Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКЦИОНЕРНАЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ

КОМПАНИЯ «УЗБЕКИСТОН ТЕМИР ЙУЛЛАРИ»

ТАШКЕНТСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

УДК 629.423.31; 621.822

Тема магистерской диссертации:

Разработка модернизированной

Конструкции рессоры электровозов

Специальность: 5А521310 - Электрический транспорт

УСМАНОВ ХУСНИДДИН ХАСАНОВИЧ

Научный руководитель:

Профессор кафедры «Электрический

транспорт», доктор технических наук

ХРОМОВА Г.А.

Ташкент - 2011-2012 г.

Аннотация

Актуальность темы. Железнодорожный транспорт Республики Узбекистан постепенно преодолевает негативные последствия экономического кризиса, характерного для стран СНГ 90-х годов прошлого столетия. Переход на рыночные отношения существенно повлиял на условия работы ГАЖК «Узбекистон темир йуллари». Значительно возросли затраты на энергоресурсы, и как следствие эксплуатационные расходы из-за удорожания материально-технических ресурсов. В Узбекистане отсутствуют заводы по производству локомотивов, как пассажирских, так и грузовых, но имеется довольно разветвленная ремонтная база с устаревшим оборудованием. Поэтому железнодорожный транспорт работает с использованием старой 80-х годов постройки подвижного состава техники и оборудования. Приобретаемый новый подвижной состав, как правило, производства стран дальнего зарубежья не соответствует техническим и эксплуатационным требованиям железнодорожного пути и подпитывающей электрической сети (для электрического транспорта) Узбекистана. Поэтому в условиях мирового финансово-экономического кризиса вопросы повышения надежности работы имеющихся в эксплуатации локомотивов путем модернизации отдельных конструктивных узлов при капитальном ремонте с продлением срока полезного использования, являются актуальными. Конкретно, в книге И.А. Каримова [1] подчеркнуто, что одним из главных мероприятий Антикризисной программы является решение главной ключевой задачи: «дальнейшее ускоренное проведение модернизации, технического и технологического перевооружения предприятий, широкое внедрение современных гибких технологий».

По проведенному нами обзору научно-технической и патентной литературы по проблеме повышения надежности и долговечности электровозов и электропоездов, а также систем рессорного подвешивания за последние 10ч15 лет по классам МПК⁸ B60G 11/10,B61G 11/00, B60G 11/26, B61F 5/00 - B61F 5/36, F16F1/18, F16F1/373, F16F 9/08, установлено, что основными путями повышения надежности и прочности являются улучшение ходовых качеств электроподвижного состава, гашение как вертикальных, так и горизонтальных колебаний, возникающих при движении экипажа по прямым участкам и в кривых, стабилизация процесса движения, улучшение упруго-диссипативных свойств подвески, повышение плавности хода.

Для развития современной теории колебаний многослойных криволинейных рессорных элементов транспортных средств характерно одновременное широкое использование методов теоретических исследований с численной обработкой результатов на ЭBM и данных эксперимента по напряженно-деформированному состоянию конструкций с выполнением расчетов на динамическую прочность.

Существенное влияние на разработку различных аспектов теории расчета криволинейных многослойных упругих элементов типа рессор транспортных средств, таких как методика исследования уравнений колебаний круговых, цилиндрических и эллиптических элементов криволинейной формы, оказали работы С.П. Тимошенко, И.М. Бабакова, А.С. Вольмира, Я.Г. Пановко, Г.С. Маслова, И.И. Вульфсона, Н.И. Левитского, В.А. Светлицкого, В.П. Когаева, в Узбекистане - академика АН РУз А.Д. Глущенко, профессора Файзибаева Ш.С., профессора Хромовой Г.А. и их учеников. В данных работах рассмотрены вопросы, связанные с практическими методами расчетов и экспериментальными исследованиями изгибных, крутильных и осевых колебаний сечений многослойных упругих элементов при динамических нагрузках с использованием ЭВМ.

Однако, методы расчета на динамическую прочность многослойных криволинейных рессорных элементов электроподвижного состава, а также методы их модернизации с целью продления срока полезной эксплуатации и улучшения динамических качеств развиты недостаточно. Данная работа посвящена конкретно модернизации конструкции рессоры электровозов.

Объектом исследования являются рессоры электровозов типа ВЛ-60к и ВЛ-80с.

Цель работы состояла в исследовании изгибных колебаний многослойного криволинейного рессорного элемента электровоза с учетом гидрофрикционного трения между листами и разработке его модернизированной конструкции с улучшенными упруго-диссипативными свойствами.

На основе анализа существующих методов расчёта и опыта эксплуатации рессорных элементов локомотивов были поставлены следующие задачи исследований :

1. Аналитические исследования закономерностей силового нагружения криволинейных многослойных упругих элементов транспортных средств, включающие:

- вывод уравнений колебаний упругих многослойных стержневых систем криволинейной формы с учетом гидрофрикционного трения между листами;

- исследование колебаний многослойного упругого элемента переменного сечения, изогнутого в плоскости по радиусу R с учетом гидрофрикционного трения между листами;

- разработку алгоритмов и проведение численных исследований для моделирования динамического нагружения упругих многослойных стержневых систем криволинейной формы с учетом гидрофрикционного трения между листами;

- разработку методики расчёта на динамическую прочность упругих многослойных стержневых систем криволинейной формы (типа рессор электровозов) с учетом гидрофрикционного трения между листами.

2. Обоснование конструктивных параметров предлагаемой конструкции рессоры электровоза модернизированной конструкции с оформлением заявки на изобретение ( Патент Республики Узбекистан ).

Методика исследований включает в себя анализ систем уравнений в частных производных, описывающих колебания сечений рессорного многослойного элемента переменной изгибной жесткости, решение которой осуществляется методами операционного исчисления Лапласа и дальнейшего использования итерационных методов на ЭВМ на базе методов Фурье и Бубнова - Галеркина.

