Конструкция и расчет вагонов

d1= =0.113 м,

d2==0.19 м,

d3= =0.16 м.

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.

d1=0.113+0.002=0.115 м; d2=0.190+0.006=0.196 м;

d3=0.160+0.006=0.166 м.

Выбираем ось типа РУ1 с размерами:

d1= 0.130м; d2=0.194 м; d3=0.165 м.

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:

кус = е?[кус], (6.1)

где [к_ус]= 1,5 - допускаемое значение коэффициента устойчивости для грузовых вагонов;

е - коэффициент, определяемый по формуле:

е=(tg в -0,25)/(1+0,25tg в), (6.2)

е=(tg60^o-0,25)/(1+0,25tg60^о)=1,034,

в - 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);

м - коэффициент трения скольжения ненабегающего колеса о головку рельса, м =0,25;

Рв1 - вертикальная составляющая силы реакции набегающего колеса на головку рельса, тс;

Рв2 - вертикальная составляющая силы реакции ненабегающего колеса на головку рельса, тс;

Рб - горизонтальная составляющая силы реакции набегающего колеса на головку рельса, действующая одновременно с Рв1 и Рв2, тс.

Усилия Рв1, Рв2, Рб определяются по формулам:

Рв1 = 2Рст^(m)[(1-кд.в1)-кд.б.к]+Hp+qк.п.; (6.3)

Рв2 = 2Рст^(m)[(1-кд.в1)-кд.б.к]+Hp+qк.п.; (6.4)

Рб = Нр + мРв2, (6.5)

где Р_ст^(m) - вертикальная статическая нагрузка, действующая на шейку оси, тс;

кд.б.к = 0,25 - среднее значение коэффициента динамики боковой качки;

Нр = ро - среднее значение рамной силы, вычисляемое при среднем значении коэффициента горизонтальной динамики

где ро - осевая нагрузка, тс;

qк.п. - сила тяжести колесной пары с буксами;

= вб(5+v) - среднее значение коэффициента горизонтальной динамики колесной пары;

где в - коэффициент осности тележки;

б - коэффициент, зависящий от гибкости рессорного подвешивания, для грузовых вагонов б = 0,003;

v - скорость движения вагона, м/с; v=33,3 м/с;

=(5+33,3)0,0031=0,114,

2в2 - расстояние между серединами шеек оси колесной пары;

а1, а2 - расстояние от точек контакта колес до середин шеек оси, а1 = 0,217 м,

а2 = 0,264 м;

r - радиус колеса;

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

Заменив в формулах (6.3) и (6.4) 2Рст^(m) = ро - qк.п_., а также подставив числовые значения линейных величин и номинальный радиус колеса r=0,475 м, после преобразования получаем следующие упрощенные выражения для Рв1 и Рв2:

Р_в1 = ро(0,485-0,528 + 0,289 )+0,528 qк.п., (6.6)

Рв1=24(0,485-0,5280,23+0,2890,11)+0,5280,171,4=9,67 тс.

Рв2=ро(0,515 - 0,222 - 0,289 )+0,222 qк.п., (6.7)

Рв2 = 25,5(0,515-0,2220,23-0,2890,11)+0,2220,231,4= 10,51 тс,

Нр =240,11=2,64 тс,

Рб =2,64 +0,2510,51=5,2 тс,

кус=1,039,67/5,2=1,92 > [кус].

7. Расчет на прочность и выносливость рессорного комплекта

7.1 Расчет на прочность

Определим статическую силу на одну двухрядную пружину

, (7.1)

где P_ст =353,5 кН - статическая нагрузка вагона

T=247,21 кН - собственная сила тяжести вагона

P_нч=174 кН - сила тяжести необрессоренных частей вагона

Статическая сила действующая на рессорный комплект.

(7.2)

Найдем среднее значение коэффициента вертикальной динамики для обрессореных частей тележки.

, (7.3)

где а=0,1, b=1

v=33.3 м/с - скорость движения

Максимальное значение коэффициента вертикальной динамики.

