Расчёт вписывания электровоза в кривые
МПС РОССИИ
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра электрической тяги
“РАСЧЁТ ВПИСЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА В КРИВЫЕ”- пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине “ДИНАМИКА ЭПС”
Проверил:
доцент, к.т.н.
Нафиков Г.М.
.
Выполнил:
студент группы Т-338
Меньшенин И.В.
Екатеринбург
2000 г
Содержание
1. Исходные данные
2. Общее устройство механической части
3. Расчёт статического вписывания
3.1. Круговой метод расчёта статического вписывания
3.2. Эллиптический метод расчёта статического вписывания
4. Расчёт динамического вписывания
5. Способы улучшения статического и динамического вписывания
Заключение
Литература
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Таблица 1.1. – Исходные данные
Формула ход. части |
2a м |
RCT М |
LK М |
LCP М |
2П тс |
RД ММ |
h мм |
30-30 |
4,47 |
94 |
7,35+2,1 |
10,37 |
23,5 |
289 |
143 |
2а – жёсткая база тележки;
RСТ – радиус статического вписывания;
LК – база кузова;
LСР – расстояние между средними колёсными парами смежных тележек;
2П – осевая нагрузка;
RД– радиус динамического вписывания;
h – возвышение наружного рельса над внутренним.
2. ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ
В данной курсовой работе рассматриваются электровозы с осевой формулой 30-30, к ним относятся электровозы: ЧС2, ЧС4, ВЛ60К, Ф и К.
Механическая часть электровоза ВЛ60К состоит из двух трёхосных несочленённых тележек и кузова.
Рамы тележек предназначены для распределения вертикальной нагрузки между отдельными колёсными парами, восприятия тягового усилия, развиваемого отдельными колёсными парами, и передачи его на раму кузова.
Рама тележки состоит из двух боковин, шкворневых брусьев, концевого бруса, трубы, буксовых кронштейнов, тормозных кронштейнов, рессорных кронштейнов.
Колёсная пара электровоза состоит из оси, зубчатого колеса и колёсного центра с бандажом. Передача вращающего момента от якоря тягового двигателя к колёсной паре осуществляется с помощью двустороней жёсткой косозубой передачи.
Рисунок 2.1.-Рама тележки
где: 1- Труба; 2-Рессорные кронштейны; 3-Дополнительная опора; 4 и 5-Буксовые кронштейны; 6-Шкворневые брусья; 7 и 8-Боковины; 9-Тормозной кронштейн; 10-Лист под тормозные цилиндры; 11-Концевой брус; 12-Опора под рессорную пружину; 13-Кронштейн под опору трения.
Бесчелюстные двухповодковые буксы с роликовыми подшипниками являются узлами высокой точности изготовления. Они требуют также высокой культуры обслуживания при эксплуатации. Через буксы на колёсные пары передаётся вертикальная нагрузка веса электровоза, а от колёсных пар на рамы тележек – горизонтальные усилия тяги и торможения и боковые горизонтальные.
Буксовые направляющие заменены поводками, которые одним своим шарниром прикреплены к приливам корпусов букс, а другим – к кронштейнам рамы тележек.
Рессорное подвешивание электровоза служит для смягчения ударов, передаваемых на подрессорное строение при прохождении по неровности пути, и равномерного распределения нагрузки между колёсными парами и колёсами.
Рессора набрана из десяти листов стали марки 50С2 сечением 16х120 или, соединённых хомутом.
Кузов электровоза опирается на две несочленённые тележки четырьмя центральными опорами и четырьмя боковыми опорами.
Опорные узлы являются упругими шарнирами и компенсируют все перемещения тележки относительно кузова. Поперечному смещению кузова.
Рисунок 2.2.-Рессорное подвешивание
где: 1-Продольный балансир; 2-Стержнями – валиками; 3-Опора; 4-Стойка; 5-Крепёжные детали; 6-Хомут; 7-Листовые рессоры; 8-Цилиндрические пружины.
относительно тележки препятствуют возвращающие устройства. Для придания кузову устойчивости пружинам возвращающего устройства дают предварительный натяг 1200 кгс.
Установка кузова в горизонтальном положении и правильное распределение нагрузок между опорами достигаются подкладыванием шайб толщиной 2 мм под опорные конусы на тележке и регулировкой боковых опор качения. На магистральных электровозах ВЛ60К последних выпусков также начали применять боковые опоры с парой трения.
Для передачи усилия от тормозных цилиндров или от привода ручного тормоза к колодкам служит рычажная тормозная система, которая на электровозе ВЛ60К выполнена с двусторонним нажатием колодок на каждое колесо.
Тормозные цилиндры диаметром со свободным штоком подвешивают к горизонтальным площадкам рамы тележки. Вертикальные рычаги шарнирно закрепляют на кронштейнах концевого бруса. К верхней части рычагов присоединяют балансир ручного тормоза. Тормозными тягами передаются усилия от тормозного рычага на колодки через вертикальные балансиры, поперечины, подвески и башмаки. Рабочую длину тяг регулируют при помощи муфт и отверстий в шейках крайних тяг. Изменением рабочей длины тяг достигается регулировка выхода штоков.
Кузов электровоза обтекаемой формы, цельнометаллический, сваренный из прокатных и гнутых профилей и листов углеродистой стали. Материал основных деталей кузова - сталь марок: Ст3кп и Ст2кп. Листы обшивки стен изготовлены из стали ПГ- 15кп.
Основным элементом кузова, несущим все виды нагрузок, является рама. Продольные балки рамы изготовлены из швеллеров N16В и 30С, которые связаны между собой листом толщиной 8 мм, буферными брусьями, четырьмя шкворневыми балками.
3.РАСЧЁТ СТАТИЧЕСКОГО
Статическое вписывание – движение локомотива в кривой малого радиуса с малой скоростью.
Целью расчёта является
определение вписывания экипажа
в кривой без выдавливания рельсов.
При наличии выдавливания определяют
необходимый поперечный разбег колёсных
пар. Также расчитываются
Расчёт статического вписывания производится двумя методами: круговым и эллиптическим.
3.1. Круговой метод расчёта
Круговой метод наиболее прост и заключается в том, что кривые участки пути вычерчиваются в масштабе круга, а тележка, также в масштабе, представляется отрезком прямой, длина которого соответствует жёсткой базе тележки.
При вписывании экипажа тележки изображают отрезками прямых, расстояние между серединами которых соответствуют расстоянию между осями средних колёсных пар двух смежных тележек. Тележки трёхосные.
Метод имеет следующую формулу обоснования:
где: f – стрела;
L – половина длины хорды;
R – радиус окружности.
Рисунок 3.1.
При f<<R выше приведенная формула примет вид:
Формула обоснования выводится из подобия треугольников А/ВС и АО/В
(рисунок 3.1.)
где: - точное значение стрелы хорды
погрешность
Рой предложил взять маленькую окружность.
Рисунок 3.1.1. - Круговой метод Роя.
Рой предложил уменьшить радиус R в n2 раз и получил r:
Уменьшил L в n раз и получил :
Он искажал значения. А стрела остаётся по значению как .Докажем это:
(для большого круга)
(для малого круга)
Рой доказал, что эти стрелы одинаковые, если соблюдать масштабы для радиуса их хорд.
Расчёт статического вписывания одиночной трёхосной тележки ведём по следующим формулам:
где: n – масштабный коэффициент
, выбираю n=30
;
где: 2d - зазор между гребнями и рельсами на прямом участке пути (2d=9мм).
- дополнительное уширение кривой (зависит от радиуса кривой, берется из ПТЭ) =21мм.
Рисунок 3.2.
По полученным размерам строим рисунок 3.3.
Вывод: Из рисунка 3.3. видно, что выдавливания внутреннего рельса средней колёсной парой не произойдёт.
Определяем относительные углы поворота тележек к кузову. Для этого выполним графическое изображение экипажа предварительно выполнив необходимые расчеты.