Научная новизна работы состоит в:

- разработке математической модели для исследования колебаний упругих многослойных стержневых систем криволинейной формы с учетом гидрофрикционного трения между листами;

- решении дифференциальных уравнений колебаний многослойного упругого элемента переменного сечения, изогнутого в плоскости по радиусу R с учетом гидрофрикционного трения между листами;

- разработке алгоритма и проведении численных исследований для моделирования динамического нагружения упругих многослойных стержневых систем криволинейной формы с учетом гидрофрикционного трения между листами;

- разработке методики расчёта на динамическую прочность упругих многослойных стержневых систем криволинейной формы (типа рессор электровозов) с учетом гидрофрикционного трения между листами;

- разработке модернизированной конструкции рессоры электровоза с улучшенными упруго-диссипативными свойствами с оформлением заявки на изобретение на Патент Республики Узбекистан (№ IАP 2011 0235. Дата подачи заявки на изобретение 07.06.2011 г.) [2].

Практическая ценность. Разработанная методика динамического расчета на прочность рессоры электровоза с учетом гидрофрикционного трения между листами может быть широко использована в транспортном машиностроении, конкретно при проектировании новых рельсовых транспортных средств и модернизации существующих.

Реализация работы. Предложена модернизированная конструкция рессоры электровоза с улучшенными упруго-диссипативными свойствами, с оформлением заявки на изобретение на Патент Республики Узбекистан (№ IАP 2011 0235. Дата подачи заявки на изобретение 07.06.2011 г.) [2].

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Республиканской научно-технической конференции с участием зарубежных ученых (декабрь 2010 г., ТашИИТ) «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», на научном семинаре молодых ученых «Актуальные проблемы инновационных технологий» (25 марта 2011 г., ТашИИТ) и 2-х IХ и Х Межвузовских научно-практических конференциях студентов, бакалавров и магистратуры, стажеров и соискателей «Молодой научный исследователь» (апрель 2011 и 3-4 апреля 2012 гг.) и 1-ой научно-методической конференции (20 ноября 2011 г.) ТашИИТа в 2010-2012 годах.

Публикации.По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 1 статья в трудах Республиканской научно-технической конференции с участием зарубежных ученых (декабрь 2010 г., ТашИИТ) «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», 1 статья - в трудах научного семинара молодых ученых «Актуальные проблемы инновационных технологий» (25 марта 2011 г., ТашИИТ), подана 1 заявка на изобретение на Патент Республики Узбекистан (№ IАP 2011 0235. Дата подачи заявки на изобретение 07.06.2011 г.) [2].

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 83 страниц машинописного текста, состоит из введения, трех глав (с выводами по каждой из них), общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 44 наименований, а также приложения. Работа выполнялась в Ташкентском институте инженеров железнодорожного транспорта на кафедре «Электрический транспорт» (2010ч2012 гг.).

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность избранной темы, ставится цель работы, её научная новизна и практическая ценность, реализация работы и краткое содержание работы.

В первой главе «Обзор научно-технических работ и патентных источников по конструкциям и методам расчёта рессор локомотивов» приводится обзор по методам расчета листовых рессор локомотивов; обзор патентной литературы по модернизации конструкции буксового рессорного подвешивания рельсовых транспортных средств; приводятся перспективные конструкции центрального рессорного подвешивания электровозов; обзор устройств по модернизации ходовой части электровозов с улучшенной системой поперечного рессорного подвешивания; обзор патентных источников по модернизации конструкции рессорных элементов. В конце главы обосновываются задачи исследований.

Во второй главе «Исследование изгибных колебаний рессоры модернизированной конструкции с учетом влияния гидрофрикционного трения между листами» приводится разработка математической модели для исследования колебаний упругих многослойных стержневых систем криволинейной формы с учетом гидрофрикционного трения между листами; решены дифференциальные уравнения колебаний многослойного упругого элемента переменного сечения, изогнутого в плоскости по радиусу R ; разработан алгоритм и даны результаты численных исследований для моделирования динамического нагружения рессор электровозов. В конце главы приводятся обобщающие выводы.

В третьей главе «Разработка новой модернизированной конструкции рессоры электровоза» приводится предлагаемый нами вариант модернизации существующих рессор электровозов, на который подана заявка на изобретение на Патент Республики Узбекистан (№ IАP 2011 0235. Дата подачи заявки на изобретение 07.06.2011 г.) [2].

В заключении работы приводятся выводы и рекомендации, список использованной литературы.

Выводы и предложения

1. В результате проведенного обзора научно-технической и патентной литературы установлено, что листовые рессоры, применяемые в рессорном подвешивании транспортных средств, обладают рядом специфических конструктивных особенностей, оказывающих существенное влияние на прочностные и упруго диссипативные свойства: наличие сил трения между листами снижает прогибы и напряжения в листах в зависимости от условий нагружения; скачкообразное изменение момента инерции поперечного сечения сказывается на напряженном состоянии рессоры при её динамическом нагружении; на прочностные и упруго-диссипативные качества листовых рессор влияет правильность выбора радиуса гиба отдельных листов и их длин. Все эти параметры необходимо учесть при составлении математической модели.

2. Разработана математическая модель для исследования колебаний упругих многослойных стержневых систем криволинейной формы с учетом гидрофрикционного трения между листами.

3. Проведено решение дифференциальных уравнений колебаний многослойного упругого элемента переменного сечения, изогнутого в плоскости по радиусу R с учетом гидрофрикционного трения между листами с использованием метода Фурье и операционного преобразования Лапласа по времени.

4.Разработан алгоритм и проведены численные исследования для моделирования динамического нагружения упругих многослойных стержневых систем криволинейной формы с учетом гидрофрикционного трения между листами.

5. Разработана методика расчёта на динамическую прочность упругих многослойных стержневых систем криволинейной формы (типа рессор электровозов) с учетом гидрофрикционного трения между листами.

6. Проведена разработка модернизированной конструкции рессоры электровоза с улучшенными упруго-диссипативными свойствами с оформлением заявки на изобретение на Патент Республики Узбекистан (№ IАP 2011 0235. Дата подачи заявки на изобретение 07.06.2011 г.) [2].

Список использованной литературы

1. Каримов И.А. Мировой финансово-экономический кризис, пути и меры по его преодолению в условиях Узбекистана. / И.А. Каримов.- Т.: Узбекистан, 2009.- 48 с.

2. Рессора транспортного средства. Решение о приеме заявки № IAP 2011 0235 на изобретение на Патент Республики Узбекистан к рассмотрению. Авторы: Хромова Г.А., Усманов Х.Х. Дата подачи заявки 07.06.2011 г.

Содержание

Введение

1. Обзор научно-технических работ и патентных источников по конструкциям и методам расчёта листовых рессор локомотивов

1.1 Обзор по методам расчета листовых рессор локомотивов

1.2 Модернизация конструкции буксового рессорного подвешивания рельсовых транспортных средств

1.3 Перспективные конструкции центрального рессорного подвешивания электровозов

1.4 Устройства модернизации ходовой части электровозов с улучшенной системой поперечного рессорного подвешивания

1.5 Обзор патентных источников по модернизации конструкции рессорных элементов

1.6 Постановка задач исследований

2. Исследование изгибных колебаний рессоры электровоза модернизированной конструкции с учетом влияния гидрофрикционного трения между листами

2.1 Разработка динамической модели колебаний многослойных стержневых систем криволинейной формы типа рессор локомотивов

2.2 Разработка алгоритмов и численные исследования по моделированию динамического нагружения модернизированной конструкции рессоры локомотива

2.3 Обобщающие выводы по главе 2

3. Разработка новой модернизированной конструкции рессоры электровоза

Выводы и предложения

Список использованной литературы

1. Обзор научно-технических работ и патентных источников по конструкциям и методам расчёта листовых рессор локомотивов

1.1 Обзор по методам расчёта листовых рессор локомотивов

Современный подвижной состав часто имеет сложное внутреннее и наружное энергосиловое и тормозное оборудование, работоспособность которого уменьшается под действием вибраций и которое само может явиться источником интенсивных колебаний [1].

В связи с этим возникает необходимость всесторонних исследований динамической нагруженности подвижного состава как колебательной системы при учёте диссипации энергии. В настоящее время эта задача решается для различных типов подвижного состава путем применения специальных конструкций гасителей колебаний, упругодиссипативных связей, ограничителей, упоров и т.п. Всё это привело к тому, что в электровозах используется большое количество конструкций и систем демпфирования колебаний.

Эксплуатационным режимом работы для рессорных элементов рессорного подвешивания подвижного состава (конкретно, электровозов) [2,3] является гармоническое импульсное воздействие с частотой 1 ч 2.5 Гц и амплитудой 10ч20 мм, в отдельных случаях возможно возникновение боковых сил (перекосов).

Для развития современной теории колебаний многослойных криволинейных рессорных элементов транспортных средств характерно

одновременное широкое использование методов теоретических исследований с численной обработкой результатов на ЭBM и данных эксперимента по напряженно-деформированному состоянию конструкций с выполнением расчетов на динамическую прочность.

Существенное влияние на разработку различных аспектов теории расчета криволинейных многослойных упругих элементов типа рессор транспортных средств, таких как методика исследования уравнений колебаний круговых, цилиндрических и эллиптических элементов криволинейной формы, оказали работы С.П. Тимошенко, И.М. Бабакова, А.С. Вольмира, Я.Г. Пановко, Г.С. Маслова, И.И. Вульфсона, Н.И. Левитского, В.А. Светлицкого, В.П. Когаева [4ч7], в Узбекистане - академика АН РУз А.Д. Глущенко, профессора Файзибаева Ш.С., профессора Хромовой Г.А. и их учеников [8ч16]. В данных работах рассмотрены вопросы, связанные с практическими методами расчетов и экспериментальными исследованиями изгибных, крутильных и осевых колебаний сечений многослойных упругих элементов при динамических нагрузках с использованием ЭВМ.

Листовые рессоры, применяемые в рессорном подвешивании транспортных средств, обладают рядом специфических конструктивных особенностей, оказывающих существенное влияние на прочностные и упруго диссипативные свойства: наличие сил трения между листами снижает прогибы и напряжения в листах в зависимости от условий нагружения; скачкообразное изменение момента инерции поперечного сечения сказывается на напряженном состоянии рессоры при её динамическом нагружении; на прочностные и упруго-диссипативные качества листовых рессор влияет правильность выбора радиуса гиба отдельных листов и их длин. Данные параметры были учтены при составлении расчётных зависимостей в методиках расчета, к примеру, «Методике расчёта листовых рессор подвижного состава железных дорог» [2,3] (см. таблицу 1.1). В условиях эксплуатации листовые рессоры рессорного подвешивания подвержены воздействию в основном вертикальных циклических нагрузок, изменяющихся по асимметричному циклу. Эта нагрузка складывается из постоянной составляющей от веса надрессорного строения экипажа и динамической, возникающей от вертикальных колебаний экипажа.

Рессоры в соответствии с ГОСТ 1425-76 [1] изготавливают из листов рессорно-пружинной кремнистой стали марок 55С2 и 60С2. Часть листов имеют одинаковую длину (верхний лист называется коренным, а расположенный под ним - подкоренным). Остальные (наборные) листы имеют разные длины - листы ступенчатой части (рисунок 1.1). Для предотвращения поперечного сдвига листы обычно выполняют из желобчатой стали.

В горячем состоянии листы изгибают так, что более короткие листы имеют большую кривизну, что обеспечивает их плотное прилегание. В результате термообработки (закалка при температуре С в масле и отпуск при вторичном нагреве до С) механические характеристики стали указанным в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Марка стали	Временное сопротивление, МПа	Касательные напряжения	Предел текучести МПа	Касательные напряжения	Предел выносливости, МПа	Касательные напряжения
55С2	1300	900	1200	700	480	360
60С2	1300	850	1200	650	450	300

Рисунок.1.1 - Расчетная модель листовой рессоры.

После термообработки листы рессоры подвергают дробеструйному наклепу, чтобы повысить предел выносливости. Для повышения чувствительности рессоры к изменению нагрузки и уменьшения износа листов их поверхности смазывают смесью машинного масла (25%), солидола (25%) и графита (50%). На пакет листов в средней части надевают хомут в горячем состоянии и обжимают его одновременно со всех сторон на прессе. Материал хомута: углеродистая сталь 10 или Ст3. Для снижения концентрации напряжений кромки листов у торцов закругляют. После изготовления или ремонта рессоры испытывают на изгиб нагрузкой, соответствующей расчетному напряжению 1000 МПа. Остаточные деформации после испытания рессоры не допускаются.

За длину рессоры (рисунок 1.1) принимают расстояние L между центрами отверстий коренного листа. Так как, оно изменяется в зависимости от нагрузки, то различают длину рессоры в свободном состоянии (без нагрузки) и расчетную длину (при расчетной нагрузке).

Стрелой прогиба рессоры называют расстояние от прямой, соединяющей центры отверстий в верхнем листе, до его поверхности в средней части рессоры. Для рессоры в свободном состоянии (не загруженной) это расстояние называют стрелой прогиба в свободном состоянии. Разность стрел прогиба без нагрузки и под нагрузкой равна прогибу рессоры. Статическим называют прогиб рессоры под статической нагрузкой .

Характеристики рессор электровозов (определены экспериментально и по данным эксплуатации [1]) приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Марка электовоза	Число листов коренных	Число листов наборных	Сечение листов (ширина х толщина), мм	Рабочая нагрузка, кН	Статический прогиб, мм	Длина рессоры под нагрузкой, мм	Жесткость рессоры, (МН/м)
1. ВЛ 22	4	10	100 х 13	81.4	51.8	1100	1,57
2. ВЛ 60	3	7	120 х 16	84.2	69.3	1400	1,22
3. ВЛ 80	3	7	120 х 16	87.3	71.8	1400	1,22
4. ВЛ 10	3	7	120 х 16	84.6	69.5	1400	1,22
5. ЧС 2	3	6	120 х 16	83.3	46.5	1200	1,79

При расчете листовых рессор, применяемых в рессорном подвешивании железнодорожного подвижного состава, учитывается влияние специфических конструктивных особенностей листовых рессор:

- наличие сил трения между листами снижает динамические прогибы и перераспределяет напряжения в листах в зависимости от условий нагружения;

- скачкообразное изменение момента инерции поперечного сечения сказывается на напряженном состоянии рессоры при ее динамическом нагружении;

- выбор величин радиусов изгиба листов и их длины влияет на прочностные и упруго-диссипативные качества листовой рессоры.

В процессе эксплуатации листовые рессоры рессорного подвешивания подвержены воздействию в основном вертикальных циклических нагрузок, изменяющихся по ассиметричному циклу. Эта нагрузка складывается из постоянной составляющей от веса надрессорного строения экипажа и динамической, возникающей от вертикальных колебаний экипажа.

Таблица 1.3. Расчет рациональных параметров рессоры электровоза.

Наименование параметра	Буквенное обозначение	Формула и рекомендации по выбору величин
1	2	3
1. Расчетные нагрузки
1.1 Статическая нагрузка, кН	Р	Для локомотивов назначается по весу надрессорного строения с полным за-пасом топлива и песка. Допускается считать по служебному весу локомотива.
1.2 Расчетная статическая нагрузка на половину рессоры, кН
1.3 Переменнаядинамическая составляющая нагрузки, кН		(1)
1.4 Максимальная динамическая составляющая нагрузки, кН		(2)
1.5 Максимальная расчетная нагрузка, кН		(3)
1.6 Пробная нагрузка на рессору, кН		(4)
1.7 Сила взаимодействия листов коренной и ступенчатой части рессоры при затяжке хомутом. Напор, кН		Ограничивается минимально допустимым значением, обеспечивающим включение в работу всех листов рессоры
1.8. Нагрузка на поверхностях трения между листами рессоры, кН		(5) При расчете принимается
1.9.Нагрузка, действующая на отдельные листы рессоры, кН	Рi	(6) где i- номер листа рессоры, начиная с верхнего коренного листа. Верхний коренной лист i=1 нижний лист ступенчатой части i=m+n - для верхнего листа ступенчатой части; - для последующих листов ступенчатой части. Для нижнего листа ступенчатой части
2. Геометрические параметры листовой рессоры
2.1 Количество листов		(7) Целесообразно уменьшить полученное значение на единицу. При превышении допустимой величины максимальных напряжений в листах, принимается расчетным
2.2 количество листов коренной части	m	Принимается m = 1…3. Уменьшение количества коренных листов уменьшает массу рессоры
2.3 Количество листов ступенчатой части
2.4 Расстояние между точками приложений нагрузок на рессору, см		Назначается по компоновоч-ным параметрам рессорного подвешивания.
2.5 Расстояние от плоскости середины хомута до точки приложения нагрузки , см
2.6 Расстояние от конца i-го листа до середины плоскости хомута, см		При , (8)
2.7 Длина верхнего листа ступенчатой части, см		При m > 1 (9)
2.8 Шаг удлинения листов, см		; (10)
2.9 Ширина хомута, см		Рекомендуется назначать
2.10 Ширина листа, см		Выбирается из условий ком-поновки рессоры по сорта-ментам рессорных сталей, например ГОСТ 7419
2.11 Толщина листа, см		Выбирается по сортаментам рессорных сталей
2.12 Радиус рессоры в собранном состоянии, см		Из условия отсутствия обратного выгиба рессоры под действием внешней нагрузки рекомендуется величину определять по формуле (11)
2.13 Радиус изгиба коренных листов, см		(12) где Е - модуль упругости; МПа
2.14 Радиус изгиба листов ступенчатой части, см		(13)
2.15 Максимальная среднестатистическая амплитуда колебаний листовой рессоры, см		Принимается по данным расчетов и экспериментальных исследований. При проектировании перспективных локомотивов величину можно принимать равной 3-4 см
2.16 Динамический прогиб рессоры в точке приложения нагрузки, см
2.17 Прогиб рессоры в сечении конца i-го листа, см		(15) Для последнего нижнего листа ступенчатой части
2.18 Расстояние от плоскости хомута до точки передачи усилия от i - 1 листа i - му листу, см
2.19 Статический прогиб листовой рессоры без учета сил трения, см		Доля прогиба листовых рессор от общего прогиба рессорного подвешивания определяется при динами-ческом расчете экипажа (16) В случае использования специальных прямоугольных листов могут быть использованы формулы, рекомендованные в справочной литературе
2.20 Диапазон разброса статического прогиба при учете сил трения, см		(17)
2.21.Расчетный чертежный статический прогиб рессоры, см		(18)
2.22 Момент инерции сечения листа,		Для прямоугольного сечения
2.23 Момент сопротивления сечения листа,		Для прямоугольного сечения
3 Расчетные коэффициенты
3.1 Коэффициент динамики рессоры	КД	При выборе учитываются результаты динамических испытаний аналогичных экипажей. Для магистральных локомотивов при одноступенчатом подвешивании со статическим прогибом около 10 см величину следует принимать равной . Для первой ступени двухступенчатого рессорного подвешивания .
3.2 Коэффициент динамичности прогибов		или (19) При статическом нагружении и
3.3 Коэффициент динамичности напряжений		(20) При статическом нагружении и
3.4 Коэффициент трения между листами рессоры		= 0,2…0,4. При статическом нагружении = 0,4. При определениии величину принимать в интервале от 0,1 до 0,8
3.5 Коэффициент учета доли напряжений изгиба, восприни маемых каждым листом рессоры		(21)
3.6 Коэффициент снижения уровня максимальных рабочих напряжений		Учитывает влияние хомута, контактных напряжений, фреттинг-коррозии, состояние поверхности листов. Рекомендуется принимать = 0,83…0,86. Дробеструйная обработка = 0,86. Черная поверхность = 0,83
3.7 Коэффициент снижения уровня амплитуды динамических напряжений, вызванных изменением площади поперечного сечения рессоры		= 1 - для листов ступенчатой части, выполненных без скосов, = 0,4-0,6 - при наличии скосов.
4 Жесткость рессоры
4.1 Статическая жест-кость идеальной рессоры без учета сил трения, кН/см		(22)
4.2 Статическая жест-кость листовой рессоры, кН/см		(23)
4.3 Динамическая жесткость листовой рессоры, кН/см		(24)
5 Расчетные напряжения
5.1 Усредненное напряжение изгиба в листах идеальной рессоры у края хомута, МПа		(25)
5.2 Статическое напряжение в сечении у края хомута, МПа		(26)
5.3 Расчетные статические напряжения у края хомута, МПа		(27)
5.4 Максимальная амплитуда напряжений в сечении у края хомута, МПа		(28)
5.5 Амплитуда динамических напряжений в сечении у края хомута, вызванных скачкообразным изменением площади поперечного сечения рессоры, МПа		(29)
5.6 Статические напряжения в коренных листах рессоры, МПа		(30) Для коренных листов допускается использовать метод равной кривизны
5.7 Статические напряжения в i-м листе ступенчатой части, МПа		(31) Расчетные напряжения в i-м листе
5.8 Амплитуда динамических напряжений в i-м листе рессоры, МПа		(32)
5.9 Амплитуда динамических напряжений от скачкообразного изменения площади попе-речного сечения рессоры вi-м листе ступенчатой части, МПа		(33) Для коренных листов - формула (29). В нижнем листе ступенчатой части =0
5.10 Амплитуда динамических напряжений от скачкообразного изменения площади поперечного сечения рессоры в i-м листе ступенчатой части при изготовлении листов со скосами концов (рессоры с оттянуты-ми концами), МПа		(34)
5.11 Предварительные напряжения в коренных листах рессоры, МПа		(35)
5.12 Предварительные напряжения в листах ступенчатой части рессоры, МПа		(36)
5.13 Предварительные напряжения в i-м листе рессоры, МПа		Для коренных листов (37) Для листов ступенчатой части (38)
5.14 Максимальная величина напряжений в i-м листе рессоры, МПа		(39) Для коренных листов минус . Для листов ступенчатой части плюс .
5.15 Минимальная величина напряжений в i-м листе рессоры, МПа		(40)
5.16 Допускаемые напряжения, МПа		Для сталей марок 55С2, 60С2, 60С2А, ГОСТ 14959-79 = 1000 МПа
5.17 Рекомендуемая величина допускаемых напряжений от статической нагрузки		= 600 МПа
5.18 Допускаемая величина максимальных рабочих напряжений в листах рессоры, МПа		= (41)

Исходные данные и расчетные параметры для расчета рессоры электровоза принимаются в виде:

- статическая (рабочая) нагрузка принимается согласно таблице 1.2 в зависимости от варианта (марки электровоза);

- расчетная статическая нагрузка .

Дальнейший расчет производится по [4] согласно таблице 1.3 по формулам с (1.1) по (1.41).

Таким образом, согласно методики [4] должен быть выполнен расчет рессоры электровоза с учетом эксплуатационных режимов работы для рессорных элементов рессорного подвешивания подвижного состава (конкретно, электровозов) [2,3] при гармоническом импульсном воздействии с частотой 1 ч 2.5 Гц и амплитудой 10ч20 мм.

1.2 Модернизация конструкции буксового рессорного подвешивания рельсовых транспортных средств

Нами проведен обзор патентных источников по различным конструкциям рессорного подвешивания рельсовых транспортных средств за последние 10 лет. Поиск был произведен по классам МПК B60G 11/10,B61G 11/00, B60G 11/26, B61F 5/00 - B61F 5/36, F16F1/18, F16F1/373, F16F 9/08.

Известно рессорное подвешивание железнодорожного транспортного средства по патенту Российской Федерации RU № 2 294 853 C1 (опубл. 10.03.2007 г. в бюл. № 7) [18].

Техническим результатом предлагаемого изобретения [18] является снижение неравномерности распределения веса железнодорожного транспортного средства по его колесам, колесным парам и тележкам, повышение его тяговых и динамических качеств, снижение износов узлов и деталей экипажа, повышение надежности и долговечности рессорного подвешивания, улучшение условий его эксплуатации и ремонта.

