Курсовая работа: Расчет элементов конструкции тягового подвижного состава

Рисунок 8 - Конструкция крайней тележки электровоза ЭП10

На электровозах ЭП20 опоры кузова «Флексикойл» (рисунок 9) устанавливаются на крайних тележках и представляют собой цилиндрические винтовые пружины, работающие на сжатие и сдвиг.

Технические характеристики пружины приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические характеристики пружины

Рисунок 9 - Опора кузова типа «Флексикойл»

1 - опора верхняя; 2 - шайба; 3 - пружина; 4 - опора нижняя; 5 - винт; 6 - шайба; 7 - полукольцо

Опора кузова, в соответствии с рисунком 9, состоит из пружины 3, которая нижним торцом через опору нижнюю 4, шайбу 6 и полукольца 7 опирается на раму тележки. На верхний торец пружины 3 через шайбы 2, опора верхняя 1 опирается кузов. Полукольца 7 применяются при развеске электровоза. При помощи шайб выдерживается размер А.

2. Расчёт параметров пружины системы «Флексикойл»

На современных скоростных и высокоскоростных электровозах отечественного и зарубежного производства в качестве опор кузова на тележках используют однорядные и двухрядные пружины, воспринимающие вертикальные и боковые нагрузки (рисунок 10).

Рисунок 10 - Расчётная схема винтовой пружины

Цилиндрическая пружина характеризуется следующими параметрами:

средний диаметр;

диаметр прутка;

высота пружины в свободном состоянии;

количество рабочих прутков пружины;

количество полных витков.

Произведём расчёт параметров пружины системы «Флексикойл», используя модель электровоза с осевой формулой 20-20-20. Исходные данные для расчёта приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Исходные данные для расчёта пружины

2.1 Расчёт пружин кузовного подвешивания

Во второй ступени подвешивания предполагаем установить 12 однорядных пружин системы «флексикойл» с опорами на тележки. На тележки установим по три пружины на сторону.

Рассчитаем статическую нагрузку на тележку:

,

,

Произведём расчёт статической нагрузки, действующей на каждую пружину опоры:

,

,

Произведём расчёт максимальной нагрузки при заданном коэффициенте запаса прочности :

,

,

Произведём расчёт жёсткости вертикальной связи кузова и тележки:

,

,

Произведём расчёт вертикальной жёсткости пружины, необходимой для реализации заданного статического прогиба во втором ярусе подвешивания :

,

,

Для заданного диаметра пружины предварительно был задан диаметр прутка, который подлежит дальнейшей проверке.

Произведём расчёт индекса пружины:

,

,

Произведём расчёт коэффициента кривизны:

,

,

2.2 Расчёт вертикальной жёсткости пружины

Под действием нагрузки во внутренних волокнах прутка пружины возникают наибольшие касательные напряжения , которые не должны превышать допускаемое напряжение . С этой целью для пружин подвижного состава в расчётах учитывается коэффициент запаса прочности . Таким образом, условие непревышения допускаемого напряжения примет вид:

,

Произведём расчёт количества витков для заданной жёсткости:

,

,

Принимаем количество рабочих витков

Произведём расчёт касательного напряжения в зависимости от количества витков:

,

,

Результаты расчёта касательного напряжения необходимо сравнить с допустимым значением, и, в случае превышения, изменить количество витков пружины: кузов тележка пружина пневматический

,

Условие выполняется.

Произведём расчёт коэффициента запаса прочности:

,

Произведём расчёт касательного напряжения при максимальной вертикальной силе и сравним полученное значение с допустимым:

,

,

Произведём расчёт жёсткости пружины:

,

,

Произведём расчёт индекса пружины в зависимости от заданной жёсткости:

,

,

Сравним заданное значение жёсткости с расчётным:

,

Для выбранных параметров проведём оценку устойчивости пружины при вертикальном нагружении.

Произведём расчёт высоты пружины в свободном состоянии:

,

,

Условие устойчивости пружины:

,

Для устойчивости обычных винтовых пружин свободная высота пружины не должна превышать величину , то есть . Для пружин «флексикойл» допустимы значения .

Работа пружины «флексикойл» показана на рисунке 11.

Рисунок 11 - Работа пружины «флексикойл» при вертикальном и боковом нагружении: 1 -винтовая пружина; 2 - кузов; 3 - тележка; 4 и 5 - направляющие

Проверим устойчивость пружины «флексикойл», для которых :

,

,

Для обоснования выбора количества витков построим графики, используя расчётные формулы. Для этого, задаваясь значениями количества рабочих витков от 2 до 20, рассчитаем зависимости для индекса пружины касательных напряжений и устойчивости . Расчёт проведём в системе Mathcad для построения более точных графиков.

На основании данных таблицы построим графическую зависимость индекса пружины от количества рабочих витков (рисунок 12).

