Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Вагоны Минимаркер Расчет частей тележек

Расчет частей тележек

Страница 12 из 12

Части тележек грузовых и пассажирских вагонов рассчитываются на наибольшие нагрузки, действующие в наиболее невыгодном, но возможном в эксплуатации сочетании. Расчетными нагрузками для основных частей тележек являются статическая, вертикальная динамическая, боковые от действия центробежной силы и ветра, силы инерции и тормозные.

Статическая нагрузка на тележку Qст (рис. 1) определяется по формуле

25052014_f1

где Q – полезная нагрузка на вагон;

Tʹ – тара вагона без тележек.

Рассматривая кузов вагона как балку на двух опорах (подпятники задней (2) и передней (1) тележек), найдем, как распределяется нагрузка на них:

на подпятник передней тележки действует

25052014_f2

а на подпятник задней тележки

25052014_f3

где l1 и l2 – расстояния от центра тяжести вагона с грузом до подпятника соответственно передней и задней тележек по горизонтали;

S – база вагона.

Распределение нагрузки между тележками вагонов

Рис. 1 – Распределение нагрузки между тележками вагонов

Для расчета выбирается наиболее нагруженная тележка. При грузе, равномерно распределенном по всему вагону, и симметричной конструкции кузова, что справедливо для большей части вагонов, будем иметь

25052014_f4

Вертикальная динамическая нагрузка Qд определяется путем умножения статической нагрузки Qст на коэффициент вертикальной динамики kд:

25052014_f5

Горизонтальные нагрузки вызывают дополнительное вертикальное загружение тележек с одной стороны вагона и соответствующее разгружение – с другой.

Дополнительная вертикальная нагрузка на подпятники от сил инерции Qи, возникающая при торможении, составляет

25052014_f6

где Ри – продольная сила инерции вагона без учета колесных пар.

Дополнительные вертикальные нагрузки на скользун, возникающие под действием центробежной силы Pц и силы ветра Рв, определяются тележками вагона по формуле

25052014_f7

где hц и hв – расстояния по вертикали между векторами сил Рц и Рв и плоскостью пятника;

а – расстояние между пятником и скользунами.

Поперечная горизонтальная (боковая) нагрузка Рг на пятник от центробежной силы Рц вагона и давления ветра на его кузов Рв для одной тележки определяется по формуле

25052014_f8

Определив основные силы, действующие на тележку, приступают к расчету главных частей тележек: колесных пар, деталей, буксового узла, элементов рессорного подвешивания и рычажной передачи тормоза и др. Рассмотрим расчет надрессорной балки, деталей люлечного устройства тележки и основные положения расчета боковых рам.

Расчет надрессорной балки двухосной тележки грузового вагона

Надрессорная балка рассчитывается как балка на двух опорах А и В (рис. 2, а). Опорами в вертикальной плоскости являются рессорные комплекты.

Загружение надрессорной балки от вертикальных сил

Рис. 2 – Загружение надрессорной балки от вертикальных сил

В вертикальной плоскости на надрессорную балку действуют нагрузки статическая, вертикальная динамическая, дополнительные вертикальные,нагрузки от сил инерции, центробежной силы и давления ветра, рассчитываемые по формулам (1), (2), (3) и (4). Статическая и динамическая нагрузки приложены к подпятнику O, а нагрузки от центробежной силы и давления ветра – к одному из скользунов надрессорной балки.

Примем, что все вертикальные силы, действующие на надрессорную балку, будут равны

25052014_f9

Вертикальные силы уравновешиваются двумя реакциями QА и QB.

При расчете надрессорной балки рассматривают два случая:

  • движение вагона по прямой (отсутствует центробежная сила) при экстренном торможении (действует сила инерции), когда отсутствует сила ветра;
  • движение по кривой (действует центробежная сила) во время экстренного торможения при наличии силы ветра.

В первом случае вертикальная нагрузка QB приложена к центру подпятника надрессорной балки, свободно лежащей на двух опорах (рис. 2, б). Наибольший изгибающий момент от вертикальных сил действует в середине надрессорной балки и равен

25052014_f10

где l – расчетная длина балки, равная расстоянию между центрами рессорных комплектов.

Во втором случае кузов наклонится на боковые скользуны, при этом вертикальная нагрузка распределится между подпятником и скользуном (рис. 2, в). Для определения реакции QA опоры А составим уравнение моментов относительно опоры В

25052014_f11

Откуда

25052014_f12

Реакцию опоры В определим, составив уравнение моментов относительно опоры А,

25052014_f13

Откуда

25052014_f14

Изгибающий момент посередине равен

25052014_f15

Как видно из последнего выражения, момент в среднем сечении в этом случае меньше, чем в первом (см. формулу (6)) на величину 25052014_f16. Поэтому для

расчета надрессорной балки в среднем сечении принимается первая схема действия сил (без боковой нагрузки).

В сечении балки в месте установки скользуна (см. рис. 2, в) при второй схеме действия сил создается больший момент, чем при первой (см. рис. 2, б). Поэтому расчетный изгибающий момент для этого сечения будет равен

25052014_f17

Кроме рассмотренных сил, в создании изгибающего момента в вертикальной плоскости участвует и горизонтальная сила (рис. 3), которая определяется по формуле (5); эта сила не только изгибает, но и сжимает надрессорную балку. Так как возникающие при этом напряжения сжатия и изгиба являются крайне малыми, то их обычно не учитывают.

Схема действия горизонтальных сил на надрессорную балку

Рис. 3 – Схема действия горизонтальных сил на надрессорную балку

Основной силой, действующей поперек продольной балки и изгибающей ее в горизонтальной плоскости, является сила инерции, которая возникает при экстренном торможении. Считают, что она воспринимается одновременно обеими тележками. Поэтому на одну тележку в опорной плоскости подпятника действует горизонтальная сила

25052014_f18

Наибольший момент от Рги, действующий в среднем сечении, составляет

25052014_f19

Определив силовые факторы, действующие на надрессорную балку, и найдя их наибольшие значения, можно узнать напряжения, которые возникают в надрессорной балке.

Напряжения от момента, изгибающего балку в вертикальной плоскости (рис. 4, а), составляют:

в среднем сечении

25052014_f20

в сечении по скользуну

25052014_f21

где Wx1 и Wx2 – соответственно моменты сопротивления в сечениях среднем и по скользуну относительно оси хх.

Эпюра напряжений в сечении надрессорной балки

Рис. 4 – Эпюра напряжений в сечении надрессорной балки: а – от вертикальных сил; б – от горизонтальных сил

Напряжения от момента, изгибающего балку в горизонтальной плоскости (рис. 4, б), равны:

в среднем сечении

25052014_f22

в сечении по скользуну

25052014_f23

где Wy1 и Wy2 – соответственно моменты сопротивлений в сечениях среднем и по скользуну относительно оси уу.

Рассматривая (рис. 4, а, б), видно, что в квадрантах II и III знаки напряжений совпадают. Следовательно, в этих квадрантах при принятом направлении сил надрессорная балка испытывает наибольшие напряжения, равные сумме напряжений от горизонтальных и вертикальных сил. Поэтому можно написать для среднего сечения

σ1 = σx1y1.

Аналогично для сечения в месте установки скользуна:

σ2 = σx2y2.

По условиям прочности конструкции эти суммарные напряжения не должны превышать предельно допустимых.

Расчет надрессорных балок тележек пассажирских вагонов аналогичен.

Понятие о расчете литой боковой рамы

Литая боковая рама (боковина) (рис. 5, а) является монолитной конструкцией; она имеет сложную форму, поперечные сечения ее элементов переменные. Все это затрудняет расчет боковины, делает его сложным и громоздким. Соответственно загружению боковину рассчитывают на вертикальные (статические, динамические, вертикальные от боковых сил) и горизонтальные нагрузки.