 (7.4)

Рассчитаем расчетную нагрузку, действующую на двухрядную пружину

(7.5)

Рассчитаем расчетную нагрузку на рессорный комплект

(7.6)

Определим вертикальную жесткость

, (7.7)

где =1

n=4;6.45 - рабочее число витков наружной и внутренней пружины

d=0.03;0.021 - диаметр прутка наружной и внутренней пружины, м

D=0.17;0.111 - диаметр наружной и внутренней пружины, м

Наружная

Внутренняя

Общая жесткость

 (7.8)

Подсчитаем расчетные нагрузки действующий на рессорный комплект

(7.9)

Наружная

Внутренняя

(7.10)

=152,53 кН

Найдем коэффициент , учитывающий кривизну витых пружин

(7.11)

Наружная при

Внутренняя при

Рассчитаем напряжение в материале пружин

(7.12)

Наружная

Внутренняя

[]=750 МПа

Прочность пружин рессорного подвешивания обеспеченна, т.е. расчетные напряжения не превышают допустимые.

7.2 Расчет на выносливость

Находим максимальную силу

, (7.13)

где f_max=0,070 м

Наружная

Внутренняя

Общая максимальная сила комплекта

(7.14)

Максимальное напряжение в пружине

, (7.15)

где =

Наружная

Внутренняя

Общее максимальное напряжение в рессорном комплекте

(7.16)

Среднее напряжение цикла

, (7.17)

где Р_ст=18,8 кН

Наружная

Внутренняя

Среднее напряжение цикла для комплекта

(7.18)

Расчетный запас прочности

 (7.19)

Наружная

Внутренняя

Расчетный запас прочности для комплекта

(7.20)

Выносливость пружин рессорного подвешивания обеспечена.

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).

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.

Срок окупаемости разработанной конструкции вагона подсчитывается по формуле:

Ток=, (8.1)

где ?К_н - ?Кс - дополнительные капитальные вложения при внедрении новых конструкций вагонов;

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

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

?Сс, ?Сн - общие годовые эксплуатационные расходы для новой и существующей конструкций вагона.

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

?Сн(с) = сr?N, (8.2)

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

?N - количество вагонов, необходимых для выполнения расчетного грузооборота.

Годовые эксплуатационные затраты для одного вагона:

сг = cоmкг, (8.3)

где с_о - общая себестоимость перевозки грузов в данном вагоне;

mкr - годовая производительность в тоннах - километрах нетто, выполняемая одним вагоном.

Возможная годовая производительность одного вагона рассчитывается по формуле:

mкг= (8.4)

где Р - грузоподъемность вагона, тс;

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

365 - число дней в году;

nнр - число нерабочих дней вагона, принимаемое равным 55;

л - коэффициент использования грузоподъемности вагона;

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

mкг^н = ткм нетто,

mкг^с =ткм нетто.

Количество вагонов, необходимых для выполнения расчетного грузооборота, определяется по выражению:

?N=, (8.5)

где Рl - расчетный годовой грузооборот, принимаемый равным 100 млрд. ткм нетто.

?N^н=вагона,

?N^с=вагонов.

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

?С_с = ?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:

со= сик + ст + сп, (8.7)

где с_нк = 1,086 - себестоимость перевозки по начально-конечной операции;

ст = 1,575 - то же по транзитной операции;

сп = 5,780 - себестоимость перевозки по операции передвижения.

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

со^с=1,086+1,575+5,780=8,44?10^-2 ткм нетто груза, руб.

Рассчитаем снк и ст для разработанной конструкции вагона. Определим коэффициенты корректировки себестоимости перевозки грузов г по начально-конечной и транзитной операциям:

г нк = г т= (8.8)

где Р_с и Рн - грузоподъемность существующей и новой конструкций вагона соответственно;

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

г нк = г т=.

Для операции передвижения коэффициент корректировки себестоимости:

г п =, (8.9)

где Тс и Тн - тара вагона существующей и новой конструкций соответственно;

бпор^(с) и бпор^(н) - коэффициент порожнего пробега вагона существующей и новой конструкций соответственно.

г п=

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

со^(н) = снк^(с)гнк + ст^(с)гт + сп^(с)гп, (8.10)

где с_нк^(с), ст^(с) и сп^(с) - себестоимость перевозок грузов по начально-конечной, транзитной операциям и операции передвижения для существующей конструкции вагона.

со^(н) =1,0860,7 +1,5750,7+5,780,98=7,52?10^-2 руб.

Дополнительные капитальные затраты от приобретения расчетного парка новых конструкций вагонов вместо серийных, исходя из формулы (8.1), определяются так:

?К_д = ?Кн - ?Кс, (8.11)

Общие капитальные затраты на приобретение вагонов, потребных для выполнения расчетного грузооборота:

?Кн(с) = Цн(с) ?Nн(с), (8.12)

где Ц_н(с) - цена новой или серийной конструкции вагона;

?Nн(с) - количество вагонов новой или существующей конструкции, необходимых для выполнения расчетного грузооборота, определяемое по (8.5).

В этом случае для определения цены новой конструкции вагона получаем следующую формулу:

Цн = 0,5 Цс (Тн/Тс + Fн/Fc)(1+в), (8.13)

где Ц_н и Цс - цена нового и существующего вагонов, Цс=450 тыс. руб.;

Тн и Тс - вес тары новой и существующей конструкции вагона;

Fн и Fс - площадь пола нового и существующего вагона;

в = 0,05-0,15 - коэффициент, учитывающий удорожание вагона, его новизну и сложность конструкции.

Цн= 0,5450(24,9/25,2+56,9/52,8)(1+0,05)=488,03 тыс. руб.

?Кс=45043679,0610³=19,6610⁹ руб.

?Кн=488,033075010³=15,0110⁹ руб.

=?Кн - ?Кс= = 4,6510⁹ руб.

Так как ?Кн < ?Кс, то определяем годовую экономическую эффективность:

(8.14)

где - срок службы вагона, = 30 лет.

млн.руб.

Таблица 1. - Сравнительный анализ спроектированного и серийного

вагонов

Технико-экономический параметр	Обозначение параметра	Значение
		Серийный вагон	Спроектированный вагон
Грузоподъемность, тс	Р	68	71,1
Тара, тс	Т	25,2	24,9
Коэффициент тары технический	кт	0,37	0,3
Удельная площадь пола, м2/тс	fу	0,72	0,8
Площадь пола, м2	F	52,8	56,9
Длина вагона по осям сцепления, мм	2Lо	19620	21600
Длина рамы вагона, мм	2Lр	18400	20400
База вагона, мм	2l	13900	14500
Ширина вагона в свету, мм	2В	6800	3299
Осевая нагрузка, тс/ось	ро	23,3	24
Себестоимость перевозки, р./ткм	со	8,4410-2	7,5210-2
Цена вагона, р.	Ц	450000	488030
Капитальные затраты, р.	?К	19,65•109	15,01109
Годовая экономическая эффективность, р.		-	5040000
Габарит		1-Т	1-Т

Заключение

В результате выполнения курсового проекта была разработана конструкция четырехосной платформы модели 13-9007. Вагон предназначен для перевозки колесных пар, штучных лесных и других грузов, не требующих укрытия и защиты от атмосферных осадков

Произведен выбор основных технико-экономических параметров, расчет грузоподъемности Р = 71,1 т, площадь пола F = 56,9 м². Рассчитаны линейные размеры вагона, а также осуществлено вписывание вагона в габарит подвижного состава. Вертикальные, боковые нагрузки, обусловленные силами инерции, не превышают допустимых. Произведено технико-экономическое обоснование эффективности разработанной конструкции вагона. Годовая экономическая эффективность составляет 5,04 мил руб., что позволяет поставить вагон на серийное производство.

Библиографический список

1. Конструкция, теория и расчет вагонов: Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Конструирование и расчет вагонов» / И.П. Молчанов, В.В. Зубенко. Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2001. 54 с.

2. Вагоны: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Л.А. Шадур, И.И. Челноков, Л.Н. Никольский и др. - М: Транспорт, 1980. - 439 с.

3. Лукин В.В. Конструкция и расчет вагонов. Ч. 3. Общие положения проектирования и расчета вагонов: Конспект лекций - Омск: ОМГУПС, 1991. - 88 с.

4. Лукин В.В. Конструкция и расчет вагонов. Ч. 4. Общие положения проектирования и расчета вагонов: Конспект лекций - Омск: ОМГУПС, 1995. - 134 с.

Размещено на Allbest.ru