Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе

"Конструкция и расчет вагонов"

Консультант: Выполнил:

студент группы 12В

Зубенко В.В. Мельников А.В.

Омск 2016



Реферат

вагон нагрузка колесный рельсовый

УДК 629.45/.46.001.2(07)

Курсовая работа содержит 43 страницы, 5 библиографических источников, 1 таблицу, 4 рисунка.

Вагон модели 12-757, габарит Т, тележка модели 18-578, колёснаяпара, ось, балка, вагон, база, кузов, тара, себестоимость.

Целью выполнения курсового проекта является конструирование и расчет вагона модели 12-757, в ходе работы произведен расчет поперечной устойчивости вагона при неблагоприятном сочетании сил, определена экономическая эффективность вагона при внедрении данной разработанной конструкции. Выбраны основные технико-экономические параметры вписывания вагона в габарит.

В данном курсовом проекте увеличили грузоподъемность, определили линейные размеры, вписали вагон в габарит Т подвижного состава, определили нагрузки (действующие на вагон и его части) рассчитали и выбрали ось колесной пары по условному методу, обеспечили устойчивость движения колесной пары по рельсовой колее, рассчитали годовую экономическую эффективность.



Содержание

Введение

1. Описание конструкции вагона и тележки

2. Выбор основных параметров вагона

2.1 Расчет грузоподъемности вагона

2.2 Определение линейных размеров вагона

3. Вписывание вагона в габарит подвижного состава

3.1 Определение горизонтальных размеров строительного очертания вагона

4. Нагрузки, действующие на вагон и его части

4.1 Вертикальные нагрузки, действующие на детали тележки

4.1.1 Вертикальная статическая нагрузка

4.1.2 Вертикальная динамическая нагрузка

4.1.3 Суммарная вертикальная нагрузка

4.2 Боковая нагрузка

4.3 Нагрузки, обусловленные силами инерции

5. Расчет оси колесной пары по условному методу (метод ЦНИИ-НИБ)

6. Устойчивость движения колесной пары по рельсовой колее

7. Расчёт на прочность кузова полувагона

8. Технико-экономическое обоснование эффективности разработанной конструкции вагона

Заключение

Библиографический список



Введение

Основной задачей повышения производственно-экономической эффективности ОАО «РЖД» названо наращивание веса и длины поездов в рамках оптимизации перевозочного процесса.

По консервативному варианту прогноза за период 2013-2020 гг. объемы перевозок грузов железнодорожным транспортом увеличиваются на 21% - до 1736,9 млн тонн. По инновационному варианту прогноза объемы перевозок грузов железнодорожным транспортом увеличиваются на 30% - до 1874,9 млн тонн при увеличении объема ВВП на 40% и промышленного производства на 32%. Объемы погрузки грузов по сети ОАО «РЖД» на 2020 год определены в размере 1727,2 млн тонн, грузооборот - 2910 млрд ткм.

В соответствии с инновационным вариантом ожидается неуклонный рост показателя общего объема пассажирооборота. По данному варианту общий объем пассажирооборота к 2020 году прогнозируется на уровне 172,5 млрд пасс.-км (выше уровня 2012 года на 19,3%). Среднегодовой темп прироста в период до 2020 года составит порядка 2,2%.

В целом по сети железных дорог ОАО «РЖД» на период до 2020 года для освоения прогнозируемых объемов перевозок потребуется построить до 5000 км дополнительных главных путей, электрифицировать порядка 1400 км. При этом одними из ключевых проектов являются развитие подходов к портам Северо-Западного региона, комплексная реконструкция участка Мга - Гатчина - Веймарн - Ивангород.

С точки зрения нового строительства приоритетные проекты - это Северный широтный ход (Салехард - Надым), а также строительство обходов Краснодарского и Саратовского узлов. Важно полностью реализовать соглашение с компанией Новатэк, обеспечив необходимое развитие участка Тобольск - Коротчаево. Существенное развитие в части решения транспортных проблем крупных агломераций получит Московский транспортный узел.

С учетом планируемых объемов общая протяженность дополнительных главных путей, потребных к строительству в целом по узлу, составляет свыше 1000 км. Решение этой непростой, ответственной задачи требует комплексного подхода, активного участия работников всех основных хозяйств железнодорожного транспорта, широкой научной поддержки, глубокого изучения и умелого использования накопленного на дорогах положительного опыта формирования и пропуска поездов повышенного веса и длины, а также разработки конструкций с улучшенными технико-экономическими показателями.

Создание высокоэффективных конструкций, качественное техническое обслуживание и ремонт во многом зависят от квалификации специалистов вагонного хозяйства. Для поддержания высокого технического уровня вагонного парка в современных условиях необходимо применение новейших технологий с использованием средств механизации и автоматизации процессов. Поэтому повышаются требования к качеству подготовки специалистов. При этом следует учитывать, что вагонный парк состоит из огромной численности единиц подвижного состава. Следовательно, даже незначительное на первый взгляд повышение эффективности конструкции приводит к существенным суммарным результатам.

Для грамотного решения вопросов, связанных с созданием и внедрением эффективных конструкций, современный инженер-механик вагонного хозяйства должен знать и использовать в своей деятельности методы проектирования и расчёта деталей и узлов, разработки технологических решений по изготовлению и оценки показателей экономической эффективности. [5]



1. Описание конструкции вагона и тележки

Четырехосный универсальный полувагон модели 12-757 предназначен для перевозки сыпучих (непылевидных), крупнокусковых, штучных (в том числе длинномерных), штабельных и других грузов, не требующих защиты от атмосферных осадков.

Конструкция полувагона обеспечивает возможность использования его в сообщении со странами ОСЖД с колеей 1435 мм. По климатическим требованиям вагон изготавливается в исполнении У ГОСТ 15150-69.

Полувагон имеет цельнометаллический сварной несущий кузов, включающий боковые стены, раму, торцовые двери, пол с 14 разгрузочными люками, а также автосцепное устройство, ходовую часть, автоматический и стояночный тормоза.