Рисунок 12 - Зависимость индекса пружины от количества рабочих витков

На основании данных построим графическую зависимость касательных напряжений от количества рабочих витков(рисунок 13).

Рисунок 13 - Зависимость касательного напряжения от количества рабочих витков

На основании данных построим графическую зависимость устойчивости от количества рабочих витков (рисунок 14).

Рисунок 14 - Зависимость устойчивости пружины от количества рабочих витков

Определим массу пружины:

,

,

Как видно из формулы, масса пружины непосредственно зависит от количества рабочих витков. Задаваясь значениями от 2 до 20, рассчитаем соответствующие им значения масс и подставим их в систему Mathcad.

На основании данных построим графическую зависимость массы пружины от количества рабочих витков (рисунок 15).

Рисунок 15 - Зависимость массы пружины от количества рабочих витков

Определим силу при предварительной деформации:

,

Определим силу при рабочей деформации:

,

Определим силу при максимальной деформации:

,

Определим рабочий ход:

,

Определим наружный диаметр:

,

Определим внутренний диаметр:

,

Определим шаг витка:

,

Определим свободную высоту пружины:

,

Определим прогиб:

,

,

Коэффициент запаса конструктивного прогиба для кузовного подвешивания должен удовлетворять условию

,

,

Определим инерционный зазор:

,

Определим полное количество витков:

,

Определим длину прутка пружины:

,

2.3 Расчёт боковой жёсткости пружины

Пружина может работать на сжатие и сдвиг, при этом к ней предъявляются дополнительные требования. Рассмотрим расчёт боковой жёсткости пружины и возникающие напряжения при поперечном перемещении кузова относительно тележки.

Произведём расчёт высоты рабочей части пружины:

,

,

Расчётные коэффициенты для определения гибкости вычисляются по формулам:

,

,

,

,

,

,

,

Произведём расчёт гибкости:

,

,

Произведём расчёт боковой жёсткости:

,

,

Произведём расчёт максимальной боковой жёсткости по ГОСТ:

,

,

Произведём расчёт возвращающей силы при свободном ходе:

,

,

Непогашенное ускорение в кривой:

,

Произведём расчёт поперечной силы в кривой:

,

,

Произведём расчёт поперечного перемещения в кривой:

,

,

Произведём расчёт коэффициента концентрации напряжений:

,

,

Определим напряжение в витках при поперечном перемещении:

,

,

Определим максимальное суммарное напряжение в витках при вертикальном и горизонтальном перемещении:

,

,

Определим коэффициент запаса прочности:

,

,

Результаты расчёта отобразим на расчётной схеме пружины (рисунок 16).

Рисунок 16 - Расчётная схема пружины

На основании расчёта составим сводную таблицу (таблица 7).

Таблица 7 - Сводные результаты (по ГОСТ 13765-86)

На основании данных таблицы 7 можем сделать вывод о том, что рассчитанная пружина удовлетворяет заданным условиям и обладает достаточным запасом прочности.

3. Расчёт параметров пневматической рессоры

Рассмотрим расчёт параметров пневматической рессоры диафрагменного типа (рисунок 17).

Рисунок 17 - Расчётная схема пневматической рессоры:

1 - каналы сжатого воздуха внутри траверсы; 2 - рама кузова;

3 - траверса; 4 - оболочка пневморессоры; 5 - аварийная (резиновая) рессора; 6 - рама тележки; 7 - промежуточная шайба;

8 - диафрагменная пластина

При статическом медленном нагружении силовая характеристика пневморессоры имеет линейную зависимость и нелинейную - при динамическом. Для медленного (статического) нагружения жёсткость рессоры определяется по выражению [2]:

,

где коэффициент, учитывающий жёсткость материала оболочки и каркаса пневмоэлемента,

номинальное давление воздуха в пневмоэлементе,

показатель политропы; при медленном деформировании пневморессоры а при динамическом

эффективная (несущая) площадь пневмоэлемента, ;

суммарный объём пневморессоры, л.

Суммарный объём пневморессоры определяется по формуле:

,

где объём пневмоэлемента;

объём дополнительного резервуара.

Исходные данные для расчёта пневморессоры представлены в таблице 8.

Таблица 8 - Параметры пневморессоры

Определим суммарный объём пневморессоры:

,

Определим эффективную площадь пневморессоры:

,

,

Статический прогиб пневморессоры равен:

,

где статическая нагрузка на каждую из четырёх пневморессор экипажа.

Для определения рассмотрим вагон электропоезда ЭВС1 «Сапсан», масса которого наибольшая. Данные по массе головного вагона, тележек и кузова с пассажирами приведены в таблице 2. Общий вид пневморессоры представлен на рисунке 15.

Определим вес, приходящийся на каждую из четырёх пневморессор:

,

,

Прогиб одной рессоры составит: