Механическая часть электроподвижного состава

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение Самарской области

«Самарский государственный университет путей сообщения»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Механическая часть электроподвижного состава»



Исходные данные

База тележки……………………………………2а=3,15 м.

Нагрузка на ось…………………………2Пст=250 кН

Тип тягового электродвигателя………………..НБ4418К

Вес тягового двигателя…………………….Р=43,5кН.

Толщина листов боковины рамы:

Стенки…………………………………………b1=12 мм.

Полки………………………………………………..b2=10 мм.

Накладки………………………………………b3=18 мм .

Жесткость:

Листовой рессоры…………………………Жр=1200 кН/м.

Пружины…………………………………...Жпр=2200 кН/м

Радиус кривой…………………………………р=300 м.

Возвышение наружного рельса в кривой…………………h=100 мм.

Таблица 1. Вероятность эксплуатации локомотива р_i, с различными средне интервальными скоростями

i - номер интервала	1	2	3	4	5
Интервал, км/ч	0..20	20...40	40..60	60...80	80..100
Средняя скорость, км/ч	10	30	50	70	90
pi	0,05	0,2	0,6	0,1	0,05

1. Расчетная схема рамы тележки

Рамы тележек представляем как пространственную систему, состоящую из стержней, оси которых проходят через центры тяжести площадей. сопротивление нагрузка локомотив двигатель



Рисунок 1 - Расчетная схема двухосной рамы тележки

Определяем длину стержней:

Ширина рамы тележки:

X_k=1.18/2=0.59м

Расстояние от оси шкворневой балки рамы до оси подвески тягового двигателя находим как:

Расстояние до осей шарниров рессорных подвесок:



Расстояние до оси шарниров поводков буксы:

Расстояние от расчетной плоскости рамы до осей шарниров поводков буксы по оси z:

Z_n1 = Z_n2+ 0,2=0,475 м;

Z_n2 =0,435 - 0,16=0,275 м.

Расстояние до центра сферического шарнира шкворня :

z_Ш =0,55 - 0,16 =0,39 м;

2. Расчет значения моментов сопротивления в опасном сечении

Для упрощения расчетов предположим, что поперечное сечение в заделке продольной балки будет состоять из вертикальных и горизонтальных листов.

Определим площади расчетных элементов по формуле:

Fi=а*b

Где а- размер элемента по горизонтали, м;

b- размер элемента по вертикали, м.

F₁=0,38*0,012=0,00456 м² .

Аналогично найдем площади для других элементов.

Определим ординату z'_I центра тяжести плоского элемента относительно вспомогательной оси y'_I ,м.

Определим статические моменты сопротивления плоских элементов z_i'F_i относительно оси y' , м³.

Определим ординату центра тяжести всего сечения:

Zc = = 0,041м

Определим абсциссу и ординату центра тяжести плоского элемента относительно нейтральных осей всего сечения:

Z_i =z_i-z_c=0-0,041=-0,041 м.

Аналогично найдем абсциссу и ординату для других элементов.

Рассчитаем моменты инерции каждого элемента относительно собственных нейтральных осей по выражению

м⁴;

м⁴,

где a_i - размер i элемента по горизонтали в метрах;

c_i - размер i элемента по вертикали в метрах.



Таблица 2. Расчет моментов инерции опасного сечения относительно оси у

№ п/п	Fi, м2	Z'i,м	Z'iFi,м3	Zi , м	Zi2 Fi, м4	J'yi, м4
1	0,00456	0	0	-0,041	7,66*10-5	5,48*10-5
2	0,00456	0	0	-0,041	7,66*10-5	5,48*10-5
3	0,0028	0,195	0,000546	0,154	6,64*10-5	0,0000182
4	0,0028	-0,195	-0,000546	-0,236	15,59*10-5	0,0000182
5	0,00414	0,190	0,0007866	0,149	9,19*10-5	1,825*10-5
?	0,01886	-	0,0007866	-	0,0003295	0,0001642