Все основные несущие элементы конструкции кузова вагона изготовлены из низколегированной стали марки 09Г2Д.

Каркас боковой стены состоит из верхней и нижней обвязки, угловых и промежуточных стоек. Верхняя обвязка коробчатого сечения, выполнена из двух спецпрофилей, гнутого из листа толщиной 6 мм и углового горячекатаного с подогнутой стенкой. Нижняя обвязка выполнена из уголка 160x100x10 мм. На нижней обвязке размещены детали механизма запирания крышек разгрузочных люков.

Угловые стойки -- штампованные из листа толщиной 10 мм постоянного сечения, в зоне наибольших нагрузок усиленные накладкой. Для увеличения прочности заделки угловые стойки пропущены ниже обвязочного угольника на 390 мм. К угловым стойкам по диагонали вагона крепятся подножки и поручни составителя. Промежуточные стойки выполнены из горячекатаного корытообразного специального профиля по ГОСТ 5267.6-78. В нижней части стоек внутрь профиля, вварены планки для усиления и соединения их с поперечными балками рамы.

Обшивка боковой стенки состоит из двух гнутых профилей с периодическими гофрами, сваренных внахлестку. Верхний лист размером 1300x12075x3,6 мм имеет два ряда гофров, нижний лист -- 815x12075x4,5 мм -- один ряд гофров. Материал обшивки -- сталь марки 10ХНДП.

На наружной стороне боковой стены крепятся поручни -- ступеньки лестницы, скобы увязочные и тяговые кронштейны. На внутренней стороне боковой стены расположены в верхней части скобы лесных стоек, верхние и средние увязочные скобы, которые рассчитаны на нагрузку 15 и 25 кН соответственно. Нижние увязочные кольца размещены на уголке нижней обвязки и способны воспринимать инерционные нагрузки до 150 кН. Узлы соединения промежуточных и шкворневых стоек с поперечными балками рамы усилены за счет увеличения высоты разделки с 265 до 312 мм.

Рама состоит из хребтовой балки, двух концевых балок, двух шкворневых и четырех промежуточных поперечных балок. На раме устанавливаются автосцепные устройства, тормозное оборудование и крышки разгрузочных люков с механизмами их подъема и запирания.

Хребтовая балка является основным несущим элементом рамы и состоит из трех горячекатаных профилей, двух усиленных зетов № 31 (У) и специального двутавра высотой 190 мм, сваренных между собой. К двутавру прикреплены державки крышек люков. На консолях хребтовой балки размещены типовые передние и задние упоры автосцепки. В зоне расположения шкворневых балок сечение хребтовой балки усилено сварными надпятниковыми коробками. В местах соединения промежуточных поперечных балок с хребтовой также предусмотрены вварные усиливающие диафрагмы.

Концевая балка сварной конструкции состоит из лобового листа, двух задних листов, двух нижних листов и четырех диафрагм. На лобовом листе размещены усиливающие подбуферные плиты, обеспечивающие возможность установки типовых буферных устройств ОСЖД. Для доступа к крепительным болтам при установке буферов в диафрагмах снизу имеются овальные отверстия. На концевой балке установлены упоры крышек люков и планки, предохраняющие тележки от засыпания мелкими фракциями сыпучих грузов при разгрузке вагона через люки в полу.

На одной из концевых балок устанавливается поручень составителя, на второй -- приварены кронштейны стояночного тормоза. С хребтовой балкой, угловыми стойками и нижними обвязками стен концевая балка соединяется сваркой с помощью дополнительных накладок.

Шкворневые балки - сварной конструкции, имеют коробчатое сечение переменной жесткости и состоят из верхнего пояса, изготовленного из гнутого профиля, четырех вертикальных листов, косынок и нижнего пояса. Расстояние между вертикальными листами шкворневой балки в поперечном сечении увеличено со 128 до 150 мм. По сравнению с полувагонами прежнего выпуска увеличена ширина нижнего и верхнего листов балки на 20 мм. Увеличено также на 40 мм расстояние от перегиба нижнего листа до стенки зета хребтовой балки.

На нижних листах шворневых балок установлены боковые скользуны и пятники, обеспечивающие взаимодействие кузова и тележек.

Промежуточные поперечные балки состоят из верхнего пояса, выполненного из гнутого профиля, двух вертикальных и двух нижних листов. К вертикальным листам поперечных балок привариваются упоры крышек люков. Вертикальные листы промежуточных балок выполнены постоянной высоты.

Торцовые двери кузова в закрытом положении служат торцовыми стенами полувагона. Торцовая дверь состоит из двух створок, шарнирно подвешенных к угловым стойкам боковых стен. Створки двери открываются внутрь вагона и удерживаются в открытом положении скобами, расположенными на верхнем поясе створок двери.

Торцовая дверь оборудована верхним и нижним запорами. Верхний запор удерживает створки дверей от выпучивания наружу и воспринимает усилия распора. Нижний запор удерживает двери в закрытом положении и препятствует их открыванию внутрь. При открытых дверях в кузове можно размещать и перевозить длинномерные грузы (лес, трубы), длина которых превышает длину кузова в свету, а также колесную технику.

Пол кузова полувагона образован верхними листами балок рамы и поверхностью крышек разгрузочных люков. Крышки люков в закрытом положении фиксируются механизмами запирания, а в открытом опираются на упоры, расположенные на поперечных балках. Крышка люка состоит из каркаса и листа обшивки.

Обшивка крышки люка выполнена из стали марки 10ХНДП в виде гнутого профиля с шестью гофрами и задней отбортовкой для устранения зазора между крышкой и двутавром хребтовой балки при открывании крышек люков. Элементы каркаса крышки изготовлены из стали 09Г2Д.

Механизм запирания крышек люков состоит из закидок и поворотных секторов, шарнирно подвешенных к нижней обвязке боковой стены. Для облегчения подъема крышки при закрывании предусмотрен торсионный механизм, накапливающий упругую энергию при опускании крышки люка и отдающий энергию при ее подъеме. Торсион установлен на крышке в опорах и шарнирно соединен с рычагом, связанным с хребтовой балкой.

Полувагон оборудован типовым автоматическим тормозом с воздухораспределителем 483М, авторежимом № 265А-1, авторегулятором № 574Б с рычажным приводом и тормозным цилиндром № 188Б диаметром 356 мм. Имеется ручной стояночный тормоз по ОСТ 24.290.01-78.

На полувагоне установлено автосцепное устройство с автосцепкой типа СА-3 и пружинно-фрикционным поглощающим аппаратом повышенной энергоемкости. [3]

Тележка 18-578 двухосная (Рисунок 1.1), с центральным рессорным подвешиванием. База тележки 1850 мм. Рама тележки нежесткого типа. Передаточное число тормозной рычажной передачи -- 7. Масса тележки (расчетная) - 4,75 т. Конструкция тележки обеспечивает прохождение вагонами кривых участков пути с минимальным радиусом 60 м, сортировочных горок и горок вагоноопрокидывателей. Тележки могут быть оборудованные авторежимом, предназначенным для тележек с повышенным прогибом, а также не оборудованные авторежимом. При оборудовании вагона автоматическим регулятором режимов торможения на одной из тележек, устанавливается опорная балка. Боковые рамы и надрессорная балка изготовлены из стали 20ГЛ ОСТ 32.183. Износостойкие элементы боковых рам и надрессорных балок из стали ЗОХГСА ГОСТ 11269. Назначенный срок службы тележки (по ресурсу боковой рамы и надрессорной балки) - 32 года. Назначенный ресурс по пробегу от постройки до первого деповского ремонта - 500 тыс. км, но не более 4 лет, для тележек без износостойкой защиты наружного бурта подпятникового места надрессорной балки - 250 тыс. км., но не более 3 лет.

Тележка 18-578 состоит из: двух колесных пар с буксовыми узлами. Буксовые узлы оборудованы цилиндрическими подшипниками 36-42726Е2М и 36-232726Е2М или двухрядными коническими подшипниками кассетного типа TBU 130x250, которые установлены в типовые корпусы букс грузовых вагонов. В колесной паре применена ось РУ1Ш. Крепление подшипников на оси осуществляется шайбой с четырьмя болтами М20; двух боковых рам; надрессорной балки; рессорного подвешивания с центральным расположением рессорных комплектов в боковых рамах тележки. Рессорный комплект включает семь двойных витых цилиндрических пружин и два фрикционных клина гасителя колебаний, отлитых из высокопрочного чугуна. Для защиты от износов на наклонной поверхности клина устанавливается сменная износостойкая полимерная накладка, которая фиксируется посредством выступов, выполненных за одно целое с телом накладки и входящих в аналогичные углубления клина; тормозной рычажной передачи с односторонним нажатием колодок на колеса и подвесными триангелями. Тележка может оборудоваться тормозной рычажной передачей тележки модели 18-100 с триангелями по ГОСТ 4686.

Рисунок 1.1 - Общий вид тележки 18-578



2. Выбор основных параметров вагона

Основными параметрами вагона являются: грузоподъемность Р, тара Т, осностьm_o, объем кузова V, линейные размеры. Для сравнения вагонов между собой пользуются величинами, представляющими отношениями этих параметров: удельный площадь пола f_y, технический коэффициент тары к_т, осевая р_о и погонная q_п нагрузки.

Правильный выбор параметров обеспечивает наименьшие затраты на перевозку грузов. Так как вагоны имеют длительный срок службы, то вновь проектируемые конструкции должны удовлетворять не только современным, но и перспективным условиям эксплуатации.

Определение параметров грузовых вагонов следует вести в следующем порядке:

1) установить коэффициент тары;

2) определить грузоподъемность вагона;

3) установить оптимальный удельный объем кузова;

4) определить геометрический объем кузова;

5) найти линейные размеры вагона.

2.1 Расчет грузоподъемности вагона

Грузоподъемность вагона Р, или полезная нагрузка является основным параметром вагона, определяющим максимальную массу груза.

Одним из главных факторов, влияющих на грузоподъемность вагона, является допускаемая осевая нагрузка р_о. Возможная осевая нагрузка определяется на основе прочности пути, которая, в свою очередь, зависит от грузонапряженности железных дорог.

Исходя из мощности пути и экономичности его содержания, а также прочности подвижного состава в настоящее время для основных типов грузовых вагонов допускаемая осевая нагрузка составляет 24,5 тс.

Проводимая реконструкция пути, заключающаяся в установке более тяжелых типов рельсов (Р65 и Р75) с объемной закалкой, позволяет в перспективе увеличить вагонные осевые нагрузки до 25 тс и более.

На основании исходной осевой нагрузки и осности вагона, которые указаны в задании на курсовой проект, грузоподъемность разрабатываемой конструкции (нового) вагона рассчитывается по формуле:

, (2.1)

где - масса брутто вагона, т;

- заданная осевая нагрузка, тс;

- количество колесных пар в вагоне;

- технический коэффициент тары.

Ориентировочное значение технического коэффициента тары определяется исходя из параметров существующей (базовой) модели вагона:

(2.2)

где - тара базовой модели вагона по заданию, т;

- грузоподъемность этой модели, т.

т

После определения грузоподъемности разрабатываемого вагона определяется его тара:

(2.3)

т

В целях создания рациональной конструкции необходимо стремиться к уменьшению тары вагона и увеличению его грузоподъемности. Пути снижения тары вагона за счет мероприятий, связанных в основном с применением наиболее прогрессивных материалов для несущей конструкции кузова и отдельных деталей, а также с некоторыми конструктивными изменениями:

а) использование полой оси;

б) изготовление корпуса роликовой буксы из алюминиевого сплава.

