Модернизация четырехосной цистерны модели 15-145

3.4 Расчет рамы и других деталей тележки.

Расчет по третьему режиму.

Определяем нагрузки, действующие на тележку:

Рст=(Р0•n-Gк.п.•n)/mбр=(22,75•4-1,25•4)/4=21,5 т

где Рст - статическая нагрузка от тары вагона и веса груза

Р0 - осевая нагрузка;

n - количество осей;

mбр - число боковых рам вагона;

Gк.п - вес колесной пары.

Расчетная нагрузка:

Рвер=Рст+Рдин+Рбок,

где Рдин=кдРст

кд - коэффициент вертикальной динамики

kd =а0+0,00036•b•(V-15)/fст,

где а0 ? 0,15 - эмпирический коэффициент для необрессоренных деталей тележки

b - коэффициент, учитывающий число осей в тележке

b=(mт+2)/2mт=(2+2)/4=1 ,

mт - число осей в тележке

V=120 км/ч = 33,33 (м/с)

fст=0,05 - статический прогиб рессор

kd=0,15+0,00036•1•(33,33-15)/0,05=0,28

Кд= kd/в•v4/р•ln1/(1-P(Кд))=0,28/1,13•v4/р•ln(1/(1-0,97))=0,52

Pдин=Кд•Рст=0,52•21,5=11,18 т

Рбок=Рц.б.•hц.б. /m1•b,

где m1 - число рессорных комплектов с одной стороны

b= 2,036 - расстояние между центрами рессорных комплектов

hц.б =2,3 м (по нормам)

Рц.б=зц.б•Рбр=0,075•(23,61•4)=7,1 т

Рбок=7,1•2,3/2•2,036=4,01 т

Рверт=21,5+11,18+4,01=36,69 т

Ррасч=Рверт/7=36,69/7=5,24 т

Таблица нормальных и касательных напряжений

I режим

№	Точки	Максимальные нормальные напряжения, % от [у]	Максимальные касательные напряжения, % от [ф]
1	6-7	31	31	31	0	0	0
2	3-4	42	42	43	0	0	0
3	8-9	56	37	59	14	9	14
4	11-16	20	27	48	51	51	51
5	16-15	47	57	67	40	40	40
6	15-14	67	69	72	14	14	14
7	12-13	51	20	24	14	14	14
8	5-6	15	16	16	14	14	14
9	4-5	23	23	23	0	0	0
10	2-3	22	22	22	0	0	0
11	1-2	0	19	45	26	26	26
12	2-8	50	45	42	10	10	10
13	9-10	35	42	49	9	9	9
14	10-11	45	28	19	24	24	24
15	11-12	34	28	24	9	9	9
16	13-5	12	14	16	9	9	9

III режим

№	Точки	Максимальные нормальные напряжения, % от [у]	Максимальные касательные напряжения, % от [ф]
1	6-7	27	27	27	0	0	0
2	3-4	37	37	38	0	0	0
3	8-9	49	33	52	12	8	12
4	11-16	18	24	42	45	45	45
5	16-15	41	50	59	35	35	35
6	15-14	59	61	63	12	12	12
7	12-13	45	18	21	12	12	12
8	5-6	13	14	14	12	12	12
9	4-5	20	20	20	0	0	0
10	2-3	19	19	19	0	0	0
11	1-2	0	17	40	23	23	23
12	2-8	44	40	37	9	9	9
13	9-10	31	37	43	8	8	8
14	10-11	40	25	17	21	21	21
15	11-12	30	25	21	8	8	8
16	13-5	11	12	14	8	8	8

По результатам вычисления можно сделать вывод, что боковая рама выдерживает приложенные нагрузки, т.к. касательные и нормальные напряжения не превышают 100%.

I режим

Нормальное наибольшее напряжение составляет 72% от предела текучести, а касательные напряжения - 51% от предела текучести.

III режим

Нормальное наибольшее напряжение составляет 63% от предела текучести, а касательные напряжения - 45% от предела текучести.

Расчет по первому режиму.

Ркуз=Рбрут-Рт•mт

где Ркуз - вес кузова, т;

Рбрут - вес брутто вагона, т;

Рт - вес тележки Рт = 4,7 т;

mт - число тележек в вагоне.

Ркуз =94,44-4,7•2=85,04 т

Рz=N•hz•Ркуз /mб•2l•Рбрут=250•1,45•85,04/2•10,85•94,44 =15,04 т

где mб - число боковин в тележке

hz - высота центра тяжести вагона hz = 1,45 м

2l - база вагона 2l = 10,85 м

N=250 т

Рст = (Рбрут -Gк.п.•n)/mбр=(94,44-1,25•4)/4=22,36 т

где Рст - статическая нагрузка на боковую раму, т;

Gк.п - вес колесной пары Gк.п = 1,25 т;

n - число колесных пар n = 4;

mбр - число боковых рам в вагоне.

РIверт=Рст+Рz=21,5+15,04=36,54 т

РIверт - вертикальная нагрузка на боковую раму при первом режиме, т;

РIIn= РIверт/7=36,54/7=5,22 т или 493597,9 Н

РIIn - нагрузка на одну пружину.

3.5 Расчёт на прочность боковой рамы тележки модели 18-100

Настоящий расчет выполнен с целью оценки прочности боковой рамы тележки модели 18-100.

Расчет производился в соответствии с "Нормами для расчета и проектирования вагонов, железных дорог МПС колеи 1520 мм 1996 (несамоходных) (далее по тексту «Нормами...»).

Прочность боковой рамы в соответствии с «Нормами...» оценивалась при двух расчетных режимах:

1) По первому расчетному режиму рассматривается относительно редкое сочетание экстремальных нагрузок. Основное требование при расчете на прочность по этому режиму - не допустить появление остаточных деформаций (повреждений) в узле или детали. В эксплуатации, первому режиму расчета соответствует: осаживание и трогание тяжеловесного состава с места; соударение вагонов при маневрах, в том числе при роспуске с сортировочных горок; экстренное торможение в поездах при малых скоростях движения.

2) По третьему расчетному режиму рассматривается относительно частое возможное сочетание умеренных по величине нагрузок, характерное для нормальной работы вагона в движущемся поезде. Основное требование при расчете по этому режиму - не допустить усталостного разрушения узла или детали. В условиях эксплуатации, третий расчетный режим соответствует случаю движения вагона в составе поезда по прямым и кривым участкам пути и стрелочным переводам с допускаемой скоростью, вплоть до конструкционной; при периодических служебных регулировочных торможениях; периодических умеренных рывках и толчках; штатной работе механизмов и узлов вагона.

Исходные данные

Боковая рама изготовлена из стали 20ГФЛ, допускаемое напряжение, для которой по 3 расчетному режиму составляют 150МПа.

Расчетная схема и принятые допущения

Расчет производился методом конечных элементов с использованием конечно элементного пакета ANSYS 8.0. Для расчета была создана стержневая конечно элементная модель боковой рамы. Особенность боковой рамы, заключающаяся в наличии протяженных узлов, учитывалось путем задания в узлах абсолютно жестких стержней. Длина абсолютно жестких стержней принималась равной 2/3 протяженности узла, на 1/3 протяженности узла в узел заходил деформируемый стержень.

Боковая рама нагружалась тремя силами, приложенными к нижнему поясу. Величина нагрузки складывалась из трех составляющих:

1- вертикальной статической нагрузки;

2- вертикальной динамической нагрузки;

3- вертикальной добавки от действия боковой силы.

Вертикальная динамическая нагрузка определялась путем умножения статической нагрузки на коэффициент вертикальной динамики.

Коэффициент вертикальной динамики в соответствии с «Нормами…», определяется по формуле:

где: - среднее вероятное значение коэффициента вертикальной динамики;

- параметр распределения, согласно «Нормам…» принимается равным 1,13.

- доверительная вероятность, с которой определяется коэффициент вертикальной динамики;

Среднее вероятное значение определяется по формуле:

где: - коэффициент, равный для необрессоренных частей тележки 0,05.

- коэффициент, учитывающий влияние числа осей n в тележке под одним концом экипажа, определяется по формуле:

;

V - конструкционная скорость движения, м/c;

- статический прогиб рессорного подвешивания, м. Для тележки модели 18-100 принимается равный 0,05.

Подставляя эти данные получаем коэффициент вертикальной динамики равный 0,52.

Расчетная схема боковой рамы показана на рис. 20.

Расчетная схема боковой рамы тележки

Результаты расчета

В результате расчета были получены напряжения, возникающие в боковой раме. Распределение эквивалентных напряжений по теории Мизеса показано на рис. 21.

Распределение эквивалентных напряжений в боковой раме (вид сверху и вид снизу)

Как видно из рис. 21 наибольшие напряжения возникают на нижних волокнах нижнего пояса величина этих напряжений составляет 119 МПа, что не превосходит допускаемых.

Характеристики поперечных сечений стержневых конечных элементов.

Сечение № 1 (Верхний пояс)

Сечение № 2 (Наклонный верхний пояс)

Сечение № 3 (Наклонный пояс)

Сечение № 4 (Нижний пояс)

Сечение № 5 (Колонка)

4. РАСЧЕТ АВТОСЦЕПНОГО УСТРОЙСТВА

4.1 Расчет поглощающего аппарата

Поглощающие аппараты предназначены гасить часть энергии удара, уменьшая продольные растягивающие и сжимающие усилия, передающиеся на раму кузова через автосцепку.