Расчетная схема боковины тележки

Рис. 5 – Расчетная схема боковины тележки

Вследствие жесткости узлов боковины изгибающие усилия передаются не только на ее пояса, к которым приложена нагрузка, но и на другие элементы (стержни), вызывая дополнительные напряжения от изгиба. Взаимное влияние деформацией cтержней создает дополнительные неизвестные усилия в стержнях, и число неизвестных получается больше, чем число уравнений статики. В этом случае говорят, что система статически неопределима.

Расчет статически неопределимых систем производится, как известно из курса «Сопротивление материалов», специальными методами, одним из которых является метод сил.

Сущность расчета боковин по методу сил состоит в следующем:

  1. Предварительно на основе опыта эксплуатации имеющихся конструкций или по приблизительному подсчету выбирают основные линейные размеры боковины, углы наклона ее стержней, форму и размеры сечений всех ее элементов.
  2. На основании предварительных данных составляют расчетную схему боковины (рис. 5, б), которая условно изображается линиями, проходящими через центры тяжести сечений ее элементов; приводят необходимые размеры (l1, l2 и др.) и показывают схему действия нагрузки Р. Обычно считают, что нагрузка передается на нижний пояс в трех точках (для комбинированного рессорного комплекта) соответственно жесткости элементов рессорного комплекта. Штриховыми линиями на (рис. 5, б) показано (преувеличено), как изогнутся стержни боковины, имеющей опоры в точках А и В, под действием нагрузки.
  3. Превращают расчетную систему в статически определимую путем устранения лишних связей. Для этого каждый замкнутый контур боковины разрезают в одном месте, отчего внутренние силы, действующие в месте разреза, становятся внешними.Так как величина и направление этих сил неизвестны, то в месте разреза прикладываются возможные силовые факторы – нормальные и поперечные силы, изгибающие моменты. Учитывая, что левая и правая части разрезанного элемента должны остаться в положении равновесия, одноименные силовые факторы, действующие на эти части, должны быть равны по величине; направление одноименных силовых факторов может быть выбрано любым, лишь бы они были противоположно направлены относительно друг друга. Правильно ли выбрано направление покажет знак перед числовым значением данного силового фактора который получится в результате. Эту же статически определимую систему, в которой внешними силами являются теперь не только нагрузка, но и неизвестные силовые факторы в разрезах, называют основной системой.
  4. Для основной системы записывают систему уравнений, число которых равно числу неизвестных усилий, Решив систему уравнений, находят неизвестные силовые факторы. Уравнения записывают исходя из того, что относительное перемещение частей стержня в месте разреза от суммы всех действующих внешних и внутренних сил, то есть внешней нагрузки и неизвестных силовых факторов, должно равняться нулю, так как в действительности боковина не имеет этих разрезов.
  5. Определив силовые факторы, строят окончательные полные эпюры поперечных и нормальных сил изгибающих моментов. Затем подсчитывают напряжения от изгиба, растяжения (сжатия) и среза, исходя из предварительно выбранных размеров и форм сечений элементов боковины и полученных эпюр. По результатам подсчета напряжений корректируют размеры поперечных сечений.

Согласно представленной суммарной эпюре изгибающих моментов (рис. 5, в) наибольшие моменты возникают в середине нижнего пояса в точках A и В, где сечения соответственно усилены.

Расчет тележек пассажирских вагонов

Тележка пассажирских вагонов является сложной и ответственной частью вагона и при движении все ее элементы воспринимают комплекс сил, вызывающих в ее узлах и деталях напряжения. Наиболее сложным и трудоемким является расчет рам тележек. При выполнении предварительных расчетов рамы продольные и поперечные балки можно рассматривать как отдельные балки, свободно опирающиеся или заделанные по концам. В этом случае при расчете на прочность определяют сравнением с допускаемыми напряжениями суммарных наибольших напряжений от действия всех нагрузок. Отдельным элементам рамы тележки, особенно узлам соединения балок и узлам, в которых укреплены детали подвешивания, тормозной системе и другим, в которых вследствие концентрации напряжений вероятны опасные состояния, при расчете уделяют большое внимание.