Если предполагается уменьшение тары на , то можно увеличить на такое же значение грузоподъемность вагона, оставляя неизменной допускаемую осевую нагрузку и, следовательно, вес вагона брутто:

(2.4)

или

где - грузоподъемность нового вагона;

- тара нового вагона.

т

т

т

Определив окончательно скорректированную грузоподъемность и тару разрабатываемой конструкции вагона, можно найти значение технического коэффициента тары нового вагона:

(2.5)



2.2 Определение линейных размеров вагона

Определив грузоподъёмность вагона , можно вычислить внутренний

объем кузова:

(2.6)

где - оптимальное значение удельного объема.

м³

Для определения поперечного сечения кузова, заполненного грузом:

, (2.7)

где 2В_в- внутренняя ширина кузова, м

Н_в-высота стенки кузова,м

, м²

Внутренняя длина крытых вагонов и полувагонов находится

по выражению:

, (2.8)

где: F_к-Площадь поперечного сечения кузова, заполненного грузом, м²:

, м

Наружная длина кузова определяется поформуле, мм:

, (2.9)



где: а_т-толщина торцовой стенки кузова, мм

мм

Общая длина вагона, или длина вагона по осям сцепления автосцепок, мм

где: а_а-вылет автосцепки,т.е. расстояние от концевой балки рамы до оси сцепления автосцепок, мм для всех типов четырехосных вагонов.

мм

Определение базы вагона, мм:

, (2.10) мм

где - коэффициент, определяемый соотношением между длинной рамы и базой расчётного двухосного вагона из условия равенства выносов его концевой и внутренней частей в габарит подвижного состава.

Длина консольной части вагона, м:

, (2.13)мм



3. Вписывание вагона в габарит подвижного состава

Одним из главных условий безопасности движения вагонов является предупреждение возможности их соприкосновения со стационарными сооружениями, расположенными вблизи железнодорожного пути, или с другим подвижным составом, находящимся на соседнем пути, поэтому стационарные сооружения должны располагаться на определенном расстоянии от железнодорожного пути, а подвижной состав иметь ограниченное поперечное очертание.

Таким образом, получаются два контура: контур, ограничивающий наименьшие допускаемые размеры приближения строений и путевых устройств к оси пути, - габарит приближения строений; контур, ограничивающий наибольшие допускаемые размеры поперечного сечения подвижного состава, - габарит подвижного состава. Второй контур располагается внутри первого и между ними имеется пространство. Пространство между габаритами приближения строений и подвижного состава обеспечивает безопасные смещения вагонов, возникающие при движении поездов и обусловленные возможными отклонениями в состоянии пути и динамическими колебаниями вагона.

Максимальные допускаемые горизонтальные строительные размеры вагона получают путем умножения размеров габарита подвижного состава на величину смещений, обусловленных зазорами, износами ходовых частей и прогибом рессорного подвешивания каждого типа вагона, а также выносом частей вагона при движении по кривым.

3.1 Определение горизонтальных размеров строительного очертания вагона

При движении вагона по кривому участку пути его ось пересекается с осью пути в двух точках сечения вагона, которые называют пятниковыми, или направляющими. При этом средняя часть вагона, расположенная между направляющими сечениями, смещается внутрь кривого участка, а консольные части - наружу.

Таким образом, допускаемая ширина вагона на некоторой высоте Н над уровнем верха головок рельсов определяется по формуле:

, (3.1)

где - половина ширины габарита подвижного состава, в который производится вписывание вагона, на некоторой высоте Н;

- одно из ограничений полуширины вагона за счет максимально возможных смещений.

мм

Для направляющих поперечных сечений (по шкворням тележки) ограничение рассчитывается по формуле:

, (3.2)

Ограничение полуширины для внутренних сечений, расположенных между пятниковыми, или направляющими:

, (3.3)

Для поперечных сечений, расположенных снаружи пятниковых, т.е. на консолях вагона, ограничение вагона определяется по формуле:

, (3.4)



В формулах (3.2) - (3.4):

- максимальный разбег предельно изношенной колесной пары в рельсовой колее (смещение из центрального положения в одну сторону);

- максимальная ширина колеи в кривых расчетного радиуса, при ширине колеи в прямых участках мм, в расчетных кривых дается дополнительное ее уширение на 15 мм, т.е. мм;

- минимальное расстояние между наружными гранями предельно изношенных гребней колесной пары, мм для колесных пар грузовых вагонов, обращающихся со скоростью до 33 м/с;

- наибольшее горизонтальное смещение буксового узла из центрального положения в одну сторону, мм;

- наибольшее горизонтальное смещение надрессорной балки тележки из центрального положения в одну сторону, мм;

мм - суммарное отклонение кузова четырехосного вагона на роликовых подшипниках за счет смещения буксового узла и надрессорной балки тележки;

- дополнительное смещение тележечного вагона в кривой расчетного радиуса R, R = 200 м для габаритов Т, 1-Т, Т_пр, Т_ц и верхней части габарита 1-ВМ ( = 2,139); ;

- база тележки;

1000 - переводной коэффициент (переводит метры в миллиметры);

- переводной коэффициент, зависящий от расчетного радиуса кривой ( = 2,5);

- льготное уширение габарита приближения строений в кривой R = 200 м ( = 180,625);

м - база расчетного двухосного вагона с длиной рамы 24 м, у которого выносы в кривой консолей и средней части одинаковы, т.е. для габаритов Т, 1-Т, Т_пр, Т_ц и верхней части габарита 1-ВМ к₃ = 180,625;

к = 0 - допускаемый выход частей вагонов, проектируемых по габаритам 0-ВМ, 02-ВМ, 03-ВМ и нижней части габарита 1-ВМ;

б, в - дополнительные ограничения для вагонов длиной более 29,6 м (для обычных вагонов б = в =0);

- база вагона, м;

- расстояние от рассматриваемого сечения вагона до ближайшего шкворня тележки, м.

