Силы, действующие на раму тележки при работе двигателей в тяговом режиме

10. Силы, действующие на раму тележки при работе двигателей в тяговом режиме

Тележка представляет собой сложную механическую систему, основными элементами которой являются рама, колесные пары, тяговые двигатели, редукторы и подвешивание. В тяговом режиме  между элементами системы возникают внутренние взаимодействия, вызывающие дополнительные напряжения.

На раму действуют силы тяги, которые передаются от колесных пар и букс через буксовые поводки. Сила тяги двух двигателей через шкворневую балку передается на раму кузова и далее на автосцепку.

Одновременно на кронштейны подвески двигателей на раме тележки действуют силы от корпуса двигателя, величина которых в кН

 , кН

  где  L_Д – расстояние от оси колесной пары до оси шарнира подвески двигателя, которое определено по чертежу тележки из [1]. L_Д=1,2 м

Схема действия сил показана на рис.5.

Как видно из рисунка, активные пары сил P_ДТ уравновешиваются парами реактивных сил R_T.

 , кН

Система сил определена для всех расчетных режимов движения, т.е. для V=0, V_Д, V_ДВ, V_K.

Расчетная сила тяги двигателя принимается максимальной из условия ограничения по сцеплению при заданных скоростях движения в кН:

Для электровозов переменного тока

 , кН

Пример расчёта для скорости V_Д

, кН

Определим Р_ДТ:

, кН

Рассчитаем R_Т:

, кН

Все расчеты сведены в таблицу 10.1

Таблица 10.1

Режим	Силы
	FД, кН	РДТ, кН	RT, кН
V=0 км/ч	85,0	44,3	2,64
VД=32,5 км/ч	68,0	35,4	2,11
VДВ=57,4 км/ч	63,3	33,0	1,96
V=VK=110 км/ч	54,6	28,4	1,69

11. Напряжения в опасном сечении рамы от системы сил, действующих в тяговом режиме

Рассмотренная выше система сил изгибает боковины рамы в вертикальной плоскости. Для определения напряжения составлено выражение для изгибающего момента в заделке для левой передней четверти рамы, то есть части боковины над набегающим колесом.

 , кНм

Пример расчёта для скорости V_Д

 , кНм

По значениям моментов вычислим напряжения s_Т в 1-й и 6-й точках сечения для четырех значений скорости в МПа: V=0, V_Д, V_ДВ, V_K.

 МПа

Результаты расчёта представлены в таблице 11.1

Таблица 11.1

Режим	Силы
	Му, кН	sТ, МПа
V=0 км/ч	25,6	21,9
VД=32,5 км/ч	20,4	17,5
VДВ=57,4 км/ч	19,0	16,3
V=VK=110 км/ч	16,4	14,1

12. Кососимметричная нагрузка рамы тележки

Если одно колесо тележки окажется выше или ниже остальных, то вследствие статической неопределимости системы рессорного подвешивания в четырех точках произойдет перераспределение реакций.

В результате рессорные комплекты каждой буксы будут иметь различные прогибы и, следовательно, различные реактивные усилия. На раму действует система вертикальных сил, попарно симметричных относительно диагоналей. Эта система называется кососимметричной нагрузкой, которая стремится повернуть боковины рамы вокруг поперечной оси в противоположные стороны.

Рассчитаем кососимметричную нагрузку по формуле:

 , кН

где   - расчетная высота подъема набегающего колеса при входе в кривую с учетом разности диаметров колес, конусообразности бандажей, неточности регулировки рессорного подвешивания, мм;

        ж`_э – жесткость рессорного подвешивания тележки, отнесенная к одной колесной паре, кН/м.

Определим эквивалентную жесткость ж_э комплекта рессор и пружин одной колесной пары

, кН/м

  где ж_пр – жесткость пружины, комплект состоит из 4 параллельно работающих пружин;

         ж_р – жесткость листовой рессоры, в комплекте 2 последовательно работающих листовых рессоры.

, кН/м

Определим величину реакции рессорных подвесок  из расчета подъема набегающего колеса при входе в кривую =20 мм.

, кН

На рис.5 изображена расчетная схема с указанием величин действующих сил.

Составим расчетное выражение изгибающего момента

 , кНм

рассчитаем напряжения s_к в точках 1 и 6

 , МПа

13. Напряжения в опасном сечении рамы тележки от вертикальной динамической нагрузки

Для ориентировочного расчета на прочность влияния вертикальных колебаний при движении электровоза учитывается суммированием с напряжениями от статической нагрузки. Амплитудное значение переменного напряжения получается путем умножения напряжений от статических нагрузок на коэффициент вертикальной динамики К_Д.

Коэффициенты вертикальной динамики можно определить по эмпирической формуле:

 ,

  где V – заданная скорость движения, км/ч;

         f_СТ – статический прогиб рессорного подвешивания, мм

 

 мм

Определим коэффициенты для скоростей V_Д, V_ДВ, V_K

Пример расчёта для скорости V_Д

 , мм

Рассчитаем значения s_а в МПа

, МПа

Результаты расчётов представлены в Таблице 13.1.