Принимаем n = 10, а также выбираем масштаб 1: 5.
Далее по рисунку 3.4. определяем угол поворота между тележками b, предварительно измерив следующие величины:
к1 =3 мм; к2 =2 мм; m1 =73 мм; m2 =60 мм; =105мм; =75 мм.
3.2.Эллиптический метод
расчета статического
При исследовании вписывания экипажа в кривую и движения в ней, могут быть решены задачи чисто геометрического характера:
- проверить проходимость
экипажа в кривой заданного
радиуса;
- установить величину бокового смещения той или иной колесной пары относительно оси тележки;
- определить углы поворота тележек относительно кузова и т.д.
Кроме того, при движении в кривой определяют боковые давления направляющих колес на рельсы и безопасные скорости движения.
Первая из перечисленных
групп задач решается путем
расчета геометрического
Расположение экипажа в кривой определяется действующими на электровоз силами, которые при вписывании неизвестны. Однако при графическом вписывании обычно достаточно рассмотреть два предельных положения: наибольшего перекоса и наибольшего сдвига (хордовое положение тележек).
Первое характеризуется
тем, что при движении в
Второе предельное положение
соответствует касанию
Значения колеи зазоров в зависимости от радиуса кривой:
-при R £ 299 м 2d+D= 30 мм;
-при R= (300 -349) м 2d+D= 20мм;
-при R > 350 м 2d+D= 14мм.
В нашем случае R<299, следовательно примем, что 2d+D=30 мм.
Расчет геометрического вписывания буду выполнять эллиптическим методом. Этот метод получил наибольшее распространение в практике конструкторских бюро. Он основан на замене круга эллипсом, получаемым путём поворота круга около вертикальной оси на определённый угол, что позволяет получить любую заданную хорду (базу), без изменения стрел. При этом тележки электровоза и кузов заменяется в плане линиями, совпадающими с их продольными осями.
Рисунок 3.5.
;
Разложим данную функцию в степенной ряд:
Из уравнения отбросим все члены после первой разности, так как их величины сравнительно малы и произведём перемену осей. Ось абцисс перенесём вверх, а за положительное направление оси ординат выберем направление вниз. В результате получим:
- уравнение параболы.
Формула ординаты внутренней грани наружного рельса yН имеет вид:
где: ;
Формула ординаты внутренней грани внутреннего рельса yВН имеет вид:
где: ;
Формула максимальной абциссы:
Для построения эллипса составим таблицу вычислений при разных значениях “X”.
Таблица 3.1. - Расчет расстояний между наружными и внутренними гранями головок рельсов в кривой
X,м |
0 |
±1 |
±2 |
±3 |
±4 |
±5 |
±6 |
±7 |
±8 |
±9 |
YH,MM |
0 |
5 |
21 |
48 |
84 |
132 |
190 |
259 |
338 |
427 |
YBH,MM |
30 |
35 |
51 |
78 |
116 |
164 |
223 |
293 |
373 |
464 |
После построения эллипса на рисунках 3.6. и 3.7. изображаю экипаж локомотива аналогично круговому методу по размерам, вычисленным в п.3.1.
Из рисунка определяем угол b, предварительно измерив следующие величины:
n1 =3 мм; n2 =3 мм; m1 =118 мм; m2 =116 мм; =43 мм; =38 мм .
Из рисунка 3.6. делаю вывод, что выдавливание внутреннего рельса средней колёсной парой тележки не будет.
4. РАСЧЁТ ДИНАМИЧЕСКОГО
Динамическое вписывание – движение локомотива в кривых большого радиуса с большой скоростью. Цель расчёта – определение такой максимальной скорости движения электровоза, при которой ещё отсутствует всползание гребня на рельс.
Расчет динамического вписывания в кривые выполняется при следующих допущениях [3]:
- электровоз работает в режиме выбега;
- отсутствует сочленение между тележками;
- пренебрегаем влиянием конусности бандажей;
- вертикальные давления
колес на рельсы остаются
- 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 под набегающим колесом, т.е. путь абсолютно жесткий;
- между кузовом и тележками отсутствует силы, препятствующие поворота их друг относительно друга;
- не учитывается
влияние упругих связей
Рисунок 4.1.