Ограничения при движении вагона в кривых участках пути:

При расчете ограничения Е_в находят максимальное смещение. Которое будет посередине базы вагона, то есть следует вместо n подставлять.

При определение максимального смещения консольной части в формулу (3.4) вместо n подставляем n_к .

Введением в формулу (3.4) множителя учитывается наиболее неблагоприятное для консольных частей расположение вагона в кривой, когда колеса одной тележки прижаты гребнями к наружному рельсу, а колеса другой тележки - к внутреннему рельсу, т.е. рассматривается положение наибольшего перекоса.

При расчетах ограничений Е_о, Е_в, Е_н по формулам (3.2) - (3.4) для габаритов Т, Т_пр, 1-Т, Т_ц и 1-ВМ (в верхней зоне) суммы в квадратных скобках могут оказаться отрицательными, что будет свидетельствовать о недоиспользовании льготного уширения габарита приближения строения в кривых. Поэтому при первом расчете отрицательные значения вообще не учитываются, но записываются в скобках, а затем производится процесс вписывания в прямой участок пути, т.е. определяются ограничения Е_о, Е_в, Е_н при ширине колеи 1520⁺¹⁰ мм по формулам:

, (3.5)

, (3.6)

, (3.7)

м

м

м

Полученные значения новых ограничений сравнивают с ранее рассчитанными в тех же сечениях, при этом их разность (Е_кр - Е_пр) не должна превышать по абсолютной величине отрицательных значений в скобках.

Применение такого уточнения позволяет увеличить ширину вагона между пятниковыми сечениями на 15 мм, а в консольных частях - на 15, поскольку ширина прямой колеи на 15 мм меньше ширины колеи расчетного радиуса.

Поскольку для разных поперечных сечений вписываемого в габарит вагона ограничения полуширины Е_о, Е_в и Е_н имеют разные значения, ширина строительного очертания вагона также получается различной.

Для удобства постройки и эксплуатации кузова вагонов устанавливают по наибольшему значению ограничения, т.е. по наименьшему поперечному сечению.

Для выяснения возможности лучшего использования габарита целесообразно построить горизонтальную рамку с указанием значений ограничений для различных сечений.

Получив значения Е для прямых участков пути и подставив их в формулу (3.1), получаем:

мм

мм

мм

Рисунок 3.1 - Верхнее очертание габарита подвижного состава Т



4. Нагрузки, действующие на вагон и его части

При расчете на прочность вагонов и их частей должны учитываться: вертикальная и боковая нагрузки; продольные силы; усилия, связанные с торможением; усилия распора сыпучих и навалочных грузов; усилия, прикладываемые к вагону при ремонте. Все перечисленные нагрузки при расчете условно принимаются действующими статически.

При выполнении данного раздела курсового проекта необходимо определить:

- вертикальные статические и динамические нагрузки, действующие на подпятник надрессорной балки, рессорный комплект и боковую раму тележки;

- боковые нагрузки, действующие на подпятник тележки;

- дополнительные вертикальные и продольные нагрузки, действующие на переднюю по ходу движения тележку и обусловленные силами инерции.

4.1 Вертикальные нагрузки, действующие на детали тележки

4.1.1 Вертикальная статическая нагрузка

Вертикальная статическая нагрузка на любую деталь вагона при расчете на прочность рассчитывается с учетом ее собственного веса:

, (4.1)

где - сила тяжести вагона брутто, тс;

- масса частей и укрепленного на них оборудования, через которые передается нагрузка от рассчитываемой детали вагона на рельсы, тс;

- число одноименных, параллельно загруженных деталей.

Исходя из этого вертикальная статическая нагрузка на подпятник тележки определяется по формуле:

, (4.2)

где - масса колесной пары с буксами;

- масса боковой рамы тележки;

- масса рессорного комплекта тележки;

- число боковых рам в тележках под вагоном;

- количество рессорных комплектов под вагоном;

- количество подпятников на вагоне;

- масса надрессорной балки тележки;

- количество надрессорных балок вагона.

тс

Вертикальная статическая нагрузка на рессорный комплект определяется по формуле:

, (4.3)

тс

на боковую раму тележки:

, (4.4)



тс.

4.1.2 Вертикальная динамическая нагрузка

Вертикальная динамическая нагрузка возникает при движении вагона по рельсовому пути вследствие ускорения массы вагона и груза при колебаниях на рессорах и прохождении неровностей пути. Она определяется умножением статической нагрузки на коэффициент вертикальной динамики :

, (4.5)

Расчетный коэффициент вертикальной динамики рассчитывается по формуле:

, (4.6)

где - среднее значение коэффициента вертикальной динамики;

- параметр распределения, для деталей грузовых вагонов при существующих условиях эксплуатации в = 1,13;

- доверительная вероятность, при расчете на прочность по допускаемым напряжениям рекомендуется принимать .

После подстановки в (4.6) значений и , получаем следующее выражение для коэффициента вертикальной динамики для грузовых вагонов:

, (4.7)

Среднее значение определяется по формулам:

при U ? 33,33 м/с (? 120 км/ч)

, (4.8)

где - коэффициент, принимается равным для элементов кузова 0,05; для обрессоренных частей тележки = 0,1; для необрессоренных частей тележки (за исключением колесных пар) =0,15.

- коэффициент, учитывающий осность тележки;

- число осей в тележке;

- скорость движения вагона, м/с;

- статический прогиб рессорного подвешивания, м.

Статический прогиб рессорного подвешивания рассчитывается конкретно для проектируемого вагона исходя из нагрузки, действующей на рессорный комплект, и жесткости рессорного комплекта Ср.к.:

, (4.9)

Исходя из того, что в каждом рессорном комплекте двухосной тележки устанавливается по семь двухрядных пружин, работающих параллельно, суммарная жесткость рессорного комплекта:

, (4.10)

где , - жесткость наружной и внутренней пружин соответственно.

Жесткость любой пружины с круглым сечением прутка можно рассчитать по формуле:

, (4.11)

где - модуль сдвига, равный Мпа;

- диаметр прутка пружины, м;

- средний диаметр пружины, м;

- число рабочих витков.

Жесткость наружной пружины:

м

м

Н/м

Жесткость внутренней пружины:

м

м

Н/м

Суммарная жесткость рессорного комплекта:

Н/м

м;

Вертикальные динамические нагрузки на элементы кузова:

;

;

тс.

Вертикальные динамические нагрузки на обрессоренные части тележки:

тс

Вертикальные динамические нагрузки на необрессоренные части тележки:

тс

4.1.3 Суммарная вертикальная нагрузка

Эта нагрузка считается действующей статически на любую деталь тележки и складывается из вертикальной статической и вертикальной динамической нагрузок:

, (4.12)

На подпятник:

т

На рессорный комплект:

т

На боковую раму:

т



4.2 Боковая нагрузка

Боковая горизонтальная нагрузка, действующая на подпятник тележки и возникающая при движении вагона по кривому участку пути, складывается из центробежной силы и давления ветра на кузов:

, (4.13)

где - центробежная сила, направленная наружу кузова вагона;

- равнодействующая сила давления ветра на кузов вагона.

Центробежная сила, действующая на все части вагона, определяется с учетом возвышения наружного рельса над внутренним по формуле:

, (4.14)

где - скорость движения, м/с;

- ускорение силы тяжести, м/с²;

- радиус кривой, м;

- возвышение наружного рельса над внутренним;

- расстояние между кругами катания колесной пары, м.

, (4.15)

тс

Обозначив

и подставив в формулу (4.14), получим:

, (4.16)

Если в технических требованиях не оговорены особые условия движения в кривых, то для грузовых вагонов.

тс

Равнодействующая сила давления ветра определяется по формуле:

, (4.17)

где - удельное сопротивление ветра, перпендикулярное боковой стене вагона, принимаемое согласно нормам расчета на прочность равным 500 Н/м² (50 кгс/м²);

- площадь боковой проекции кузова, м².

(4.18)

где - максимальная высота кузова с учетом рамы вагона.

м²

тс

Боковая горизонтальная нагрузка:

тс

4.3 Нагрузки, обусловленные силами инерции

Силы инерции, возникающие при торможении, вызывают дополнительное загружение подпятников обеих тележек в горизонтальной плоскости и вертикальное загружение передней по ходу движения тележки и такую же разгрузку задней.

Инерционная нагрузка при торможении приложена в центре тяжести кузова вагона и определяется по формуле:

, (4.19)

где - масса кузова с грузом;

- масса тележки;

- ускорение силы тяжести, м/с²;

- замедление при торможении, м/с².

Силы инерции при торможении в случае отсутствия соударений вагонов в поезде определяется исходя из замедления, равного 0,2g, а при соударениях - 3,0g. Замедление, равное 0,2g, соответствует торможению при высоких скоростях движения, а замедление в моменты соударения вагонов, равное 3,0g, возникает при низких скоростях.

В случае отсутствия соударения вагонов:

т

В случае соударения вагонов:

т

Силы инерции кузова вызывают горизонтальные (вдоль оси вагона) нагрузки на подпятник каждой тележки, определяемые по формуле:



, (4.20)

В случае отсутствия соударения вагонов:

т

В случае соударения вагонов:

т

Дополнительное вертикальное загружение передней по ходу движения тележки можно определить по следующей зависимости:

, (4.21)

где - расстояние от центра тяжести вагона до центров осей колесных пар;

- высота опорной поверхности пятника от горизонтальной плоскости, проходящей через центры осей;

- база проектируемого вагона.

Значение рассчитывается по формуле:

, (4.22)

где - расстояние от уровня верха головок рельсов до подпятника тележки;

- расчетный диаметр колеса;

- статический прогиб рессорного подвешивания.

м

Дополнительное вертикальное загружение передней по ходу движения тележки в случае отсутствия соударения груженых вагонов:

т

Дополнительное вертикальное загружение передней по ходу движения тележки в случае соударения груженых вагонов:

т

Дополнительное вертикальное загружение передней по ходу движения тележки в случае отсутствия соударения порожних вагонов:

т

Дополнительное вертикальное загружение передней по ходу движения тележки в случае соударения порожних вагонов:

т



5. Расчет оси колесной пары по условному методу (метод ЦНИИ-НИБ)

Сложные условия загружения оси, недостаточная изученность напряженного состояния и характеристик материала, а также желание облегчить решение данной задачи обусловили применения упрощенного метода расчета оси.

В данном методе принято нагружение оси обозначать двумя силами: вертикальной 1,25 и горизонтальной Н = 0,5 , где 1,25 - коэффициент, учитывающий действие вертикальной динамической нагрузки, а - статическая нагрузка на ось от массы вагона брутто, вычисляется по формуле:

, (5.1)

где - допускаемая осевая нагрузка, тс;

- сила тяжести колесной пары без буксовых узлов; для стандартных колесных пар тс.

тс

Остальные нагрузки, действующие на колесную пару, учитываются выбором соответствующих допускаемых напряжений.

Расчетные силы считаются приложенными в центре тяжести О вагона (рис.5.1).



Рисунок 5.1 - Схема действия сил при условном методе расчёта оси колёсной пары

Расстояние h от оси колесной пары до точки О принимают равным 1,45м. Эти силы считаются приложенными к серединам шеек оси, расстояние между которыми м.

Расчетные силы вызывают загружение:

левой шейки оси -

, (5.2)

т

правой шейки оси -

, (5.3)

т

Вертикальные опорные реакции для левого и правого колес вычисляются без учета массы колесной пары и будут соответственно равны:

, (5.4)

, (5.5)

где - радиус колеса при номинальном диаметре колеса 950 мм; r = 0,475 м;

- расстояние между кругами катания колес, м.