Таблица 3. Расчет моментов инерции опасного сечения относительнооси z

№ п/п	Fi, м2	Yi , м	Yi2Fi , м4	J'z, м4
1	0,00456	-0,111	0,000056	5,47*10-8
2	0,00456	0,111	0,000056	5,47•10-8
3	0,0028	0	0	2,33•10-8
4	0,0028	0	0	2,33•10-8
5	0,00414	0	0	11,17*10-8
?	0,01886	-	0,00011	26,77*10-8

Момент инерции всего сечения определяем относительно осей у и zпо выражению

Максимальные напряжения от вертикальных и горизонтальных изгибающих моментов будут в волокнах металла максимально удаленных от нейтральных осей сечения. Это точки 1 и 6. Моменты сопротивления изгибу вокруг горизонтальной оси у, для волокон проходящих через точки 1 и 6 определяем



где z₁ и у₁ - расстояния от рассматриваемых точек до центра тяжести

z₁=(0,38/2)+z_c+0,01=0,241 м.

y₁=0,28/2=0,14 м.

В остальных точках 2; 3; 4; 5 моменты сопротивления изгибу будут иметь большие значения, поэтому напряжения в них будут меньше.

3. Весовая нагрузка рамы тележки

Вертикальные силы веса, действующие на раму тележки, составляют

- собственный вес рамы;

- вес тормозного оборудования;

- вес подрессоренной части тягового двигателя;

- передачи и системы первичного подвешивания;

- части веса кузова, приходящиеся на тележку.

Величина реакций рессорных подвесок определяем в кН из условия

где Р?_нп - вес неподрессоренных частей, отнесенных к одной кп , кН

4 - четыре точкикрепления;



Нагрузка от веса кузова, приходящаяся на одну тележку

где Р_тел - вес одной тележки электровоза кН

где

q - интен- сивность равномерно распределенной нагрузки .

Сосредоточенная нагрузка от веса кузова электровоза

4. Напряжение в опасном сечении рамы тележки от весовойнагрузки

Рассчитаем изгибающий момент в заделке и построим эпюру



My1= - 0,25*282,283*0,59+47,562*0,875 - 4,4632*2,405*0,5*2,405+47,562*2,275 - 0,2*4,4632*1,1*2,405=92,915кН*м

My2= 47,562(0,875 - 0,59) - 4,4632*2,405(0,5*2,405 - 0,59) + 47,562(2,275 - 0,59) -0,2*4,4632*1,1(2,405 - 0,59) =85,34 кН*м

My3=47,562(2,275 - 0,875) - 4,4632*2,405(0,5*2,405 - 0,875) - 0,2*4,4632*1,1(2,405 - 0,875) = 61,569кН*м

My4 =47,562( 2,275 - 0,5*2,405) - 0,2*4,4632*1,1(2,405 - 0,5*2,405) = 49,83 кН*м

My5 = -0,2 *4,4632*1,1(2,405 - 2,275) = -0,127 кН*м

Определим напряжение для точки 1:

так как 1 H/mm² = 1 МПа.



5. Допустимая скорость движения локомотива в кривой

Для определения допустимой скорости движения в кривой решим систему уравнений равновесия сил, действующих на тележку.

Рисунок 5. Схема сил, действующихна тележку при движении в кривой

где Yi - направляющее усилие первой по ходу колесной пары, кН;

С - значение непогашенной центробежной силы для массы электровоза, приходящейся на тележку, кН ;

f - коэффициент трения между колесом и рельсом.

t • Р'сц •Cos(бi) - проекция силы трения на ось Y .

Величина допустимой скорости движения в кривой без возвышения:

=37,61 км/ч.

Скорость движения в кривой без возвышения наружного рельса:



;

=37,5 км/ч.

Определим центробежную силу:

, кН;

=18,542 км/ч.

С возвышением наружного рельса:

;

где h - возвышение наружного рельса в кривой, м;

=61,452км/ч.

Зададимся диапазоном возможных значений х_с от х_min= 1 м до х_max = х_снп (м):

, м,



где с - заданный радиус кривой, м;

? - суммарный зазор для колесной пары в кривой радиуса=300, мм.

?=24 мм,

=2,285 м.

Значит, = 1 м,а = 2,285 м.

6. Силы, действующие на раму тележки, при движении электровоза в кривой

Полную систему сил, действующих на раму тележки, при движении в кривой можно рассмотреть как состоящую из двух независимых систем.

Рисунок 6 - Схема действия сил на раму тележки при движении в кривой

Величина центробежной силы подрессоренных масс С_П в кН, отнесенной к одной тележке определяем для допустимой скорости V_Д для кривой без возвышения наружного рельса по формуле



где r - радиус кривой.

Перераспределение вертикальных реакций:

h_c= 2,2 м

где h_c - высота центра тяжести подрессоренных масс, относительно УГР;

b - половина ширины рамы тележки;

Д_б= 1,25м - расчетный диаметр колес по кругу катания.

Из этого уравнения определяем перегрузку R_c

Горизонтальные реакции, приложенные к буксовым кронштейнам, принимаем равными между собой и определяем

Принудительный поворот тележки без качения колес приводит к проскальзыванию бандажей. Со стороны колесной пары на боковины рамы действуют силы и, определяемые как



При допустимой скорости движения в кривой V_д = 37,5 км/ч,

x₁ = 3,86 м; x₂ = 0,71 м; S= 0,8 м; f= 0,25.

Продольные усилия стремятся повернуть раму тележки в горизонтальной плоскости, этому препятствуют буксы, закрепленные на шейках осей колесных пар. В результате появляются поперечные горизонтальные реакции H_p, приложенные к буксовым направляющим. Величина H_p рассчитывается из условия равновесия от действия этих сил и выражается уравнением

;

7. Напряжения в опасном сечении при движении локомотива в кривой

Система сил R_c, H_c, N_p, H_p, создает в заделке консоли два изгибающих момента: момент М_х действующий в вертикальной плоскости, и момент M_z действующий в горизонтальной плоскости.

Составим уравнения для определения изгибающих моментов в опасном сечении рамы в вертикальной плоскости xoy.



M_y1 =Rc*Xp1+Rc*Xp2 - Np1*Zn1 - Np1*Zn2 = 2,51*0,875+2,51*2,275 - 2,294*0,475-2,294*0,275=6,187кН*м

M_y2 = - Rc*Xp1+Rc*Xp2 - Np1*Zn1 - Np1*Zn2= - 2,51*0,875+2,51*2,275 - 2,294*0,475 - 2,294*0,275 = 1,795кН*м

M_y3 = -R_c*Xп1+Rc*Xp2 - Np1*Zn1- Np1*Zn2 = -2,51*1,1+2,51*2,275 - 2,294*0,475 - 2,294*0,275= 1,23кН*м

M_y4 = Rc(Xp2 - Xn2) = 2,51(2,275 - 2,05) = 0,564кН*м

M_у5 = 0

M_z1 = (Нс+Нр)*(Хп1+Хп2) = (1,753+3,764)*(1,1+2,05) = 17,378кН*м

Мz2= (Нс+Нр)*(Хп1-Хп2) = (1,753+3,764)*(1,1 - 2,05) = -5,241кН*м

Мz3= (Нс+Нр)*Хп2 = 11,309кН*м

Мz4= (Нс+Нр)*Xп1= 6,068кН*м

Mz5=0

Определим напряжение изгиба относительно осиy:

Суммарное напряжение изгиба в расчетных точках 1 и 6

МПа.

МПа.



8. Силы, действующие на раму тележки при работедвигателей электровоза в тяговом режиме

На раму действуют силу тяги Рд, 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 Рдт.

Одной из таких сил является Р_ДТ, действующая на подвеску ТЭД, определяется как

, где Lд = 1,2м

кН;

кН;

кН;

кН.

Рассмотрим силу тяги F_Д по условию сцепления колес с рельсами:

Реакции, возникающие в рессорном подвешивании при работе ТЭД определяем:

кН.

кН.

кН.

кН.

9. Расчет напряжения в опасном сечении от системы сил, действующих в тяговом режиме

Запишем расчетное выражение для изгибающего момента в заделке и определим ее величину:

По значению момента вычислим напряжения в 1-й и 6-й точках сечения для V=0:

МПа.

Мпа

Мпа

МПа

10. Кососимметрическая нагрузка рамы тележки

Из-за нарастающего возвышения наружного рельса, разности диаметров колесной пары, в раме тележки происходит перераспределение реакций, в результате чего рессорные комплекты будут иметь различные прогибы и различные реактивные усилия.

Для расчета кососимметрической составляющей R_кнеобходимо сначала рассчитать эквивалентную жесткость рессор одной колесной пары:



кН/м.

Тогда реакция рессорных подвесок из расчета подъема набегающего колеса при входе в кривую при возвышении наружного рельса на h = Дh_k = 20мм, реакция R_кбудет

кН.

Составим расчетное выражение изгибающего момента в точках 1 и 6

Напряжение от изгиба в точках 1 и 6 опасного сечения определяются:

МПа.

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

Эти напряжения определяем через силы, определяемые как сумма статических нагрузок с добавкой динамических сил.

Динамические силы определяем с помощью коэффициента динамики К_д, который зависит от статического прогиба рессорного подвешивания.

Статический прогиб рессорного подвешивания:



мм;

Коэффициент вертикальной динамики:

Напряжение от вертикальной динамической нагрузки (амплитудное значение) определяется по формуле:

МПа.

МПа.

МПа.

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

Рассмотрим одновременное действие различных нагрузок в их возможном сочетании и произведем алгебраическое суммирование напряжений для 6-ой точки сечения. По величине максимального результирующего напряжения определяется запас прочности и делается заключение о пригодности рамы тележки в эксплуатации. Тележка считается пригодной, если коэффициент запаса прочности не менее чем 1,7…2, то есть коэффициент запаса прочности по текучести металла

Расчет напряжений выполняем в табличной форме.

Таблица. Результирующие напряжения в опасном сечении

Виды нагрузки	Режим работы электровоза
	Скорость движения, V, км/ч
	0	37,5	61,452	110
Весовая	45,546	45,546	45,546	45,546
Тяговый режим	-	25,311	25,311	-
Вертикальная	3,963	2,995	2,782	2,418
Кососимметрическая	3,639	3,639	3,639	3,639
Динамическая	-	6,239	7,287	9,519
Результирующее напряжение	53,148	83,73	84,565	61,122

Согласно таблицы наиболее тяжелым режимом работы электровоза является движение со скоростью V_эксп = 61,452 км/ч с возвышением наружного рельса.

В этом случае в расчетной точке опасного сечения рамы

где у_max = 240 МПа - предел текучести стали Ст 3

Коэффициент запаса прочности больше предела 1,7 …2, следовательно, рама пригодна к эксплуатации.



13. Напряжение от условной статической нагрузки

Определим сумму напряжений от статических нагрузок представляет у_m. В прочностном расчете среднее условное напряжение цикла принимается с учетом весовых коэффициентов и определяется по формуле

,

где у_6кр - напряжение от сил, действующих в кривой;

у_6т- напряжение от сил, действующих в тяговом режиме;

Р_кр, Р_т - отношение времени движения электровоза соответственно в кривой и режиме тяги или торможения к общему времени движения.

Принимаем Р_кр = 0,3; Р_т = 0,8.

При V = V_дв = 61,454 км/ч

МПа.

14. Приведенное амплитудное напряжение в расчетном сечении

Определение коэффициента запаса усталостной прочности связано с нахождением предела выносливости. Пределом выносливости у_пр называется максимальное напряжение от такой циклической нагрузки, которую образец из материала детали выдерживает без разрушения при базовом числе циклов N₀ = 10⁷. При прочностных расчетах пользуются гипотезой линейного накопления напряжения, в соответствии с которой приведенное к базовому числу циклов напряжение у_пропределяется по выражению



где , - различные переменные напряжения и соответствующие им числа циклов.

Работа детали по циклу с параметрами у_т; у_прэквивалентно по накоплению усталостных напряжений. Если диапазон скоростей разбить на 5 интервалов, то для каждой средне-интервальной скорости необходимо вычислить свой коэффициент динамики К_дi и соответствующие значения напряжений от амплитудной циклической нагрузки у_аi.

Если вероятность эксплуатации электровоза со скоростью V_i равна р_i, то число циклов нагружения с амплитудой, у_а составит

тогда приведенное амплитудное напряжение

где - частное значение напряжений от переменной нагрузки, определяемое в зависимости от скорости движения и амплитуды напряжений.

Вычислим приведенное амплитудное значение напряжения:

МПа.



15. Оценка усталостной прочности рамы тележки

Элементы рамы, подвергающиеся переменному асимметрическому напряжению должны иметь дополнительный запас прочности из-за наличия концентраторов напряжения и ряда других причин.

При этом предел выносливости снижается за счет уменьшения в К_у раз допустимого напряжения.

где К_у- коэффициент снижения усталостной прочности детали по сравнению с образцом;

К_пов - коэффициент, учитывающий чистоту обработки поверхностей;

К₁, К₂ - коэффициент, учитывающий неоднородность и внутренние напряжения материала;

в_к - коэффициент, учитывающий влияние концентрации напряжений, зависящих от конструкции, формы деталей и от способа их соединения.

По абсциссе:

- это сумма напряжений от статических нагрузок

- напряжение асимметричного цикла ( = 220 МПа);

= 250/2,4 = 105 МПа - предел выносливости;

- сумма от динамических вертикальных нагрузок;

МПа.

Предел выносливости материала рамы для симметричного знакопеременного цикла

МПа,



где Ф_у - коэффициент чувствительности материала к асимметрии.

где = 250 МПа - предел выносливости материала рамы при пульсирующем цикле;

n_у - запас усталостной прочности, определяется как

МПа.



Заключение

В данном курсовом проекте, произведя расчеты и определив основные параметры рамы тележки, значения сил и моментов сил, действующих на неё в процессе движения с различными скоростями, а также напряжения в опасном сечении, можно сделать следующие выводы:

- движение со средней эксплуатационной скоростью, равной 61,452 км/ч с возвышением наружного рельса, является наиболее тяжелым режимом работы электровоза;

- коэффициент запаса прочности по текучести металла (1,7 ?n_m ? 2), превышает заданные границы. Рама является пригодной в эксплуатации.

- коэффициент запаса усталостной прочности удовлетворяет условиям пригодности рамы в эксплуатации, так как элементы рамы, подвергающиеся переменному асимметрическому напряжению должны иметь дополнительный запас прочности из-за наличия концентраторов напряжения и ряда других причин.



Список используемых источников

1. Медель В. Б. «Подвижной состав электрических железных дорог. Конструкция и динамика». Учебник для институтов ж.-д. трансп.- М.: Транспорт, 1974. - 232 с.

2. «Механическая часть тягового подвижного состава». Учебник для ВУЗов ж.-д. трансп.- /И. В. Бирюков. и др.; Под редакцией И. В. Бирюкова. М.: Транспорт, 1992. - 440 с.

3. Медель В.Б. Проектирование механической части электроподвижного состава. М., «Транспорт», 1964. 423 с.

4. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине: Механическая часть ЭПС»- Самара: СамГУПС, 2005-28 с.

Размещено на Allbest.ru

...