Технический результат достигается тем, что в рессорном подвешивании железнодорожного транспортного средства, содержащем кузов или раму железнодорожного транспортного средства, пружины или комплекты пружин рессорного подвешивания, опорные устройства, тележки с рамами или безрамные с колесными парами, с буксами, пружины или комплекты пружин одинаковой правой или левой навивки, установленные на правом и левом кронштейнах правой или левой буксы каждой колесной пары, своими опорными поверхностями повернуты относительно опорных поверхностей пружин или комплектов пружин, установленных на правом и левом кронштейнах соответственно левой или правой буксы этой колесной пары, на сто восемьдесят градусов, а пружины или комплекты пружин различной правой и левой навивки, установленные на кронштейны каждой буксы, на правом кронштейне правой или левой буксы каждой колесной пары опорными поверхностями установлены зеркально относительно опорных поверхностей пружин или комплектов пружин, установленных на ее левом кронштейне, при этом пружины или комплекты пружин на кронштейнах соответственно левой или правой буксы этой колесной пары опорными поверхностями установлены зеркально относительно опорных поверхностей пружин или комплектов пружин первой буксы этой колесной пары, кроме того, равнодействующие нагрузок, передаваемых опорными плоскостями пружин или комплектов пружин на левые и правые кронштейны каждой буксы совмещены с осью колесной пары или с осью буксы, проходящей через центры ее левого и правого кронштейнов, кроме того, положение пружин или комплектов пружин зафиксировано постоянными фиксаторами, установленными на буксах или на рамах тележек или на раме или кузове железнодорожного транспортного средства.

Предлагаемое центральное рессорное подвешивание железнодорожного транспортного средства представлено на чертежах, где:

- на рисунке 1.2 изображено рессорное подвешивание в составе железнодорожного транспортного средства, общий вид;

- на рисунке 1.3 изображено рессорное подвешивание в составе трехосной тележки, общий вид;

- на рисунке 1.4 изображен вид сверху на рисунке 1.2 (на чертеже изображены опорные поверхности пружин);

- на рисунке 1.5 изображена расчетная схема рессорного подвешивания с пружинами одной правой или левой навивкой;

Рессорное подвешивание железнодорожного транспортного средства (рисунки 1.2-1.6) состоит из кузова или рамы 1, тележек 2, рам тележек 3, продольных лонжеронов тележек 4, колесных пар 5, колес 6, букс 7 с левыми кронштейнами 8 и правыми кронштейнами 9, пружин буксового рессорного подвешивания с правой навивкой 10, пружин буксового рессорного подвешивания с левой навивкой 11, прокладок 12, пружин или комплектов пружин центрального рессорного подвешивания 13 или опорных устройств 14, опорных устройств пружин рессорного подвешивания 15, постоянных фиксаторов положения пружин 16, безрамных тележек 17.

Рессорное подвешивание железнодорожного транспортного средства работает следующим образом: вес железнодорожного транспортного средства с его кузова или рамы 1 пружинами или комплектами пружин центрального рессорного подвешивания 13 или опорными устройствами 14 передается на продольные лонжероны 4 рам 3 тележек 2, а с них через опорные устройства пружин рессорного подвешивания 15 и прокладки 12 или в безрамных тележках 17 непосредственно на верхние нагрузочные витки пружин буксового рессорного подвешивания с правой навивкой 10 или пружин буксового рессорного подвешивания с левой навивкой 11, а с них соответственно на левые кронштейны 8 и правые кронштейны 9 букс 7 колесных пар 5, колесами 6 которых вес и передается на рельсы.

При этом установка пружин или комплектов пружин одинаковой правой или левой навивки на правом и левом кронштейнах правой или левой буксы каждой колесной пары своими опорными поверхностями повернутыми относительно опорных поверхностей пружин или комплектов пружин, установленных на правом и левом кронштейнах соответственно левой или правой буксы этой колесной пары, на сто восемьдесят градусов, а также совмещение равнодействующих нагрузок, передаваемых опорными плоскостями пружин или комплектов пружин на левые и правые кронштейны каждой буксы с осью колесной пары или с осью буксы, проходящей через центры ее левого и правого кронштейнов, обеспечивает симметричную относительно продольной оси тележки 2 или безрамной тележки 17 и рамы железнодорожного транспортного средства 1 передачу веса на буксы 7 каждой колесной пары 5, что и приводит к равномерному распределению части веса железнодорожного транспортного средства, передаваемого тележкой 2 или безрамной тележкой 17, по всем их колесам 6.

Установка на кронштейны 8 и 9 каждой буксы 7 пружин или комплектов пружин различной правой 10 и левой 11 навивки на правом кронштейне 9 правой или левой буксы 7 каждой колесной пары 5 опорными поверхностями зеркально относительно опорных поверхностей пружин или комплектов пружин, установленных на ее левом кронштейне 8, при этом пружины или комплекты пружин на кронштейнах соответственно левой или правой буксы этой колесной пары опорными поверхностями установлены зеркально относительно опорных поверхностей пружин или комплектов пружин первой буксы этой колесной пары также обеспечивает симметричную относительно оси колесной пары 5 и продольной оси тележек 3 и 17 и рамы транспортного средства 1 передачу веса на буксы 7 колесной пары 5 и равномерному распределению веса железнодорожного транспортного средства, передаваемого тележками, по всем ее колесам 6.

Фиксация положения пружин или комплектов пружин постоянными фиксаторами 16, установленными на буксах 7 или на рамах тележек 3 или на раме или кузове 1 железнодорожного транспортного средства устраняет возможность случайного изменения положения пружин или комплектов пружин при плановых и внеплановых технических обслуживаниях и ремонтах экипажа железнодорожного транспортного средства.

Все это и приводит к снижению неравномерности распределения веса железнодорожного транспортного средства по его колесам, колесным парам и тележкам, повышению его тяговых и динамических качеств, снижению износов узлов и деталей экипажа, повышению надежности и долговечности рессорного подвешивания, улучшению условий его эксплуатации и ремонта.

Формула изобретения [18]:

Рессорное подвешивание железнодорожного транспортного средства, содержащее кузов или раму железнодорожного транспортного средства, пружины или комплекты пружин рессорного подвешивания, опорные устройства, тележки с рамами или безрамные с колесными парами, с буксами, отличающееся тем, что пружины или комплекты пружин одинаковой правой или левой навивки, установленные на правом и левом кронштейнах правой или левой буксы каждой колесной пары своими опорными поверхностями, повернуты относительно опорных поверхностей пружин или комплектов пружин, установленных на правом и левом кронштейнах соответственно левой или правой буксы этой колесной пары на 180°, или пружины или комплекты пружин различной правой и левой навивки, установленные на кронштейны каждой буксы, на правом кронштейне правой или левой буксы каждой колесной пары опорными поверхностями установлены зеркально относительно опорных поверхностей пружин или комплектов пружин, установленных на ее левом кронштейне, при этом пружины или комплекты пружин на кронштейнах соответственно левой или правой буксы этой колесной пары опорными поверхностями установлены зеркально относительно опорных поверхностей пружин или комплектов пружин первой буксы этой колесной пары.

Рисунок 1.2 - Рессорное подвешивание в составе железнодорожного транспортного средства, общий вид по патенту RU 2294853.

Рисунок 1.3 - Рессорное подвешивание в составе трехосной тележки, общий вид.

Рисунок 1.4 - Вид сверху на рисунке1.2 (на чертеже изображены опорные поверхности пружин).

Рисунок 1.5 - Расчетная схема рессорного подвешивания с пружинами одной правой или левой навивкой.

Известно буксовое рессорное подвешивание железнодорожного транспортного средства (варианты) по патенту Российской Федерации RU № 2 318 691 C1 (опубл. 10.03.2008 г., бюл. №7) [19].

Техническим результатом изобретения является снижение габаритов и массы буксового рессорного подвешивания, буксовых кронштейнов и самих букс, устранение неуравновешенных торцевых моментов и как следствие устранение перекоса рам тележек относительно кузова или рамы железнодорожного транспортного средства и перекоса колесных пар с буксами относительно рам тележек, а также устранение неравномерности распределения веса транспортного средства по его отдельным колесам, что приводит к уменьшению износов подшипниковых узлов, осей и бандажей колесных пар, к устранению нарушений в радиальной установке осей колесных пар, к уменьшению или устранению регулировок осевых нагрузок при изготовлении и эксплуатации железнодорожных транспортных средств, к повышению их эксплуатационных качеств.

Технический результат достигается тем, что в буксовом рессорном подвешивании железнодорожного транспортного средства, содержащем колесную пару с буксами, каждая из которых снабжена правым и левым кронштейнами с опорами буксовых пружин, буксовые пружины, опоры буксовых пружин рамы тележки или кузова железнодорожного транспортного средства, на опоры буксовых пружин правого и левого кронштейнов каждой буксы опорами нижних опорных витков симметрично относительно буксы установлены по буксовой пружине на каждый кронштейн, рабочие и опорные витки которой выполнены из пластины или из многослойной пластины, содержащей пластины одинаковых или различных физических свойств, или пустотелого фасонного профиля, в виде плоской спирали, при этом их опорные витки с опорами в свободном состоянии выполнены горизонтально или под углами к горизонту и направлены в одну или в разные стороны, а опорами верхних опорных витков эти пружины симметрично относительно поперечной оси соединены с опорами буксовых пружин рамы тележки или кузова железнодорожного транспортного средства, кроме того, рабочие витки буксовых пружин снабжены фасонными отверстиями или прорезями, кроме того, опорные витки буксовых пружин снабжены фасонными отверстиями, кроме того, рабочие витки буксовых пружин выполнены из пластин переменной толщины, кроме того, опорные витки буксовых пружин выполнены из пластин переменной толщины, и буксовые пружины своими опорами соединены с опорами буксовых пружин буксовых кронштейнов или рамы тележки, или кузова железнодорожного транспортного средства шарнирно с обеспечением возможности вращения относительно одной или двух, или трех осей.

Предлагаемое буксовое рессорное подвешивание железнодорожного транспортного средства представлено на чертежах, где:

на рисунке 1.6 изображено буксовое рессорное подвешивание в составе трехосной тележки железнодорожного транспортного средства, общий вид;

на рисунке 1.7 изображено буксовое рессорное подвешивание в составе двухосной безрамной тележки, общий вид;

на рисунке 1.8 изображено буксовое рессорное подвешивание, общий вид;

на рисунке 1.9 изображено буксовое рессорное подвешивание из пластин переменной толщины с опорными витками, смещенными относительно рабочих витков, общий вид;

на рисунке 1.10 изображено буксовое рессорное подвешивание из слоеных пластин с опорами верхних опорных витков пружин левого и правого кронштейнов буксы, жестко соединенных в единую опору, которой они соединены с опорой рамы тележки, общий вид.

Буксовое рессорное подвешивание железнодорожного транспортного средства (рисунки 1.6 - 1.10) состоит из колесной пары 1 с буксами 2, снабженными правыми кронштейнами 3 и левыми кронштейнами 4 с опорами буксовых пружин 5, рамы тележки 6, кузова 7, опор буксовых пружин рамы тележки или кузова 8, буксовых пружин 9 с нижними опорными витками 10, верхними опорными витками 11, опор опорных витков 12, рабочих витков пружин 13, пружин со смещенными относительно рабочих витков опорами 14, пружин с верхними опорами, жестко соединенными в единую опору 15, пружин, выполненных из слоеной пластины 16, пружин из пластины пустотелого фасонного профиля 17, буксовых пружин переменной толщины 18, фасонных отверстий пружин 19, прорезей рабочих витков пружин 20, шарниров 21, оси колесной пары 22, колес 23, центрального рессорного подвешивания 24.

