2891 МЧПС к.р

2891	МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
	ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электрический железнодорожный транспорт»

МЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА (ЭПС)

Методические указания к выполнению курсового проекта для студентов специальности 190300.65 «Электрический транспорт

железных дорог» очной и заочной форм обучения

Составители: Н.А. Ефимов А.С. Тычков

Самара

2011

1

УДК 629.423.1

Механическая часть электроподвижного состава (ЭПС) : методические указания к выполнению курсового проекта для студентов специальности 190300.65 «Электрический транспорт железных дорог» очной и заочной форм обучения. – Самара : СамГУПС, 2011.

– 30 с.

Утверждены на заседании кафедры 30 августа 2011 года, протокол № 1. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Методические указания содержат исходные данные для курсового проекта, методику и последовательность расчетов на прочность рамы двухосной тележки грузового электровоза.

Составители: Ефимов Николай Александрович Тычков Александр Сергеевич

Рецензенты: к.т.н., доц. кафедры «Локомотивы» СамГУПС А.Ю. Балакин; зам. начальника ДОП Самаратранспригород А.В. Суханов

Редактор И.М. Егорова Компьютерная верстка Е.А. Ковалева

Подписано в печать 27.10.2011. Формат 60x90 116 . Усл. печ. л. 1,88. Заказ № 260.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2011

2

ВВЕДЕНИЕ

В процессе управления поездом машинист часто изменяет режим работы локомотива (разгон, движение при действии силы тяги с низкими или высокими скоростями, выбег, торможение). Движение происходит в различных условиях в зависимости от состояния пути, времени года, профиля пути, наличия кривых разного радиуса и т. д. В зависимости от режима и условий движения силы, приложенные к раме тележки, меняются по величине, направлению и характеру. Учет всего многообразия силовых факторов и некоторых конструктивных особенностей рамы тележки невозможен в рамках курсового проекта, поэтому расчетные схемы составляются с рядом значительных упрощений. Прочность определяется максимальными напряжениями при наиболее неблагоприятном сочетании всех силовых факторов.

Для выполнения проекта необходимо внимательно изучить конструкцию тележки и использовать методические указания к его выполнению. Исходные данные выбираются из таблиц 1 и 2 по двум последним цифрам номера зачетной книжки или шифра для студентов заочного обучения.

ЗАДАНИЕ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

В курсовом проекте предлагается выполнить упрощенный поверочный – оценочный расчет квазистатической, то есть с учётом динамической вертикальной нагрузки, и усталостной прочности рамы двухосной тележки современного грузового электровоза путем расчета коэффициентов запаса прочности. Эти показатели должны иметь достаточную величину, чтобы в течение всего срока службы локомотива вероятность появления повреждений была близка к нулю.

Чертеж тележки электровоза приводится в приложении А. Используя его, необходимо в соответствии с исходными данными составить расчетную схему рамы тележки, затем определить все ее основные нагрузки, рассчитать напряжения и сделать заключение о прочности рамы тележки и ее пригодности к эксплуатации в заданных условиях.

Вариант выбирается по двум последним цифрам номера зачетной книжки или шифра студента.

Параметры для расчета прочности рамы тележки

База тележки 2а, м. Нагрузка на ось 2 ПСТ, кН. Тип тягового двигателя

Вес тягового двигателя РД, кН. Толщина листов боковины рамы:

-стенки b1, мм;

-полки b2, мм;

-накладки b3, мм.

3

Жесткость:

-листовой рессоры жр, кН/м;

-пружины жпр, кН/м. Радиус кривой ρ, м.

Возвышение наружного рельса в кривой h, мм. Вероятности среднеинтервальных скоростей p1…p5.

ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Для успешного выполнения и защиты курсового проекта студент должен четко представлять себе физическую сущность проводимых расчетов в каждом разделе, разбираться в них, используя методические указания и рекомендованную литературу. Перед выполнением каждого раздела нужно тщательно прочитать методические указания, осмыслить методику расчетов и порядок их выполнения.

