Проект візки електровоза і розрахунок основних несучих елементів

Федеральне агентство залізничного транспорту

Уральський державний університет

шляхів сполучення

Кафедра "Електрична тяга"

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

на тему:

"Проект візки електровоза і розрахунок основних несучих елементів"

Єкатеринбург

2010

Зміст

Введення

1. Вихідні дані

2. Основні геометричні розміри візка

3. Вибір схеми і розрахунок ресорного підвішування

3.1 Вибір схеми ресорного підвішування

3.2 Розрахунок листових ресор

3.3 Розрахунок гвинтових ресор

3.3.1 Розрахунок внутрішніх пружин

3.3.1 Розрахунок зовнішніх пружин

4. Розрахунок розважування візки

5. Розрахунок міцності рами

5.1 Розрахунок рами

5.2 Визначення геометричних характеристик перерізів

5.3 Розрахунок рами як статично визначної системи

6. Розрахунок кососімметрічной навантаження

Список використаних джерел

Введення

Механічна частина електровоза призначена для розміщення електричного, пневматичного, гальмового обладнання і пультів управління, а також для сприйняття і передачі горизонтальних поздовжніх і поперечних сил, передачі і розподілу вертикальних навантажень від маси електровоза на колію та забезпечення руху електровоза по рейковому шляху. Складається з кузова та візків. Візки бувають зчленованими, що мають механічне з'єднання між собою, і не зчленованими. Якщо автозчіпних пристрою перебувають на рамі візка, то зчленування призначене для передачі поздовжніх сил тяги, гальмування. У тих випадках, коли автозчіпних пристрої встановлені на рамі кузова то застосовують несочлененние візки або візка з пружною поперечної зв'язком, рама кузова сприймає від візків і передає горизонтальні поздовжні сили на автозчіпних пристрою.

Основні вузли візка: рама, колісні пари з буксами і буксові підвішування. На візках встановлюють тягові двигуни з тяговими передачами і гальмівне обладнання.

Рами візків призначені для передачі і розподілу вертикальних навантажень між колісними парами за допомогою підвішування, сприйняття і передачі сил тяги та гальмування, а також горизонтальних поперечних сил, забезпечення правильної стійкості колісних пар, кріплення тягових двигунів, елементів підвішування та гальмівного обладнання.

Основними елементами рами візків є поздовжні балки, поперечні шкворневі і кінцеві балки. Кінцеві поперечні балки рам зчленованих візків, служать для розміщення автозчіпного пристрою або кріплення зчленування. У не зчленованих візків кінцеві балки служать для додання візку необхідної жорсткості рами, до них кріплять деталі гальмівного обладнання, на них впливає ролик протіворазгрузочного пристрою.

Розглянутий електровоз ВЛ10 складається з двох несочлененних двовісних візків і кузова. Рама візка представляє собою суцільнозварну замкнуту конструкцію прямокутної форми, що складається з двох боковин коробчатого перетину, пов'язаних між собою шкворневих (центральним) і двома кінцевими поперечними брусами.

1. Вихідні дані

Формула ходової частини 2 ₀ -2 ₀ з бічними опорами

Конструкція рами зварна

Марка стали боковин М16С

Варіант перетину боковин 3

Тип двигуна ТЛ2К1

Діаметр колісної пари D _кп = 1250 мм

Навантаження на вісь P _сц = 21,8 тс

Індивідуальне завдання розрахунок кососімметрічной навантаження

2 Основні геометричні розміри візка

До основних геометричних розмірів візки відносяться:

- Відстань між осями суміжних колісних пар;

- Відстань між осями крайніх колісних пар (жорстка база візки);

- Довжина візка;

- Ширина візки.

Основні геометричні розміри візка є по суті своїй такими і для рами візка. Деякі їхні відмінності обумовлені наявністю у вже скомпонованою конструкції візка колісних пар і буксових вузлів, деталей ресорного підвішування, гальмового обладнання та ударно-тягових апаратів.