Пружино-фрикционный поглощающий аппарат шестигранного типа III-2Т применяется в четырехосных грузовых вагонах. Энергоемкость этого аппарата с хорошо приработанными поверхностями достигает 30-65 кДж, а сила полного сжатия составляет примерно 2,5 МН, при 2МН аппарат воспринимает энергию примерно 55 кДж.

Литой корпус аппарата в соответствии с требованиями ГОСТ 977-75 изготовляют, из термически обработанной стали марки 30 ГСЛ-Б. Клинья штампуют из стали марки 30ХС (ГОСТ 4543-71) или марки 30 (ГОСТ 1050-74) с последующей закалкой.

Основные размеры фрикционных элементов, и узлы наклона клиньев выбраны из условия получения больших сил трения при сохранении определенной стабильности работы.

Энергоемкость поглощающего аппарата при соударении двух вагонов:

Э=m1•V2•m2•д1/4•(m1+m2)=95,15•2,52•85•0,75/4•(95,15+85)=52,61 кДж

где m1 - масса брутто проецируемого вагона m1 = 95,5 т;

V - скорость соударения V = 2,5 м/с;

m2 - масса среднего вагона с которым предположительно произойдет соударение m2 = 85 т;

д1 - коэффициент деформации рамы кузова вагона д1 = 0,75.

Такую энергоемкость может обеспечить поглощающий аппарат типа III-2Т (30-65 кДж).

4.2 Расчет автосцепки

Автосцепка приведена на рис. 8.

Сечения I-I, II-II является опасными. Проводим расчет на прочность для опасного сечения I-I.

у1-1=N/F±M/W

где N=250(т)=2,5 МН - продольные силы;

F=0,13•0,175-0,05•0,095=0,02 м2 - площадь сечения;

о = 0,05 - эксцентриситет;

М=о•Н=0,05?2,5=125 кН

W=B•h2/6-b•h2/6=0,13•0,1752/6-0,05•0,0352/6=5,88•10-4 м3

у1-1=2,5/0,02+0,125/5,88•10-4=338 МПа

Допускаемые напряжения для стали марки 20ГЛФ, из которой изготовлена автосцепка [у]=392 МПа.

Таким образом, данная автосцепка удовлетворяет условию прочности, т.к. [у]>у1-1

4.3 Расчет деталей упряжи

Тяговый хомут предназначен для передачи усилия поглощающему аппарату. Он представляет собой отливку, в головной части, которой имеются окно для клина и приливы с отверстиями для прохода болтов, поддерживающих клин. Головная часть тягового хомута соединена с его хвостовой частью верхней и нижней полосками.

Напряжения, возникающие в данном сечении.

у1-1 = N/F=2,5•106/9•10-3=278 МПа

где N=2,5 МН - продольная сила при III режиме

F=0,15•0,03•2=9•10-3 м2 -площадь поперечного сечения балки.

Допускаемые напряжения для стали 20ГЛФ равно:

[у]=0.75•ут=314 МПа

Данный хомут удовлетворяет условию прочности, т.к. [у]>у1-1

5. РАЗРАБОТКА МОДЕРНИЗАЦИИ

При модернизации цистерны, мы должны учитывать:

- снижение затрат на модернизацию;

- улучшение технико-экономических параметров;

- увеличение нагрузки от колесной пары на рельс и т.д.

В качестве модернизации цистерны модели 15-145 я предлагаю в целях еще большего обеспечения безопасности движения, охраны труда обслуживающего персонала, охраны окружающей среды, установить ригельную крышку на люке цистерны. В предложенной конструкции для безопасности открывания крышки люка используют предохранительную скобу.

Модернизированная цистерна представлена на рис. 30

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

вагон цистерна автосцепный тормозной

1) Грузовые вагоны колеи 1520 мм железных дорог СССР (альбом-справочник). Москва. Транспорт 1989 г.

2) “Вагоны” под редакцией Шадура Л.А.

3) Цистерны (устройство, эксплуатация, ремонт): Справочное пособие. Москва. Транспорт 1990 г.

4) Автосцепное устройство железнодорожного подвижного состава. Коломитченко В. В. Москва. Транспорт 1991 г.

5) Конструкция вагонов. И.Ф. Пастухов, В.В. Пигунов. Москва. Транспорт 2000 г.

6) Бороненко Ю.П.,Эстлинг А.А. “Вписывания вагона в габарит” С-Петербург, 1992 г.

7) Реферативный журнал «Железнодорожный транспорт». Выпуск 2001 и 2003 г.

Размещено на Allbest.ru