С учётом перечисленных допущений на рисунке 4.1. приведена расчётная схема для трёхосной тележки. В этой схеме:
Y1 – направляющее усилие, действующее на первую колёсную пару;
Y3 – боковое усилие от рельса на третью колёсную пару;
П – вертикальное давление колеса на рельс;
Пf – сила трения между колесом и рельсом;
С – центробежная сила от массы, приходящейся на одну тележку;
W - полюс поворота тележки;
2S – расстояние между кругами катания бандажей, принимаемое в расчётах равным 1,6м;
ХС – расстояние от центра тяжести экипажа до полюса поворота;
Х1,Х2 и Х3 – расстояние от полюса поворота до первой, второй и третьей колёсной пары соответственно.
Центробежная сила, приложенная к центру тяжести экипажа:
,
где: P - масса электровоза, приходящаяся на одну тележку;
R – радиус кривой;
V - скорость движения;
h - возвышение наружного рельса над внутренним;
g=9,81м/с2.
Скорость движения электровоза:
.
Как известно, для нахождения полюса поворота из центра кривой опускаю перпендикуляр на продольную ось тележки.
При достаточно большой скорости движения передняя и задняя колесные пары будут касаться наружного рельса и точка пересечения перпендикуляра с продольной осью совпадает с серединой экипажа, и тележка будет находиться в так называемом хордовом положении, для которого Хс =0.
В другом крайнем положении тележки, называемом наибольшим перекосом, передняя колесная пара касается наружного рельса, а задняя - внутреннего. Расстояние от середины экипажа до полюса поворота в этом случае:
.
где: 2d+D - колея зазоров;
2d - зазоры между гребнями и головками рельсов на прямом участке пути;
D - уширение пути в кривой, зависит от радиуса кривой.
Расчет боковых давлений
выполняется для определения
безопасной скорости движения. При
расчете боковых давлений
Зависимость боковых давлений от скорости движения электровоза может быть найдена на основе решения уравнений, составленных применительно к расчетной схеме. Тележка находится в равновесии, если сумма проекций сил на вертикальную ось равна нулю, т.е.:
.
Кроме того, сумма моментов сил, действующих на тележку, относительно полюса поворота тоже должна быть равна нулю:
=0.
Эти уравнения содержат четыре неизвестных Y1,Y2, С и Хс. Значения двух "лишних" неизвестных, а именно Y3 и Хс. могут быть найдены до решения уравнений. Действительно, в двух крайних положениях тележки, хордовом и положении наибольшего перекоса, значение Хс как уже отмечалось, определяется достаточно просто. Кроме того, если предположить, что в этих положениях тележки гребни бандажей задней колесной пары лишь касаются рельсов, не оказывая при этом бокового давления, можно принять Y3=0. Таким образом, в исходных уравнениях остаются неизвестными только Y1 и С.
При расположении тележки в промежуточных положениях Y3 всегда равен нулю. Значения же Хс будут находиться в пределах от нуля до Хснп. Принимая, например, Хс =0,25Хснп; Хс = 0,5Хснп и т.д. и решая совместно эти уравнения, можно найти Y1 и С для промежуточных положений тележки в кривой.
Зная величину центробежной силы, по найду скорости движения в кривой с учетом и без учета возвышения h наружного рельса над внутренним.
Косинусы углов равны:
.