Розрахункова схема для визначення геометричних розмірів рами триосьової візки електровоза наведена на малюнку 2.1

Рисунок 2.1 - Основні геометричні параметри візки

З малюнка 2.1 видно, що відстань між осями колісних пар

, (2.1)

(Мм).

Це ж відстань становить жорстку базу візки.

Відстань від геометричної осі лівої і правої колісних пар до зовнішньої площини кінцевого поперечного бруса

, (2.2)

(Мм).

Довжина рами візка

, (2.4)

(Мм).

Розміри (показані на малюнку 2.1), що використовуються при розрахунку геометричних параметрів рами візка:

R ₀ - відстань від осі колісної пари до кінця носиків або кронштейна кістяка тягового двигуна, залежить від його конструкції, потужності і способу підвішування;

b - Зазор між виступами носиків або опорним кронштейном кістяка тягового двигуна і поперечним кріпленням рами;

S - Відстань між гребенем бандажа і поперечним кріпленням, визначається способом підвіски гальмівної колодки;

n - ширина поперечних кріплень рами;

e ₁ - ширина кінцевих поперечних балок несочлененних візків.

Для опорно-осьового підвішування обрали наступні значення:

R ₀ = 1330 мм; S = 95 мм; b = 20 мм; n = 500 мм; e ₁ = 150 мм;

Діаметр гребеня бандажа приймаємо

мм, (2.5)

(Мм),

де D _до - діаметр колеса по колу катання.

3. Вибір схеми і розрахунок ресорного підвішування

3.1 Вибір схеми ресорного підвішування

Ресорне підвішування на електрорухомому складі служить для пом'якшення вертикальних ударів, переданих від шляху на надресорна будова при проходженні колісних пар по нерівностях. З іншого боку, рессорное підвішування зменшує вплив рухомого складу на шлях, обумовлене коливаннями надресорна будови. Крім того, за допомогою ресорного підвішування досягається рівномірний розподіл навантажень між колісними парами при проходженні їх за нерівності шляху. Тому правильно вибрана схема ресорного підвішування надає електровозу добрі динамічні властивості і зменшує схильність його до боксованію.

У правильно обраної схеми (рисунок 3.1) кількість розрахункових точок підвішування має бути мінімальним і в той же час достатнім для забезпечення стійкого положення рами візка. Тільки в цьому випадку забезпечується рівномірний розподіл навантажень між колісними парами, стійке горизонтальне положення рами, що, у свою чергу, також є обов'язковою умовою однакових осьових навантажень.

Малюнок 3.1 - Схема ресорного підвішування ВЛ10

Як видно з малюнка 3.1, рессорное підвішування електровоза ВЛ10 має чотири (по дві з кожної сторони) розрахункові точки підвішування. Тому візки цього електровоза цілком стійкі і додаткових опор не потрібно.

Для передачі вертикального навантаження від кузова на візок застосовують пружні бічні опори, розташовані на поперечній осі візка. По відношенню до боковин вони розташовуються точно посередині. Для передачі тягового і гальмівного зусилля від рами візка на раму кузова застосовується шкворневої пристрій, що розташовується посередині шкворневого бруса.

3.2 Розрахунок листових ресор

Розрахунок ресорного підвішування та його елементів може мати дві мети.

По-перше, при вибраних схемах підвішування ресор і пружин на базі існуючого типу електровоза визначення прогинів, жорсткостей і напруг, порівняння їх з допустимими значеннями. Якщо знайдені напруги менше допускаються, розрахунки на цьому етапі закінчуються.

По-друге, якщо напруження виявляться більше, що допускаються, необхідно розрахувати ресори і пружини, які внаслідок їх посилення будуть відрізнятися від існуючих. Але ця відмінність має бути мінімальним. Остання забезпечить монтаж і установку посилених ресор і пружин в ті ж габарити і виготовлення їх з тих самих матеріалів, що і застосовувані на експлуатованих електровозах.

Показані на малюнку 2.1 реакції Р на ресори

, (3.1)

(Тс),

де P _сц - тиск колісної пари на рейку;

Р _нпр - безпружинна маса, що припадає на одну колісну пару, яка при опорно-осьовому підвішуванні двигуна містить у собі масу колісної пари з буксами, 2 / 3 маси системи ресорного підвішування та кожухів зубчастої передачі і половину маси тягового двигуна. У наближених розрахунках можна прийняти Р _нпр = 6 тс.

У таблиці 3.1 наводяться вихідні дані для розрахунку листових ресор.

Таблиця 3.1 - Вихідні дані для листових ресор

Примітка. Для забезпечення необхідного запасу по допускаються напругам і число складальних аркушів збільшено на 1 порівняно з застосовуваним на сучасних зразках.

Статичний прогин ресори

, (3.2)

(Мм),

де L - довжина ресори, обумовлена ​​точками кріплення підвісок;

а - довжина хомута;

Е - модуль пружності матеріалу стали 55С2 і 60С2,

кГс / мм ^2;

n _к - число корінних листів;

n _н - кількість набраних листів;

b і h - відповідно ширина і товщина листа.

Жорсткість ресори

, (3.3)

(Кгс / мм).

Напруга в корінних аркушах, в МПа, з урахуванням знака визначається, причому величини L, а, b і h підставляються в см, а P - у кГс.

, (3.4)

(МПа),

в набірних аркушах

, (3.5)

(МПа).

Позитивними вважаються напруги розтягнення, негативними - стиснення. Отримані значення і необхідно порівняти з дозволеними значеннями

і . (3.6)

Допустиме напруження [s _к] та [s _н] при розрахунку ресори на статичне навантаження становить 600 МПа (»6000 кГс / см ^2).

3.3 Розрахунок гвинтових ресор

При розрахунку пружин, як і при розрахунку листових ресор, перше завдання полягає у визначенні прогину і напруги вибраного з існуючих типів пружин. Друге завдання є продовженням першої, якщо напруга в пружині буде більше допустимого, і полягає в розрахунку більш посиленою в порівнянні з існуючою пружиною.

На сучасних електровозах застосовують дворядні гвинтові ресори

У таблиці 3.2 наводяться вихідні дані для розрахунку гвинтових ресор.

Таблиця 3.2 - Вихідні дані для зовнішніх гвинтових ресор

Як видно з малюнка 3.1, навантаження на кожну пару пружин становить половину від навантаження Р, що припадає на ресору.

, (3.7)

(Тс),

де Q - навантаження на пружину.

Виходячи з того, що на електровозах ВЛ10 застосовуються дворядні пружини, випливає, що навантаження, що доводяться на кожну з однієї пари, будуть неоднаковими. Основною умовою рівноміцності дворядних пружин, застосовуваних на електрорухомому складі, є однакові напруги внутрішньої і зовнішньої пружин, тобто

Рівність напруг без обліку кривизни витків дозволяє встановити співвідношення між навантаженнями

, (3.8)

. (3.9)

З урахуванням наведених вище співвідношень зробимо розрахунок зовнішніх і внутрішніх пружин

3.3.1 Розрахунок внутрішніх пружин

Навантаження на пружину (згідно 3.8)

(КГс)

Статичний прогин пружини

, (3.10)

(Мм)

де D - середній діаметр витка;

n - число робочих витків пружини;

Q - навантаження на пружину в кГс;

G - модуль пружності матеріалу при крученні;

G = 8.10 ³ кГс / мм ^2;

d - діаметр прутка.

Дотичні напруги від крутіння пружини

, (3.11)

кГс / мм ^2,

де D - середній діаметр витка в см;

d - діаметр прутка в см.

, (3.12)

.

Індекс пружини

, (3.13)

.

Отримане значення необхідно порівняти з допускаються значенням

. (3.14)

Допустиме дотичне напруження [τ] пружини при крученні складає 500 ... 550 МПа (50 ... 55 кГс / мм ^2).

Таким чином, розрахункове значення напруги виявилося менше допустимого (35,42 кГс / мм ² <50 ... 55 кГс / мм ^2), тобто умова виконується.

Жорсткість пружини

, (3.15)

кГс / мм.

3.3.2 Розрахунок зовнішніх пружин

Навантаження на пружину (згідно 3.9)

(КГс)

Статичний прогин пружини (згідно 3.10)

(Мм)

Дотичні напруги від крутіння пружини (згідно 3.11)

кГс / мм ^2,

де D - середній діаметр витка в см;

d - діаметр прутка в см.

Тут (згідно 3.12)

.

Індекс пружини (згідно 3.13)

.

Отримане значення необхідно порівнюємо з допускаються значенням. Допустиме дотичне напруження [τ] пружини при крученні як вже зазначалося вище складає 500 ... 550 МПа (50 ... 55 кГс / мм ^2). Таким чином, розрахункове значення напруги виявилося менше допустимого (35,68 кГс / мм ² <50 ... 55 кГс / мм ^2), тобто умова виконується. Жорсткість пружини (згідно 3.14)

кГс / мм.

Еквівалентна жорсткість гвинтових і листових ресор становить

(3.16)

кГс / мм

4. Розрахунок розважування візки

Развеска представляє собою розподіл маси електровоза за окремими колісним парам і коліс. Нерівномірний розподіл вертикального навантаження призводить до зниження тягових властивостей електровоза через боксованія розвантажених колісних пар і погіршення динаміки електровоза через перевантаження коліс або колісних пар. Крім того, погіршується поперечна стійкість електровоза при русі в кривих.

Розрізняють поздовжню і поперечну розважування. При поздовжній развеска досягаються однакові тиску від колісних пар на рейки, при поперечній - однакові тиску коліс.

Розрізняють також статичну і динамічну розважування. Статична развеска - це развеска електровоза, що стоїть на прямому горизонтальному ділянці шляху. Динамічна развеска представляє собою розподіл навантажень по колісним парам і коліс при русі електровоза та реалізації ним сили тяги або гальмування.

У курсовому проекті розглядається поздовжня статична развеска візки електровоза. Метою розрахунку розважування є визначення місця розташування опор кузова на візки і припадають на них навантажень.

Схема для розрахунку поздовжньої розважування триосьової візки наведена на малюнку 4.1.

Малюнок 4.1 - Схема для розрахунку поздовжньої розважування триосьової візки електровоза

; (4.1)

(Мм);

; (4.2)

(Мм);

; (4.3)

(Мм);

; (4.4)

(Мм);

; (4.5)

(Мм);

; (4.6)

(Мм);

; (4.7)

(Мм);

Для визначення навантажень користуємося наступними їхніми орієнтовними значеннями:

- Маса передньої кінцевий балки зварних рам несочлененних візків Р ₁ = 100 кг;

- Маса шкворневої балки зварних рам, яка несе навантаження від кузова і частини тягового двигуна Р ₂ = 600 кг;

- Маса тягового двигуна ТЛ2К1 Р _дв = 5000 кг;

- Інтенсивність рівномірно розподіленого навантаження двох суміщених боковин рами візка q = 500 кГс / м.

Маса кузова Р _к, віднесена до однієї візку, визначається як

, (4.9)

де - Число осей у візку;

- Маса візка.

. (4.10)

Тут - Маса підресорених частин візка.

; (4.11)

(Кг).

Тоді

(Кг),

(Кг).

Тоді реакція гвинтових ресор на раму візка в суміщених точках підвішування обох боковин

, (4.12)

(Кг).

При опорно-осьовому підвішуванні точка докладання навантаження від підресореною частини тягових двигунів не збігається з центрами ваг поперечних балок.

Цим обумовлені зосереджені моменти М _д1, М _д2 зображені на розрахунковій схемі малюнка 4.1.

, (4.13)

де а _i - відстань від центру ваги поперечної балки до точки підвішування тягового двигуна на цю балку.

Для литий шкворневої балки зварної рами електровоза ВЛ10 а ₁ = а ₂ = 0,295 м.

Тоді

(Кг * м),

Умова, що забезпечує однакові тиску від колісних пар на рейки, запишеться рівнянням

, (4.14)

(4.15)

З цього рівняння можна визначити місце розташування опори кузова на візку х _к.

(4.16)

Для перевірки балансу сил, прикладених до рами і згинальних моментів, необхідно скласти рівняння

, (4.20)

(4.21)

5. Розрахунок міцності рами

5.1 Сили, що діють на раму візка

Рама візка являє собою складну просторову систему, яка піддається впливу великих зусиль і навантажень:

- Вертикальної статичного навантаження;

- Вертикальної динамічного навантаження;

- Відцентрової сили і тиску вітру;

- Зусиль, що виникають при роботі тягових двигунів;

- Зусиль, що виникають при гальмуванні електровоза;

- Кососімметрічной навантаження;

- Поздовжньої інерційної сили при ударі в автозчеплення;

- Зусиль, що виникають при викатки колісних пар.

Залежно від умов експлуатації та режиму роботи електровоза перераховані сили можуть з'явитися окремо або в сукупності.

При розрахунках на міцність рами візків сучасних електровозів розглядаються як статично невизначеної системи і розрахунки виконуються методом сил.

Для наближеної оцінки міцності рами її можна розглядати як статично визначених систему, що складається з окремих балок.

Розрахунок на міцність зводиться до визначення згинальних моментів і напружень в характерних перетинах елементів рами візка.

Для визначення напружень, крім згинального моменту, необхідно знати геометричні характеристики перерізів.

5.2 Визначення геометричних характеристик

До геометричним характеристикам поперечних перерізів елементів рами відносяться момент інерції і момент опору. Залежно від призначення, конструкції і типу рам поперечні перерізи елементів можуть мати різноманітні форми.

На малюнку 5.1 наведено розрахункове поперечний переріз боковини зварної рами візка електровозу ВЛ10.

Малюнок 5.1 - Поперечний перетин кінцевий балки візка ВЛ10

Параметри перерізу ; ; ; ;

Зважаючи несиметричності перерізу відносно горизонтальної осі розрахунок геометричних характеристик будемо виробляти табличним методом. Допоміжну вісь Y ^| проведемо через середини елементів 3 і 4. Результати розрахунків заносимо в таблицю 5.1

Таблиця 5.1-Розрахунок геометричних характеристик

У таблиці 4.1 наводяться:

1) порядковий номер кожного елемента;

2) площа перерізу елемента;

3) відстань від центру ваги площі елемента до допоміжної осі Y ^|;

4) статичний момент площі елемента щодо

допоміжної осі;

5) відстань від нейтральної осі перерізу до центра ваги площі перерізу кожного елемента;

6) твір F _i * Z _i ^2;

7) момент інерції перерізу кожного елемента щодо власної нейтральної осі.

Відстань Z _С від допоміжної осі до нейтральної осі всього перерізу

, (5.1)

мм

Момент інерції всього перетину визначається шляхом підсумовування величин, укладених у стовпцях 6 і 7 (див. таблицю 5.1)

, (5.2)

мм ⁴

Відстань від нейтральної осі до найбільш віддаленої точки перетину

, (5.3)

мм

Момент опору перетину вигину

, (5.4)

мм ³

5.3 Розрахунок рами як статично визначної системи

У наближених розрахунках раму візка можна розглядати як статично визначених систему, яка складається з окремих балок, які мають між собою шарнірні зв'язку. При цьому розраховуються тільки боковини як найбільш навантажені елементи рами. Рекомендується, як і при розрахунку поздовжньої розважування візки, поєднати обидві боковини в одну вертикальну площину.

На малюнку 5.2 приведена розрахункова схема для двухосной візки

Малюнок 5.2 - Розрахункова схема для двухосной візки.

Примітка. Значення моментів М ₂ і М ₆ значно завищені для наочності побудови.

Згинальні моменти в перерізах 0, 1, 2, ... і 8 боковини мають такі значення

, (5.5)

, (5.6)

,

, (5.7)

,

, (5.8)

,

, (5.9)

(5.10)

(5.11)

(5.12)

(5.13)

Значення моментів М _дв1 і М _дв2 не враховуємо, оскільки спрямовані зустрічно, вони взаємно компенсують один одного і ролі не грають.

Згинальний момент в останньому 10-му перерізі має дорівнювати нулю, якщо обчислення зроблені правильно і умови рівноваги рами візка не порушені.

За отриманими значеннями будуємо епюру згинальних моментів, представлену на малюнку 5.2.

Знаючи згинальні моменти в розрахункових перерізах боковини рами, знаходимо максимальну напругу в них

, (5.14)

(МПа).

Тут 2 · W _y - момент опору вигину двох суміщених боковин;

М - максимальний згинальний момент (у нашому випадку це момент в 4-му перетині), (кг * мм).

Далі знайдене максимальне напруги порівнюємо з допустимим, яке приймається відповідно до коефіцієнта запасу міцності та обраної марки сталі. Коефіцієнт запасу міцності n приймається щодо межі текучості s _T обраної марки сталі (для сталей марки М16С s _т = 230 МПа).

При розрахунку рами на вертикальну статичне навантаження, n = 2,0 ... 2,5. Приймаються n = 2,0.

(Кгс / мм ^2).

Напруга в боковині, знайдене за формулою (5.14), виявилося значно менше в порівнянні з припустимим. Обумовлюється це тим, що в курсовому проекті розрахунки на міцність виконуються лише на один вид навантаження. У дійсності ж міцність рами необхідно оцінювати за сумарними напруженням, викликаним сукупним дією навантажень і сил, що виникають при експлуатації електровозів.

6. Розрахунок кососімметрічной навантаження

Під кососімметрічной навантаженням розуміється навантаження від двох рівних за величиною, але різних за знаками вертикальних сил, причому сили, розташовані по одній діагоналі візки діють вгору, а за іншою діагоналі - вниз (рисунок 6.1).

Малюнок 6.1 - Навантаження, що виникають при незбалансованих ресорах.

Розглянемо вплив окремих причин, що викликають кососімметрічную навантаження.

Нерівність гнучкості ресор за заводськими допускам складає до %;

таким чином, при навантаженні ресори рівної Р, різниця в зусиллях, переданих від ресор на раму, може скласти

Різниця рівнів коліс при найбільш несприятливих умовах складе:

1) від піднесення рейки в перехідній кривій 2 мм на 1 м колії, що при базі візки а (в м) дає (В мм)

2) від різниці кіл катання згідно допускам (2 мм), а також внаслідок конусності бандажів ( ) При максимальному поперечному зсуві колісної пари на 34мм (при зносі гребенів бандажів)

мм

3) від неточностей в збірці буксового підвішування та наявності допусків в розмірах ресор, пружин і букс мм.

Різниця в прогинах ресор

(6.1)

мм

Якщо позначимо зусилля ресор буксового підвішування, розташованих по діагоналях, відповідно R і R ^|, їх жорсткості Ж _б, а прогини і

і ,

і величина додаткового зусилля

Кососімметрічная навантаження

(6.2)

тс.

Список використаних джерел

1. Медель, В.Б. Проектування механічної частини електрорухомого складу. -М.: Транспорт, 1963-423 с.

2. Ісаєв, І.П., Перова, А.А., Бурчак, Г.П. Розрахунок конструкцій електрорухомого складу на обчислювальних машинах. - М.: Трансжелдор-издат, 1966-298 с.

3. Ціхалевскій І.С., нафік, Г.М., Буйносов А.П. Механічна частина ЕПС: Керівництво для виконання курсового проекту. - Єкатеринбург, УрГУПС, 2001-56 с.

4. Медель, В.Б. Рухомий склад електричних залізниць. Конструкція і динаміка. - М.: Транспорт, 1965-278 с.