т

т

В связи с тем, что горизонтальная нагрузка не изменяет суммарные вертикальные нагрузки на шейки оси и опорные реакции, а только их перераспределяет, правильность их вычисления можно проверить по выражению:

, (5.6)

-проверка выполняется (верно)

К левому колесу также приложена горизонтальная реакция Н.

Под действием этих нагрузок в оси возникают изгибающие моменты, значения которых вычисляются в трех расчетных сечениях: 1-1 - у внутренней галтели шейки (М1); 2-2 - в плоскости круга катания (М2); 3-3 - в середине оси (М3).

В соответствии со схемой нагружения (см. рис.5.1) изгибающие моменты в расчетных сечениях определяются по формулам:

В сечении 1-1:



, (5.7)

В сечении 2-2:

, (5.8)

В сечении 3-3:

, (5.9)

где - длина шейки оси типа РУ-1; мм

тсм

тсм

тсм

Из условия прочности на изгиб:

, (5.10)

где и , определяются наименьшие допускаемые диаметры оси:

для шейки -

, (5.11)

для подступичной части -

, (5.12)

для средней части -

, (5.13)

где , , - допускаемые напряжения для шейки, подступичной части и средней части оси.

мм

мм

мм

К рассчитанным диаметрам для обеспечения возможной обточки при износе добавляют: для шейки оси - 2 мм; для подступичной и средней частей - 6 мм. По полученным диаметрам выбирается ось колесной пары из числа предусмотренных стандартом.

мм; мм; мм;

Выбираем ось РУ-1Ш с размерами:

мм; мм; мм



6. Устойчивость движения колесной пары по рельсовой колее

При движении по рельсовой колее, возможно, такое положение колесной пары, при котором одно из колес набегает гребнем на рельс. Плоскость круга катания колеса при этом составляет некоторый угол цн, называемый углом набегания. При этом колесо стремится взойти на рельс по плоскости скольжения, касательной наружной поверхности гребня и составляющей угол в с горизонтальной осью (угол наклона гребня).

Вползание гребня на головку рельса предотвращается, если проекции всех вертикальных сил на плоскость скольжения больше проекции горизонтальных сил, причем считается, что эти силы приложены к точке контакта колеса и головки рельса. Устойчивость колеса против схода с рельса является одним из главных условий безопасности движения вагона.

Согласно нормам для оценки устойчивости колеса против схода с рельсов подсчитывается коэффициент устойчивости кус и требуется соблюдение следующего условия:

, (6.1)

где - допускаемое значение коэффициента устойчивости для грузовых вагонов;

- коэффициент, определяемый по формуле:

, (6.2)



- угол наклона образующей гребня колеса к горизонтальной оси, который у стандартного колеса равен 60є, у колеса, разработанного ВНИИЖТом, - 65є, у колеса, разработанного ОСЖД специально для отечественных железных дорог, - 70є (кроме перечисленных колес могут применяться и другие колеса со специальными профилями);

- коэффициент трения скольжения ненабегающего колеса о головку рельса, ;

- вертикальная составляющая силы реакции набегающего колеса на головку рельса, тс;

- вертикальная составляющая силы реакции ненабегающего колеса на головку рельса, тс;

- горизонтальная составляющая силы реакции набегающего колеса на головку рельса, действующая одновременно с и , тс.

Усилия , , определяются по формулам:

, (6.3)

, (6.4)

, (6.5)

тс

где - вертикальная статическая нагрузка, действующая на шейку оси, тс;

- коэффициент вертикальной динамики, значение рассчитывается по формуле (4.8) для обрессоренных частей тележки, т.е. при

а = 0,1;

- среднее значение коэффициента динамики боковой качки;

Среднее значение рамной силы, вычисляемое при среднем значении коэффициента горизонтальной динамики:

, (6.6)

где - осевая нагрузка, тс;

. - сила тяжести колесной пары с буксами;

- среднее значение коэффициента горизонтальной динамики колесной пары;

где - коэффициент осности тележки, в=1;

- коэффициент, зависящий от гибкости рессорного подвешивания, для грузовых вагонов ;

- скорость движения вагона, м/с;

- расстояние между серединами шеек оси колесной пары;

, - расстояние от точек контакта колес до середин шеек оси, м, м;

- радиус колеса;

- расстояние между точками контакта колес с рельсами, принимаемое равным 1,555 м.

Заменив в формулах (6.3) и (6.4) , а также подставив числовые значения линейных величин и номинальный радиус колеса м, после преобразования получаем следующие упрощенные выражения для и :

, (6.7)

, (6.8)

т

т

т



7. Расчёт на прочность кузова полувагона

Кузов современных типов грузовых вагонов представляет собой несущую конструкцию, способную надежно воспринимать все возникающие в эксплуатации нагрузки, предусмотренные нормами.

В приближенном расчете на вертикальную нагрузку цельнонесущий кузов грузового вагона рассматривается как единый брус, лежащий на двух опорах-подпятниках тележек, на который действует равномерно распределенная нагрузка q. Для I расчетного режима, когда скорость движения вагона близка к нулю и динамические усилия не учитываются, равномерно распределенная нагрузка:

(7.1)

где Р_СТ-сила тяжести груза, Н:

(7.2)

- коэффициент порожнего пробега, равный отношению порожнего пробега вагона данного типа к груженому. =0,87.

Т_К - собственная сила тяжести кузова, Н:

(7.3)

2L_К-длина кузова вагона, м. м.

Реакции в опорах, действующие на пятники кузова со стороны подпятников тележек

(7.4)

Изгибающие моменты от равномерно распределенной нагрузки q:

над опорами

(7.5)

в середине кузова

(7.6)

где n_K- длина консоли кузова, м;

l- половина базы вагона, м.