Таблица 4.1. – Результаты расчётов динамического вписывания
Расчетная Величина |
0 |
0,25 |
0,5 |
0,75 |
||
|
0,00 |
0,48 |
0,97 |
1,45 |
1,94 | ||
X1, м |
2,24 |
2,72 |
3,20 |
3,69 |
4,17 | |
X2, м |
0,00 |
0,48 |
0,97 |
1,45 |
1,94 | |
X3, м |
2,24 |
1,75 |
1,27 |
0,78 |
0,30 | |
м |
2,37 |
2,84 |
3,30 |
3,78 |
4,25 | |
м |
0,80 |
0,94 |
1,26 |
1,66 |
2,10 | |
м |
2,37 |
1,92 |
1,50 |
1,12 |
0,85 | |
0,94 |
0,96 |
0,97 |
0,98 |
0,98 | ||
0,00 |
0,52 |
0,77 |
0,88 |
0,92 | ||
0,94 |
0,91 |
0,85 |
0,70 |
0,35 | ||
кН |
0,00 |
33,38 |
52,66 |
67,87 |
91,66 | |
кН |
325,93 |
334,57 |
355,86 |
385,00 |
423,09 | |
Y1, кН |
145,83 |
142,45 |
136,37 |
128,08 |
109,75 | |
С, кН |
145,83 |
109,07 |
83,71 |
60,21 |
18,09 | |
V, км/ч |
h=0 |
87,18 |
75,40 |
66,05 |
56,02 |
30,71 |
h=143 мм |
104,33 |
94,70 |
87,44 |
80,14 |
65,01 | |
Используя найденные значения, строю кривые (рисунок 4.2.) зависимости боковых давлений Y1 рельса на гребень первой направляющей колесной пары от скорости V движения электровоза при h=0мм, h=143мм.
Определение допустимой по условиям всползания гребня на рельс скорости движения является завершающим этапом исследований динамического вписывания электровоза в кривую. Критерием устойчивости против схода с рельсов вследствие всползания гребня является отношение:
- коэффициент безопасности,
откуда:
Umax=1,2×P=1,2×117,5=141кН
где: Umax – максимально допустимые боковые нагрузки.
Отложив по вертикали Ymax (рисунок 4.1.) графически нахожу Vдоп с учетом и без учета возвышения наружного рельса. Найденное значение Vдоп должно быть больше конструкционной скорости движения. В противном случае необходимо принять меры, исключающие всползание гребней направляющих колесных пар на рельсы. К таким мерам можно отнести применение:
-поворотных тележек;
- упругих сочленений между тележками;
- принудительного наклона кузова;
- поводковых букс;
- упругих связей от
колесной пары с буксовым
Вывод: При Umax=141 кН:
Vдоп(h=0)=72,8 км/ч,
Vдоп (h=0,143м)=92,65 км/ч.
5.СПОСОБЫ УЛУЧЩЕНИЯ
5.1. Статическое вписывание:
5.1.1. Уширение колеи в кривых (даётся в зависимости от радиуса кривой).
5.1.2. Применение тележечных локомотивов.
5.1.3. Придание поперечных разбегов колёсным парам.
5.1.4. Уменьшение толщины гребня (ЧС2) или применение безгребневых бандажей.
5.2. Динамическое вписывание:
5.2.1. Возвышение
наружного рельса над
5.2.2. Применение поводковых букс или букс с цилиндрическими направляющими.
5.2.3. Применение
специальных рельсов или контр
рельсов на магистральном
5.2.4. Применение принудительного наклона кузова на пневматических рессора.
5.2.5. Применение бегунковых тележек.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Я выполнил курсовую работу, по завершении которой научился вписывать электровоз в кривые участки пути двумя методами - методом геометрического вписывания и методом динамического вписывания. При помощи геометрического я научился определять углы поворота тележек и выдавливание внутреннего рельса средней колёсной парой. При помощи геометрического метода научился рассчитывать максимальную скорость движения электровоза, при которой отсутствует всползание гребня на рельс. Подробнее познакомился с устройством механической части электровоза ВЛ60к.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. И.В. Бирюков, А.Н.
Савоськин, Г.П. Бурчак и др.;“
2. В.Б. Медель “Проектирование механической части электроподвижного состава”: Транспорт, Москва, 1992г.
3. П.И. Абросин, Д.Б. Белогорский; “Магистральные локомотивы”: Машиностроение, Москва, 1967г.
4. А.М. Нафиков “Механическая часть локомотива”: Свердловск, 1988г.