Буксовое рессорное подвешивание железнодорожного транспортного средства работает следующим образом: вес железнодорожного транспортного средства с его кузова 7 передается на центральное рессорное подвешивания 24, с которого он передается на рамы тележек 6, а с них на их опоры буксовых пружин 8, или с кузова 7 непосредственно на его опоры буксовых пружин 8. Далее опорами 8 вес железнодорожного транспортного средства передается непосредственно или через шарниры 21 на опоры 12 или опору 12 верхних опорных витков 11 буксовых пружин 9. Опорными витками 11 вес передается рабочим виткам пружин 13, выполненным в виде плоской спирали, которая при передаче вертикальных нагрузок от витка к витку не создает никаких крутящих моментов в том числе и опорного при передаче веса и других нагрузок от рабочих витков нижним опорным виткам 10. С нижних опорных витков 10 опорами опорных витков 12 непосредственно или через шарниры 21 вес передается на опоры буксовых пружин 5 правого 3 и левого 4 кронштейнов буксы 2. При этом продольные опорные реакции, возникающие на опорах 12 нижних 10 и верхних 11 опорных витках буксовых пружин 9, взаимно гасятся их симметричным расположением относительно буксы 2. Далее с буксовых кронштейнов 3 и 4 корпусом буксы 2 вес передается на ось 22 колесной пары 1, с которой он колесами 23 и передается на рельсы. При этом при движении железнодорожного транспортного средства на его буксах 2 и колесных парах 1 не создается никаких вредных усилий и перемещений ни поступательных, ни вращательных. При этом вертикальные нагрузки передаются строго в соответствии с плоскостью симметрии каждой буксовой пружины и при их симметричном расположении в буксовом рессорном подвешивании они обеспечивают равномерное распределение этих нагрузок по колесам.

Все это и приводит к снижению габаритов и массы буксового рессорного подвешивания, буксовых кронштейнов и самих букс, устранению неуравновешенных торцевых моментов и как следствие устранению перекоса рам тележек относительно кузова или рамы железнодорожного транспортного средства и перекоса колесных пар с буксами относительно рам тележек, а также устранению неравномерности распределения веса транспортного средства по его отдельным колесам, что приводит к уменьшению износов подшипниковых узлов, осей и бандажей колесных пар, к устранению нарушений в радиальной установке осей колесных пар, к уменьшению или устранению регулировок осевых нагрузок при изготовлении и эксплуатации железнодорожных транспортных средств, к повышению их эксплуатационных качеств.

Рисунок 1.6 - Буксовое рессорное подвешивание в составе трехосной тележки железнодорожного транспортного средства, общий видпо патенту RU № 2 318 691 С1.

Рисунок 1.7 - Буксовое рессорное подвешивание в составе двухосной безрамной тележки, общий вид

Рисунок 1.8. - Буксовое рессорное подвешивание, общий вид

Рисунок 1.9 - Буксовое рессорное подвешивание из пластин переменной толщины с опорными витками, смещенными относительно рабочих витков, общий вид.

Рисунок 1.10 - Буксовое рессорное подвешивание из слоеных пластин с опорами верхних опорных витков пружин левого и правого кронштейнов буксы, жестко соединенных в единую опору, которой они соединены с опорой рамы тележки, общий вид

Таким образом, модернизация элементов буксового рессорного подвешивания осуществляется за счет широкого применения различных типов упругих элементов и демпферов.

1.3 Перспективные конструкции центрального рессорного подвешивания электровозов

Кроме того, нами был сделан анализ перспективных конструкций центрального рессорного подвешивания электровозов.

Так, к примеру, известно центральное рессорное подвешивание железнодорожного транспортного средства по патенту Российской Федерации № RU 2 298 497 C1. (Опубл. 10.05.2007 г., в бюл. № 13).

Техническим результатом изобретения является устранение перекоса рам тележек относительно кузова или рамы железнодорожного транспортного средства и перекоса колесных пар с буксами относительно рам тележек, а также устранение неравномерности распределения веса локомотива по его отдельным колесам, что приводит к уменьшению износов подшипниковых узлов, осей и бандажей колесных пар, к устранению нарушений в радиальной установке осей колесных пар, к уменьшению или устранению регулировок осевых нагрузок при изготовлении и эксплуатации железнодорожных транспортных средств, к повышению их эксплуатационных качеств.

Технический результат достигается тем, что в центральном рессорном подвешивании железнодорожного транспортного средства, содержащем кузов или раму, пружины или комплекты пружин рессорного подвешивания, тележки с рамами и с колесными парами с буксами, половина пружин или комплектов пружин выполнена с правой навивкой, а вторая половина выполнена с левой навивкой, при этом пружины или комплекты пружин правой навивки в центральном рессорном подвешивании каждой тележки установлены на рамах тележек или их балках симметрично относительно поперечной или продольной или поперечной и продольной осей тележки пружинам или комплектам пружин левой навивки, кроме того, пружины или комплекты пружин центрального рессорного подвешивания каждой тележки установлены на рамах или их балках с зеркальным расположением их опорных поверхностей относительно поперечной и продольной осей этих тележек, кроме того, опорные поверхности рам тележек или их балок снабжены фиксаторами положения опорных поверхностей пружин или комплектов пружин центрального рессорного подвешивания на рамах тележек или их балках, а также фиксаторы положения опорных поверхностей пружин или комплектов пружин выполнены в виде грузораспределителей по полным окружностям их опорных витков.

Предлагаемое центральное рессорное подвешивание железнодорожного транспортного средства представлено на рисунках, где:

на рисунке 1.11 изображено центральное рессорное подвешивание в составе железнодорожного транспортного средства, общий вид;

на рисунке 1.12 изображено центральное рессорное подвешивание в составе трехосной тележки, общий вид; рессора локомотив электровоз

на рисунке 1.13 изображен вид 1 на рисунке 1.12;

на рисунке 1.14 изображен вид сверху на рисунке 1.12;

на рисунке 1.15 изображен вид сверху на опорные поверхности пружин.

Центральное рессорное подвешивание железнодорожного транспортного средства (рисунок 1.11 - рисунок 1.15) состоит из кузова или рамы 1, тележек 2 с рамами 3, с продольными лонжеронами 4, с колесными парами 5, с колесами 6, с буксами 7, с буксовым рессорным подвешиванием 8, прокладок 9 пружин или комплектов пружин центрального рессорного подвешивания с правой навивкой 10, пружин или комплектов пружин центрального рессорного подвешивания елевой навивкой 11, с опорными поверхностями пружин 12 фиксаторов положения опорных поверхностей пружин или комплектов пружин 13, фиксаторов-грузораспределителей положения опорных поверхностей пружин или комплектов пружин 14.

...