РОСЖЕЛДОР
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Ростовский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Тяговый подвижной состав»
Пояснительная записка
Расчёт элементов конструкции тягового подвижного состава
По дисциплине «Механическая часть ЭПС»
2020
Содержание
Введение
1. Анализ конструкции упругих связей кузова и тележек
1.1 Общие сведения о механической части тягового подвижного состава
1.2 Связи кузова с тележками
1.3 Упругие связи второго яруса подвешивания. Опоры кузова «Флексикойл»
2. Расчёт параметров пружины системы «Флексикойл»
2.1 Расчёт пружин кузовного подвешивания
2.2 Расчёт вертикальной жёсткости пружины
2.3 Расчёт боковой жёсткости пружины
3. Расчёт параметров пневматической рессоры
Заключение
Список использованных источников
Введение
На железнодорожном тяговом подвижном составе, в том числе на скоростном и высокоскоростном, устраивают двухъярусное рессорно подвешивание, которое позволяет путем технических решений создать высокий уровень комфорта передвижения пассажиров. Первый ярус или первая ступень подвешивания соединяет буксовый узел колесных пар и раму тележки упругими элементами: витые пружинами, резиновыми элементами. Во втором ярусе подвешивания для соединения кузова и рамы тележки и передачи вертикальных сил применяют: люлечное подвешивание, качающиеся упругие стержни, витые пружины, пружины системы Flexicoil, резинометаллические элементы, пневматические рессоры и другими упругими элементы.
Для гашения колебаний в обоих ярусах подвешивания используются демпфирующие устройства: гидравлические гасители колебаний, демпферы сухого трения и другие. Пружины Flexicoil позволяют реализовать как вертикальную амортизацию кузова, так и создать возвращающие силы в поперечном направлении. В конструкции современных скоростных и высокоскоростных экипажей широкое распространение получили пневматические рессоры (пневморессоры), позволяющие реализовать большие величины статического прогиба и регулировать высоту положения кузова относительно тележки. Пневмоподвешивание более сложное в изготовлении и эксплуатации, по сравнению с традиционным. Однако оно позволяет достичь наилучших динамических качеств механической части скоростного и высокоскоростного подвижного состава.
1. Анализ конструкции упругих связей кузова и тележек
1.1 Общие сведения о механической части тягового подвижного состава
Механическую часть тягового подвижного состава иногда называют экипажной частью. Она предназначена для размещения и установки электрического, энергетического (тепловозы), механического и пневматического оборудования, а также для размещения локомотивных бригад и пассажиров (электропоезда, дизель-поезда, поезда метрополитена - мотор-вагонный подвижной состав). С её помощью происходит передача силы тяжести подвижного состава на рельсовый путь, обеспечивается реализация силы тяги и тормозной силы и передача этих сил составу, а также движение в рельсовой колее. Для создания силы тяги ТПС оснащают тяговым приводом, состоящим из первичного источника энергии, преобразовательной установки, тягового электродвигателя и тяговой передачи, приводящей во вращение движитель - колёсную пару [3].
Механическая часть (рисунок 1) состоит из кузова с оборудованием и тележек. К последним относятся ходовая часть (колёсные пары, рамы и рессорное подвешивание), тяговый электродвигатель, тяговая передача и тормозное оборудование ручного и пневматического тормозов.
Кроме того, к механической части относятся сцепные приборы (автосцепка и поглощающий аппарат), которые устанавливают либо на кузове, либо на тележках. Автосцепки обеспечивают сцепления локомотивов с вагонами и вагонов между собой; они передают тяговые и тормозные силы вдоль поезда. Поглощающие аппараты предназначены для рассеяния энергии соударений, возникающих в процессе движения между локомотивом и вагоном, а также между вагонами поезда. В мотор-вагонном подвижном составе (МВПС) кузова оборудуют переходными площадками для прохода пассажиров через вагоны поезда [1].
Кузов предназначен для размещения кабин управления, электрического и пневматического оборудования. На электропоездах это оборудование размещается под кузовом и частично на крыше вагона, а все пространство кузова за исключением кабин управления и служебных помещений головных вагонов используется для размещения пассажиров.
Рисунок 1 - Составные элементы механической части тягового подвижного состава
1.2 Связи кузова с тележками
Для передачи сил между сопрягающимися узлами механической части, а также с целью обеспечения требуемых относительных перемещений этих узлов в конструкции ТПС вводятся специальные элементы - связи. В качестве связей часто используются цилиндрические пружины, листовые рессоры, резинометаллические элементы, гасители колебаний (демпферы), шарнирно-рычажные системы. По назначению различают связи, посредством которых передаются:
- вертикальные силы (совокупность таких связей называют подвешиванием) ;
- продольные силы (силы тяги и торможения, а также силы, обусловленные подёргиванием экипажа);
- горизонтальные поперечные силы.
Конструктивное исполнение большинства связей, как правило, позволяет одновременно осуществлять передачу нескольких из названных групп сил. Такие связи называют совмещёнными.
Для тележечных экипажей, в зависимости от места расположения, связи можно разделить на два основных вида: связи между колёсными парами и рамами тележек и связи между рамами тележек и кузовом.
По своему характеру связи бывают жёсткими, шарнирными и упруго-деформируемыми. Характеристики упругих связей могут быть нескольких видов (рисунок 2): линейная (а), нелинейная (б, в), с ограничением (г), с предварительным натягом (д).
Для рассеивания (диссипации) энергии колебаний подвижных частей экипажа и ускорения гашения колебаний в подвешивании устанавливают демпферы (диссипативные связи), в которых часть энергии колебаний расходуется на трение и превращается в тепло.
Рисунок 2 - Характеристики упругих связей
Масса кузова электровоза тележечной конструкции составляет более 60% от общей массы, поэтому параметры кузовного подвешивания занимают важное место в формировании динамического поведения электровоза.
К показателям динамических качеств механической части подвижного состава относят максимальные ускорения кузова (), характеризующие динамические силы, действующие на пассажиров, оборудование поезда; коэффициенты вертикальной () и горизонтальной () динамики; коэффициент запаса конструктивного прогиба пружин рессорного подвешивания ():
,
где высота пружины под статической нагрузкой;
число рабочих витков пружины;
диаметр пружины;
динамический прогиб пружины.
Проектирование, изготовление, эксплуатация и ремонт подвижного состава выполняются таким образом, чтобы на протяжении всего срока эксплуатации железнодорожного подвижного состава выполнялись условия:
,
Параметры вертикальной жесткости второго яруса подвешивания должны обеспечивать условия устойчивости экипажа от опрокидывания
,
где поперечное расстояние между точками рессорного подвешивания первой ступени;
поперечное расстояние между точками рессорного подвешивания второй ступени;
координата центра масс экипажа.
Это позволяет определить наибольший суммарный статический прогиб или минимальную допустимую жесткость рессорного подвешивания. При этих условиях устойчивость равновесия кузова от опрокидывания обеспечивается с необходимым запасом без дополнительных конструктивных приемов.
Распределение суммарного статического прогиба по ступеням рессорного подвешивания рекомендуется выполнять в соотношении для традиционного транспорта, а для скоростного и высокоскоростного - в первой ступени и - во второй. Лучшим вариантом обеспечения необходимых показателей динамического качества механической части является управляемый процесс виброзащитой кузова подвижного состава. Такой процесс реализован на высокоскоростных поездах с помощью пневматических рессор, торсионов и гасителей колебаний во второй ступени подвешивания. Торсионы, связывающие опоры в поперечном направлении, позволяют повысить устойчивость кузова от опрокидывания.
На тележечных экипажах современных локомотивов применяется множество конструкций подвесок кузова, которые (несмотря на разнообразие конструктивного исполнения по отдельным элементам) могут быть условно разделены на четыре основных типа: безлюлечные, маятниковые, люлечного подвешивания и пневмоподвешивания.
В последнее время в качестве опор кузова на тележки различных типов подвижного состава все шире используются пневморессоры, которые устанавливаются по одной на каждую боковину тележки (рисунок 3).
Существуют четыре типа пневмоэлементов: диафрагменные (рисунок 4, б), баллонные (рисунок 4, а), подушечные и комбинированные. Диафрагменные элементы способны воспринимать вертикальную нагрузку и деформироваться в поперечном направлении. Баллонные элементы воспринимают только вертикальные нагрузки. Подушечные элементы работают в вертикальном и продольном направлениях. Комбинированные пневморессоры позволяют реализовать большие вертикальные перемещения по сравнению с диафрагменными.
Рисунок 3 - Расположение пневморессор на двухосной тележке
Рисунок 4 - Пневморессоры: а) баллонная; б) диафрагменная;
1 - резинокордная оболочка; 2 - поршень; 3 - основание рессоры; 4 - стяжка
Конструкция пневморессоры электропоезда «Сапсан» представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Пневморессоры: 1 -- основная рабочая пневморессора; 2 -- аварийная (монолитная) рессора; 3 -- основная вставка пневморессоры; 4 -- полимерная регулировочная шайба; 5 -- каналы сжатого воздуха внутри траверсы; 6 -- болты крепления верхней стыковочной шайбы пневморессоры к траверсе; 7 -- вертикальный посадочный канал в раме тележки; 8 -- верхняя стыковочная шайба (диафрагменная пластина) пневморессоры с траверсой с уплотнителем; 9 -- рама тележки; 10 -- траверса; 11 -- болтовое соединение со стороны рамы тележки; 12 -- промежуточная шайба
С целью снижения вертикальной жёсткости пневморессоры соединяют посредством дросселирующих элементов с дополнительным резервуаром, в качестве которого обычно используют внутренние полости балок рамы тележки. Дросселирование воздуха обеспечивает демпфирующий эффект, которого, однако, не всегда бывает достаточно для гашения колебаний в пневмоподвешивании. Поэтому часто параллельно с пневморессорами устанавливают гидродемпферы.
На высокоскоростном электропоезде «Сапсан» система пневматического подрессоривания расположена между рамой тележки и траверсой, прикрепленной десятью болтами к раме кузова. Траверса одновременно является и дополнительным резервуаром для обеих пневморессор. Воздух в пространство, заключённое резинокордной оболочкой рессоры, подается из траверсы через штуцер в диафрагменной пластине.
1.3 Упругие связи второго яруса подвешивания. Опоры кузова «Флексикойл»
На рисунке 6 показано подвешивание типа «флексикойл» («Flexicoil»). Его конструкция проста и обеспечивает линейные характеристики упругих
связей тележки с кузовом в вертикальном и горизонтальном направлениях, а также при повороте в плане.
Рисунок 6 - Подвешивание типа «флексикойл»
К недостаткам системы следует отнести сложную технологию изготовления пружин, которые подвергаются одновременно сжатию и изгибу. Для передачи больших нагрузок пружины должны быть изготовлены из прутка большого диаметра. Для обеспечения значительного прогиба в вертикальном направлении и достаточных горизонтальных перемещений требуются пружины большой длины. Другим недостатком является зависимость упругих характеристик подвешивания в вертикальном и поперечном направлениях. Эти характеристики закладываются на стадии изготовления пружины, и выбор конструктивных параметров такого подвешивания весьма затруднён.
Основной конструктивной особенностью пружин «флексикойл» является большое количество витков, обеспечивающих изгиб в поперечном направлении. Один из вариантов конструкции пружины представлен на рисунке 7.
Рисунок 7 - Вариант конструкции пружины «флексикойл»
Для уменьшения поперечной жёсткости используют резиновые блоки, расположенные на опорных витках вверху и внизу пружин. В последние годы этот тип подвешивания успешно применяется на ЭПС российского производства: электровозах ЭП1, ЭП10, ЭП20 и других.
На рисунке 8 показано подвешивание типа «флексикойл», реализованное в кузовной ступени на крайних тележках пассажирского электровоза ЭП10. Кузов опирается на верхний лист боковины рамы тележки посредством четырёх пружинных блоков 1. Вертикальные перемещения кузова и тележки ограничиваются упором 2, а колебания бокового относа тележек - противоотносным устройством 8 и боковыми упорами 5. Гашение колебаний в кузовном подвешивании осуществляется при помощи гидродемпферов 3, 6 и 7. Силы тяги и торможения от тележки к кузову передаются через наклонную тягу 4.