Курсовой проект состоит из расчетной записки и рисунков, графиков к ней, оформленных с учетом требований ЕСКД (ГОСТ 2.105-2003; ГОСТ 7.32-2001;

ГОСТ 7.1-2003; ГОСТ 8.417-2002; ГОСТ 2.004-88; ГОСТ 7.12-93). Записка пишется на одной стороне каждого листа. С правой стороны листа оставляют поля шириной 10 мм, с левой стороны, сверху и снизу – 20 мм. На обложке записки нужно указать название курсового проекта, учебной дисциплины, специальность, курс, на котором учится студент; фамилию, инициалы, вариант. В начале записки отражается содержание курсового проекта, задание и все исходные данные в соответствии с номером варианта.

Расчетная записка оформляется в соответствии с рекомендациями программы, отраженной в методических указаниях по выполнению проекта. В ней после номера раздела и его заголовка указываются номер пункта и его заголовок и проводятся требуемые расчеты, при этом заголовки подчеркиваются или выделяются отдельным шрифтом. В каждом пункте записки приводятся необходимые обоснования к выбору расчетной величины, рассуждения и расчетные формулы. Все рассуждения следует излагать только своими словами и как можно короче. Не следует переписывать текст методических указаний или выдержки из учебников. Формулы пишутся в общем виде, после чего через знак равенства указываются числовые значения, входящих в нее величин, и затем – результат. Значения символов и числовых коэффициентов, входящих в формулы, расшифрованы в задании. В курсовом проекте их повторять не обязательно, однако при защите необходимо объяснить их значение.

Если на основании расчетной формулы заполняется таблица или графа (строка) таблицы, то записывается формула в общем виде и затем один раз приводится ее численное выражение и результат с указанием значения параметра, для которого результат получен.

Все графики нужно выполнять карандашом на миллиметровой или обычной бумаге в координатной сетке тонкими линиями. Для удобства построения и пользования

4

графиками координатные оси нужно проводить по жирным линиям миллиметровой бумаги. Расчетные точки, через которые проводятся линии графика, должны быть выделены на кривой.

Все таблицы и графики должны иметь сквозную нумерацию. Они размещаются после ссылки на них в тексте записки или на следующей странице (если выполнены на отдельном листе).

Всерасчеты выполняются с точностью дочетырехзначащихцифр. Привыполнении расчетовнавычислительнойтехникепроизводится соответствующееокругление.

После получения отрецензированной работы студент должен аккуратно исправить все ошибки и сделать требуемые дополнения. Для исправлений можно использовать обратную сторону предыдущего листа.

Выполнение перечисленных требований к оформлению проекта является обязательным условием для допуска проекта к защите.

Таблица 1 – Варианты исходных данных

Сумма двух последних							1			2			3		4		5		6		7		8		9
цифр шифра
							10			11			12		13		14		15		16		17		18
База тележки 2а, м							3,25			3,20			3,00		2,95		3,10		3,05		3,10		3,25		3,15
	Таблица 2 – Параметры экипажа и кривой
										жр, кН/м					1700		1600		1500		1400		1300		1200
	Исходные данные
										b2,, мм					12		10		10		12		12		10
										b3, мм					20		18		20		18		20		18
										2ПСТ, кН					225		230		235		240		245		250
	РД, кН		ρ, м		h, мм			жпр, кН/м			b1, мм						Последние цифры шифра
	45,0		400		50				2500				12		01		02		03		04		05		06
	47,0		375		50				2200				14		07		08		09		10		11		12
	43,5		350		50				2350				16		13		14		15		16		17		18
	45,0		325		100				2500				14		19		20		21		22		23		24
	47,0		300		100				2350				16		25		26		27		28		29		30
	43,5		275		100				2050				12		31		32		33		34		35		36
	45,0		250		150				2200				16		37		38		39		40		41		42
	47,0		225		150				2500				12		43		44		45		46		47		48
	43,5		200		150				2350				14		49		50		51		52		53		54
	45,0		175		150				2050				12		55		56		57		58		59		60
	47,0		400		50				2200				14		61		62		63		64		65		66
	43,5		375		50				2050				16		67		68		69		70		71		72
	45,0		350		50				2050				14		73		74		75		76		77		78
	47,0		325		100				2500				16		79		80		81		82		83		84
	43,5		300		100				2200				12		85		86		87		88		89		90
	45,0		200		150				2350				16		91		92		93		94		95		96
	43,5		175		150				2050				12		97		98		99		00		-		-

Примечание – В таблице указывается вес следующих типов двигателей: НБ4418К – 43,5 кН (электровоз ВЛ80Т); НБ-420 – 45,0 кН (электровоз ВЛ82М); ТЛ-2К – 47,0 кН (электровоз ВЛ10).