Таблице 13.1.

Режим	Кд, мм	sа, МПа
VД=32,5 км/ч	0,128	6,84
VДВ=57,4 км/ч	0,148	7,91
V=VK=110 км/ч	0,193	10,28

14. Запас прочности в опасном сечении при наиболее неблагоприятных сочетаниях нагрузок

В таблице 4 приведены значения максимальных напряжений для различных режимов работы электровоза.

Таблица 14.1.

Вид нагрузки	Режим работы
	Трогание	Движение в кривой без возвышения	Движение в кривой с возвышением	Движение с конструкционной скоростью
Весовая	53,3	53,3	53,3	53,3
При движении в кривой	0	19,8	40,23	123,02
Действующая в тяговом режиме	21,9	17,5	16,3	14,1
Кососимметричная	3,88	3,88	3,88	3,88
Вертикальная динамическая	0	6,84	7,91	6,84
S	79,08	101,32	121,62	201,14

При движении с конструкционной скоростью напряжение в 6-й расчетной точке будет максимальным.

 Определим по величине максимального результирующего напряжения запас прочности.

Допускаемый коэффициент запаса прочности при ориентировочном расчете

   где s_Т = 240 МПа,

           - абсолютное значение максимального расчетного напряжения МПа.

Движение в кривой с возвышением:

Движение с конструкционной скоростью:

Полученное значение коэффициента прочности находится в зоне допустимых значений при движении в кривой с возвышением и вне зоны допустимых значений при движении с конструкционной скоростью.

15. Напряжение от условной статической нагрузки

На раму действует постоянная весовая и медленно изменяющаяся нагрузка от сил тяги, торможения и комплекса сил при движении в кривой. Так же на экипаж при его движении действуют переменные силы, зависящие от типа верхнего строения пути. Они вызывают в элементах конструкции переменные напряжения, которые в процессе длительной эксплуатации приводят к усталостным разрушениям деталей.

В ориентировочном расчете принимается среднее значение напряжения от статических нагрузок в любой точке сечения за время работы локомотива s_m, равное:

, МПа

 здесь  р_кр и р_Т – отношения времени движения локомотива в кривой и в режиме тяги или торможения к общему времени движения локомотива. Примем их равными р_кр=0,2,  р_Т=0,75

тогда определим среднее условное напряжение при скорости движения V_ДВ :

, МПа

16. Приведенное амплитудное напряжение расчетного цикла

Выясним, как получается расчетное амплитудное значение переменного напряжения, эквивалентное по своему разрушающему воздействию реальным нагрузкам. Случайный процесс нагружения рамы тележки характеризуется переменной амплитудой напряжения с величиной, не превышающей предельно допустимую.

Частные значения напряжения s_ai от переменной нагрузки определяется в соответствии со скоростью движения как

, МПа

Весь диапазон эксплуатационных скоростей локомотива разбит на интервалы. Вычислим для каждого значения средне интервальной скорости К_Дi и соответствующее значение s_ai Вероятность действия напряжения с такой амплитудой р_i соответствует вероятности движения со скоростями 1-го интервала. Расчеты сведены в таблицу

Пример расчёта для скорости V = 50 км/ч

Определим s_ai

, МПа

Таблица 16.1.

i	1	2	3	4	5
KДi	0,108	0,125	0,142	0,159	0,176
sai , МПа	5,78	6,68	7,58	8,48	9,38
sai6	37280	88800	189519	371468	680283
Рi	0,1	0,1	0,6	0,1	0,1
sai6 Рi	3728	8880	113711	37147	68028

Определим приведенное амплитудное напряжение по формуле:

, МПа

, МПа

17. Оценка усталостной прочности рамы

При проверке усталостной прочности рамы нужно учитывать, что элементы рамы, подвергающиеся переменному асимметричному напряжению, должны иметь дополнительный запас прочности из-за наличия концентраторов напряжения и ряда других причин.

При этом предел выносливости снижается за счет уменьшения в k_s раз переменной составляющей предельно допустимого напряжения.

  k_s  - коэффициент снижения усталостной прочности детали по сравнению с образцом, примем равным 2,4.

Зависимость предельно допустимого напряжения от среднего напряжения с учетом снижения усталостной прочности показана на рисунке 6.

Определим запас усталостной прочности с учетом максимального напряжения

Вначале определим коэффициент чувствительности металла к асимметрии цикла

Для металлов s₀=250 МПа, s_-1=200 МПа, s_вр=400 МПа, тогда

Определим предел выносливости

, МПа

тогда

Таки образом полученное значение усталостной прочности можно считать достаточным, так как оно больше 1,4.

Список использованной литературы

1.  Методические указания к выполнению курсового проекта. М.:2004

2.  Механическая часть тягового подвижного состава.                                        Под ред. д.т.н. И. В. Бирюкова М., «Транспорт», 1992

3. Медель В. Д. Подвижной состав электрических железных дорог. М.,                 «Транспорт», 1974