Изгибающий момент от действия продольной нагрузки N одинакова для всех сечений кузова

(7.7)

Для первого расчетного режима:

Для третьего расчетного режима:

где z- расстояние от центра тяжести поперечного сечения кузова до линии действия продольных сил N.

Нормальные напряжения, возникающие в материале кузова от действия внешних усилий при первом расчетном режиме, когда N_I=2,5·10⁶ H, определяется

(7.8)

При третьем расчетном режиме:

(7.9)

где 1,1- коэффициент, учитывающий действие боковых сил центробежной и ветровой.

W, F- соответственно момент сопротивления изгибу, м³, и площадь поперечного сечения, м², кузова, определяемые с учетом рабочей части плоской обшивки;

i- номер расчетного сечения кузова.

(7.10)

(7.11)

(7.12)

где b - ширина кузова вагона. b=3,22 м,

- толщина пола кузова. м,

h - высота стенки кузова. h = 2,315 м,

- толщина стенки кузова.

Нормальные напряжения, возникающие в материале кузова от действия внешних нагрузок при III расчетном режиме, когда вагон движется с максимальной или фактической в эксплуатации скоростью, N_III=1,0*10⁶ Н, с учетом боковых сил.

Условия прочности соблюдаются, если полученные напряжения не превышают допускаемых, т.е.

(7.8)

где =450·



Рисунок 7.1 - Расчетная схема кузова



8. Технико-экономическое обоснование эффективности разработанной конструкции вагона

При технико-экономических расчетах вагоны, пригодные для перевозки одних и тех же грузов, сравнивают между собой по следующим основным показателям:

1. удельному объему (удельной площади);

2. использованию грузоподъемности;

3. коэффициенту тары;

4. нагрузке от оси на рельсы и на 1 пог. м пути;

5. себестоимость перевозки грузов;

6. эксплуатационным и капитальным затратам;

7. натуральным показателям: затратам металла при постройке и топлива, электроэнергии (при эксплуатации вагонов).

В результате расчетов можно определить срок окупаемости и решить вопрос о целесообразности внедрения разработанной конструкции вагона.

Основным критерием при решении вопроса о целесообразности внедрения предлагаемой конструкции вагона является срок окупаемости дополнительных капитальных вложений в его производство. Как известно, нормативный срок окупаемости для транспорта составляет 8 лет.

Так как в расчётах , то вместо расчёта годовой экономической эффективности определяется срок окупаемости:

, (8.1)

где - дополнительные капитальные вложения при внедрении новых конструкций вагонов;

- общие капитальные затраты на приобретение новых и серийных вагонов, потребных для выполнения расчетного грузооборота;

- экономия эксплуатационных расходов при выполнении вагонами новой конструкции расчетного грузооборота;

- общие годовые эксплуатационные расходы для новой и существующей конструкций вагона.

лет

Годовые эксплуатационные расходы для новых или серийных конструкций вагонов при выполнении ими расчетного грузооборота:

, (8.2)

где - годовые эксплуатационные затраты при перевозке грузов в одном вагоне;

- количество вагонов, необходимых для выполнения расчетного грузооборота.

руб

руб

Годовые эксплуатационные затраты для одного вагона:

, (8.3)

где - общая себестоимость перевозки грузов в данном вагоне;

- годовая производительность в тонно - километрах нетто, выполняемая одним вагоном.

руб

руб

Возможная годовая производительность одного вагона рассчитывается по формуле:

, (8.4)

где - грузоподъемность вагона, тс;

- среднесуточный пробег вагона, для расчетов принимается равным 250км;

365 - число дней в году;

- число нерабочих дней вагона, принимаемое равным 55;

- коэффициент порожнего пробега, равный отношению порожнего пробега вагона данного типа к груженому.

ткм год

ткм год

Количество вагонов, необходимых для выполнения расчётного грузооборота, определяется по формуле:

, (8.5)

С точки зрения эффективности разработанной конструкции необходимо, чтобы выполнялось следующее условие:

?Сс > ?Сн, (8.6)

Для расчета годовых эксплуатационных расходов при выполнении расчетного грузооборота существующей конструкции вагона и разработанной необходимо определить значение себестоимости перевозки грузов со в сравниваемых вариантах вагонов. В конечном итоге необходимо найти разность эксплуатационных затрат, поэтому производится расчет только расходов, зависящих от размеров движения, а постоянные расходы не учитываются.

Если известна себестоимость перевозки грузов в существующей конструкции вагона, то приближенный (ориентировочный) расчет себестоимости в спроектированном вагоне можно произвести способом корректировки слагаемых себестоимости.

Суть этого способа заключается в следующем. С помощью методики расчета себестоимости перевозок, в которой общие расходы перевозочного процесса расчленяются на три операции: начально - конечную, транзитную и передвижения, можно определить общую себестоимость перевозки грузов:

, (8.7)

где - себестоимость перевозки по начально-конечной операции;

- то же по транзитной операции;

- себестоимость перевозки по операции передвижения;

руб

Себестоимость перевозки по операциям передвижения зависит от поездо-км, локомотиво-км, тонно-км брутто вагонов и локомотивов, расхода топлива и электроэнергии и т.п.

Рассчитаем снк и ст для разработанной и существующей конструкций вагона. Эти величины действительно будут иметь малые различия в сравниваемых вариантах в связи с незначительными изменениями основных параметров вагонов определенного типа. Определим коэффициенты корректировки себестоимости перевозки грузов г по начально-конечной и транзитной операциям:

, (8.8)

где и - грузоподъемность существующей и новой конструкций вагона соответственно;

и - коэффициент использования грузоподъемности вагона существующей и новой конструкций соответственно.

Для операции передвижения коэффициент корректировки себестоимости:

, (8.9)

где и - тара вагона существующей и новой конструкций соответственно;

и - коэффициент порожнего пробега вагона существующей и новой конструкций соответственно.

Общая себестоимость перевозок грузов в разработанной конструкции вагона определяется по формуле:

...