5

Таблица 3 – Вероятности эксплуатации локомотива pi с различными среднеинтервальными 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
	0 – 1	0,05	0,2	0,6	0,1	0,05
Последняя цифра	2 – 3	0,05	0,05	0,5	0,2	0,2
	4 – 5	–	0,1	0,6	0,2	0,1
шифра	6 – 7	0,05	0,1	0,5	0,25	0,1
	8 – 9	0,1	0,1	0,6	0,1	0,1

1. РАСЧЕТНАЯ СХЕМА РАМЫ ТЕЛЕЖКИ

При расчете рама тележки рассматривается как пространственная стержневая система. Примерный вид стержневой системы показан на рисунке 1. За начало координат принят центр симметрии рамы.

z

0,25PК

R			R
		0,5РД	0
				xд
0,25PК

0,25PК	q

q		R	R
		0,5РД	0,2q	х
		ш
		z
0,25PК

R R

y

xк	R	п1
		z

xр1 xп1

xп2 xр2

2а

2l

zп2

R

Рисунок 1 – Расчетная схема рамы тележки

6

Стержни системы – это оси элементов рамы, проходящие через центры тяжести площадей поперечных сечений. Для упрощения схемы все горизонтальные элементы сведены в одну расчетную плоскость, оси элементов приняты прямолинейными без учета изменения формы поперечных сечений на отдельных участках балок. Положение расчетной плоскости принимается на высоте hр = 1000 мм над уровнем головок рельсов.

Рама тележки представляет собой пространственную статически неопределимую систему с двумя замкнутыми контурами, каждый из которых образован шкворневой балкой, половинами боковин и концевой балкой. Расчет статически неопределимой системы производится методом сил, который заключается в превращении системы в статически определимую посредством разрезания «лишних» стержней. При этом в местах разрезов должны быть приложены неизвестные усилия и моменты (рисунок 2).

В пространстве каждый контур имеет 6 лишних неизвестных: 3 силы и 3 момента сил. Это означает, что степень статической неопределимости равна в данном случае 12, так как при освобождении от статической неопределимости путем разрезания контуров в местах разрезов появляется двенадцать неизвестных силовых факторов. Условием решения такой системы является равенство нулю взаимных перемещений концов разрезанных стержней под действием неизвестных силовых факторов.

z

z1

Mz1		y1			z2	y2
					Mz2
Mx1		My1			Mx2	My2	x2
x1		x1		x	x2
My1			0		My2	Mx2
		Mx1
y1	z1	Mz1			y2	Mz2

z2

y

Рисунок 2 – Статически определимая система

После этого составляется система канонических уравнений соответственно числу неизвестных; решение системы дает значения силовых факторов в разрезах. Дальнейший расчет стержневой системы состоит в определении изгибающих и крутящих моментов и перерезывающих сил в сечениях стержней при отдельных видах нагружения; после чего рассчитываются напряжения в опасных сечениях. Напряжения от различных видов нагружения суммируются, так как одновременно на раму тележки могут действовать статические, тяговые и другие нагрузки. По суммарным напряжениям в опасном сечении определяется запас прочности рамы. В курсовом проекте можно рассматривать раму как

7

статически определимую систему, если пренебречь влиянием концевых балок. При отсутствии замкнутых контуров расчет на прочность после определения системы внешних сил производится отдельно для четверти рамы, так как расчетная схема симметрична, и отброшенную часть рамы можно заменить заделкой. При такой расчетной схеме максимальный изгибающий момент будет действовать в заделке. Именно это сечение в средней части боковины по оси шкворневой балки является опасным, т. е. подлежащим проверке на прочность.

Оформление шага 1

1)На чертеже тележки (приложение А) показать цветным карандашом расчетные оси элементов рамы, систему координат и вклеить его в записку. Указать высоту расположения расчетной плоскости над уровнем головок рельсов hр.

2)Из чертежа рамы тележки по расчетным осям элементов определить следующие размеры расчетной схемы: длину стержней 2l, 2b, расстояние до подвески кузова хк , расстояния от оси шкворневой балки до оси подвески двигателя хд, до осей шарниров рессорных подвесок хр1 и хр2 , до осей шарниров поводков буксы xп1 и xп2, расстояния от расчетной плоскости рамы до осей шарниров поводков букс zп1 и zп2 и до центра сферического шарнира шкворня zш. Записать размерные цепи, по которым определяются указанные размеры.

3)Изобразить в рекомендованном масштабе расчетную схему рамы с указанными на рисунке 1 размерами в метрах с округлением до трех значащих цифр. На схеме показать пространственную систему координат с выбранным положительным направлением осей.

2.ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПАСНОГО СЕЧЕНИЯ

Как видно из чертежа тележки, в расчетном сечении в боковину вварена концевая часть шкворневой балки. Упрощенный расчет прочности можно выполнять для сечения, состоящего только из основных элементов, а именно вертикальных и горизонтальных листов (см. рисунок 3).

Пространственная система сил, действующих на раму тележки при некоторых режимах движения, вызывает изгиб боковины в двух плоскостях, поэтому для расчетного сечения необходимо определить моменты сопротивления изгибу относительно осей y и z. Расчет геометрических характеристик сечения производится табличным методом (таблицы 4 и 5).

8

Рисунок 3 – Расчетное сечение

Таблица 4 – Расчетные данные моментов инерции сечения относительно оси y

Номер элемента i

Fi, м2

z' , м

z'

F , м3

zi, м

zi2 Fi, м4

J y 'i , м4

i

i

i

1

▪

▪

Σ

-

-

Таблица 5 – Расчетные данные моментов инерции сечения относительно оси z

Номер элемента i

Fi, м2

yi, м

yi2 Fi, м4

Jz 'i , м4

1

▪

▪

Σ

-

В таблицах указывают:

1)порядковый номер каждого элемента;

2)площадь его поперечного сечения Fi , м2;

9

3)ординату zi' центра тяжести плоского элемента относительно вспомогательной оси y' , м;

4)статические моменты сопротивления плоских элементов zi' Fi относительно оси

y' , м3;

5)абсциссу и ординату центра тяжести плоского элемента относительно нейтральных осей всего сечения, м:

		yi и zi = zi' – zc .
Здесь z =	∑ zi' Fi	– ордината центра тяжести всего сечения, абсцисса yc = 0;
c	∑ Fi

6) произведения y2i Fi и z2i Fi, м4;

7) моменты инерции каждого элемента относительно собственных нейтральных осей, J y 'i ; Jz 'i , м4:

	J y 'i =	а с3	, Jz 'i	=	c a3	.	(2.1)
		12			12

Здесь а – размер элемента по горизонтали, м;

с– размер элемента по вертикали, м.

Впоследней строке производится суммирование соответствующих величин по столбцам.

Моменты инерции всего сечения определяются суммированием:

Jy = ∑ zi2 Fi	+ ∑ J y 'i ;	(2.2)
Jz = ∑ yi2 Fi	+ ∑ Jz 'i .	(2.3)
При проверке прочности рамы нас интересуют максимальные		напряжения от

вертикального и горизонтального изгибающих моментов в волокнах, наиболее удаленных от нейтральных осей сечения, а именно в углах нижнего листа в точках 1, 6 (см. рисунок 3). Моменты сопротивления изгибу вокруг горизонтальной оси y для волокон, проходящих через указанные точки:

W

y1

=W

y6

=

J y

.

(2.4)

z1

Моменты сопротивления изгибу вокруг вертикальной оси для волокон,

проходящих через те же точки:

Jz

W

z1

=W

z

6

=

.

(2.5)

y1

Здесь y1 и z1 – расстояние от точки 1 до горизонтальной и вертикальной нейтральных осей, м.

В остальных угловых точках 2...5 моменты сопротивления изгибу имеют большие значения, следовательно, напряжения в них будут меньше.

10