Расчетная схема рамы тележки представляет собой пространственную стержневую систему, образованную линиями, проходящими через центры тяжести сечений балок закрытого профиля и через центры изгиба сечений для балок открытого профиля (рис. 6).

Расчетная схема тележки пассажирского вагона

Рис. 6 – Расчетная схема тележки пассажирского вагона

При расчете рам тележек учитывают следующие основные нагрузки, действующие на раму: вертикальная статическая нагрузка Рст от массы брутто кузова и частей тележки, опирающихся на раму, при симметричной схеме реакций пружин; вертикальная динамическая нагрузка, определяемая умножением статической нагрузки на коэффициент вертикальной динамики  kд, силы, скручивающие раму и обусловленные иесимметричностью реакций буксовых пружин под действием вертикальной статической и динамической нагрузок (кососимметричная нагрузка).

Кососимметричная нагрузка для двухосных тележек состоит из четырех равных сил, приложенных к буксам. Две из этих сил, расположенные по диагонали, действуют вверх, а две другие – вниз. Эти силы вызываются различными несимметричными факторами, в частности неровностями пути и допусками на изготовление и износ отдельных элементов тележек. Учитываются также силы взаимодействия колес с рельсами, возникающие при движении вагона по кривой. Расчет рам тележек должен выполняться точными методами строительной механики, так как приближенные методы не обеспечивают точных результатов, а недостаточная прочность элементов тележек создает угрозу безопасности движения поездов.

Отдельные детали центрального подвешивания (подвески, тяги, серьги, шарнирные валики, опорные балки) рассчитываются на следующие силы:

  • статическую нагрузку брутто кузова вагона вместе с массой надрессорной балки и элементов центрального подвешивания;
  • вертикальное давление от сил инерции при торможении;
  • вертикальную динамическую нагрузку;
  • вертикальное давление от боковой нагрузки.

Кроме этого, определяется горизонтальная жесткость (гибкость) центрального подвешивания. По этой гибкости вычисляются нагрузки, действующие на элементы подвески при боковом отклонении кузова на величину зазора между скользунами надрессорной балки рамы. Затем прочность деталей подвески проверяется по суммарным нагрузкам.

Люлечная подвеска рассчитывается на наибольшую нагрузку

25052014_f24

где Р2 – вертикальная нагрузка на подрессорную балку;

γ – угол подвесок с вертикалью.

При определении вертикальной нагрузки Р2 для данного случая вместо Qст следует принимать наибольшую вертикальную силу, равную (1+kд)Qст+Qи. Тогда, обозначив для данного случая Р2 через Рʹ2 получим для одной подвески:

25052014_f25

где Qст – статическая нагрузка, определяемая по формуле (1);

Qи – нагрузка от сил инерции при торможении;

Рг – горизонтальная сила, определяемая по формуле (5);

h1 – высота точки приложения Рг над уровнем головки рельса;

L – расстояние между опорами.

Напряжения σ в средней части подвески определяются в зависимости от величины силы Uʹ2.

При расчете должно выполняться условие прочности

25052014_f26

где Fп – расчетная площадь поперечного сечения подвески;

2 – коэффициент, учитывающий наличие двух подвесок с каждой стороны люльки;

[σ] – допускаемое напряжение для стали подвески.

Так как подвески несут на себе кузов пассажирского вагона, то их выполняют из более прочных сортов стали, чтобы иметь повышенный запас прочности.

Опорные (подлюлечные) балки рассчитываются по схеме, приведенной на (рис. 7). Расчетными формулами являются:

25052014_f27

Цапфы опорных балок и валики люлечных подвесок рассчитываются на срез и смятие по формулам, из курса «Сопротивление материалов».

Схема для расчета опорной балки

Рис. 7 – Схема для расчета опорной балки


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика