиус статического вписывания с учетом масштабного коэффициента:
.
Для графического изображения расчета статического вписывания введем масштаб, равный 1:1. Тогда получим радиус, равный
.
С учетом масштабов рассчитаем расстояние между колесными парами:
.
Расстояние от оси пути до внутренней грани наружного рельса рассчитаем по формуле
- зазоры между рельсами и гребнями рельсов на прямом участке пути (=9 мм).
С учетом масштаба получим
.
Расстояние от оси пути до внутренней грани внутреннего рельса найдем по формуле
∆ - дополнительное уширение кривой (∆=21 мм).
С учетом масштаба получим:
(9/2+21)/1 = 25,5мм.
По полученным размерам строим рисунок 2.3.
Из рисунка 2.3 видно, что выдавливания внутреннего рельса средней
колесной парой тележки не произойдет.
Далее определяем углы поворота тележек относительно кузова. Для этого выполним графическое изображение экипажа, предварительно выполнив необходимые расчеты.
Выбираем масштабный коэффициент n=10, а также дополнительный масштаб 1:6.
Рассчитаем радиус статического вписывания с учетом масштабов:
.
С учетом масштабов рассчитываем расстояние между колесными парами, расстояние между осями средних колесных пар смежных тележек и жесткую базу кузова:
,
,
.
С учетом масштаба рассчитаем расстояние от оси пути до внутренней грани наружного и внутреннего рельсов:
.
По полученным результатам строим рисунок 2.4. По этому рисунку определяем углы поворота тележек:
,
,
,
,
,
,
,
.
2.2 Расчет статического вписывания эллиптическим методом
Эллиптический метод основан на замене круга эллипсом, получаемым путем поворота круга около вертикальной оси на определенный угол, что позволяет получить любую заданную хорду (базу) без изменения стрел.
A
A’ C’
2R
Рисунок 2.4 – Схема, поясняющая применение эллиптического метода статического вписывания электровоза в кривую
, , , .
Разложим данную функцию в степенной ряд:
Из уравнения отбросим все члены после первой разности, так как их величины сравнительно малы и произведем перемену осей. Ось абсцисс
перенесем вверх, а за положительное направление оси ординат выберем направление вниз. В результате получим:
Формула ординаты внутренней грани наружного рельса yн имеет вид:
Формула ординаты внутренней грани внутреннего рельса yвн имеет вид:
Формула максимальной абсциссы:
.
Выбираем масштабный коэффициент h=25 и дополнительный масштаб 1:1.
По формулам (2.8) и (2.10) находим ординаты внутренней грани наружного и внутреннего рельсов с учетом масштабов при различных значениях абсциссы x и сводим их значения в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 – Значения ординат внутренних граней наружного и внутреннего рельсов
x, м | 0 | ±1 | ±2 | ±3 | ±4 | ±5 | ±6 |
yн, мм | 0 | 4 | 15 | 33 | 58 | 91 | 131 |
yвн,мм | 30 | 34 | 45 | 63 | 89 | 123 | 164 |
С учетом масштабов определим расстояние между колесными парами:
.
По полученным координатам делаем рисунки 2.6.
Из рисунка 2.6 видно, что выдавливания внутреннего рельса средней колесной парой тележки не произойдет.
Выбираем масштабный коэффициент h=40 и дополнительный масштаб 1:2,5.
x, м | 0 | ±1 | ±2 | ±3 | ±4 | ±5 | ±6 | ±7 | ±8 |
yн, мм | 0 | 9 | 37 | 84 | 149 | 233 | 336 | 457 | 597 |
yвн,мм | 30 | 39 | 68 | 115 | 182 | 267 | 371 | 495 | 638 |
Для определения углов поворота тележек выполним графическое построение экипажа, произведя необходимые расчеты.
С учетом масштабов определим расстояние между колесными парами:
.
С учетом масштабов найдем расстояние между осями средних колесных пар двух смежных тележек:
.
Найдем жесткую базу кузова:
.
Далее из рисунка 2.8 находим углы поворота тележек:
,
,
,
,
,
,
,
.
3 РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКОГО ВПИСЫВАНИЯ
Исследование динамического вписывания заключается в определении боковых усилий, передаваемых колесами электровоза на головки рельсов и установлении максимальной по условиям безопасности скорости движения. Устанавливается максимальная скорость, определяемая вползанием гребня колеса на рельс.
Расчет динамического вписывания в кривые выполняется при следующих допущениях:
- электровоз работает в режиме выбега;
- отсутствует сочленение между тележками;
- пренебрегают влиянием конусности бандажей;
- вертикальные давления колес на рельсы остаются постоянными и равными давлениям в статическом состоянии;
- коэффициент трения f между колесом и рельсом не зависит от скорости движения и равен 0,25;
- все силы, действующие на электровоз, находятся в горизонтальной плоскости на уровне головок рельсов;
- отсутствует поперечное отжатие наружного рельса, т.е. путь абсолютно жесткий;
- между кузовом и тележками отсутствуют силы, препятствующие повороту их друг относительно друга;
- не учитывается влияние упругих связей колесных пар с рамой тележки.
Рисунок 3.1 - Расположение двухосной тележки в кривой и действующие на нее силы
На рисунке 3.1 представлена расчетная схема тележки. На этой схеме:
Y1 – направляющее усилие, действующее на первую колесную пару;
Y3 – боковое усилие от рельса на третью колесную пару;
Π – вертикальное давление на рельс от колеса;
– сила трения между колесом и рельсом;
C – центробежная сила от массы, приходящейся на одну тележку;
Ω – полюс поворота тележки;
2S – расстояние между кругами катания бандажей, принимаемое в расчетах равным 1,6 м;
xc – расстояние от центра тяжести экипажа до полюса поворота;
x1, x2, x3 – расстояния от полюса поворота до первой, второй и третьей колесных пар соответственно.
Расстояние от середины экипажа до полюса поворота рассчитываем по формуле:
