Материал: Метод-РасчетКол.Пары 221014

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

(ОмГУПС (ОмИИТ))

В.В. Шилер, А.П. Шатохин

Конструкция и расчет прочности колесной пары электровоза

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний к выполнению курсовой работы по дисциплине «Основы механики подвижного состава. Прочность конструкций ЭПС» для студентов 3-го курса специальности 190300 "Подвижной состав железных дорог" "Специализации 19030003 "Электрический транспорт железных дорог" и 19030005 ".

Омск 2015

УДК 629.4.027.23.001.6

Узлы механической части электроподвижного состава: Методические указания к практическим занятиям / В.В. Шилер, А.П. Шатохин. Омский rqc. ун-т путей сообщения. Омск, 2015. 24 с.

Представлены сведения о назначении, устройстве и работе колесной пары локомотивов, от напряженного и технического состояния которой зависит безопасность движения поездов.

Приведена методика расчета колесной пары электровоза на прочность при опорно-осевом подвешивании тягового электродвигателя. Указаны исходные данные для определения действующих расчетных усилий в колесной паре, а также изгибающих моментов в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Все это позволяет оценить напряженное состояние и несущую способность оси колесной пары локомотива.

Методические указания предназначены для выполнения практических занятий по дисциплине «Основы механики подвижного состава. Прочность конструкций ЭПС» по специальности: 190300 "Подвижной состав железных дорог" Специализация 19030003 "Электрический транспорт железных дорог. Может быть использована при разработке дипломного проекта.

Библиогр.: 3 назв. Табл. 4. Рис. 12.

Рецензент: канд. техн. наук Н.Г. Макаренко.

Омский гос. университет

путей сообщения,

2015

Введение………………………………………………………………………..…4

Колесные пары (практические занятия 1,2)……………………………………5

Краткие теоретические сведения………………………………………………..5

Оси колесных пар………………………………………………………………...8

Колесный центр…………………………………………………………………10

Бандажи………………………………………………………………………….11

Содержание отчета……………………………………………………………...14

Методика расчета колесной пары (практическое занятие 3)……………...…15

Краткие теоретические сведения…….………………………………………...15

Содержание отчета……………………………………………………………...19

Расчет колесной пары электровоза на прочность

(практические занятия 4, 5)……………….……………………………………20

Исходные расчетные данные …………..………………………………….....20

Определение основных расчетных параметров …………………………....23

Содержание отчета……………………………………………………………...23

Библиографический список ………………………………………………...24

Введение

Железнодорожный транспорт представляет собой сложный народнохозяйственный комплекс, бесперебойная работа которого требует слаженной работы всех его звеньев. Важнейшим звеном железнодорожного транспорта является тяговый подвижной состав, от технического состояния которого зависят выполнение установленного плана перевозок и безопасность движения поездов.

З

/

а последние годы вследствие роста интенсивности перевозок значительно усложнилась проблема обеспечения безопасности движения и безотказной работы локомотивов, которая в значительной степени зависит от уровня надежности узлов и элементов механической части. Кроме того, в области взаимодействия тягового подвижного состава и рельсового пути появились новые методики расчета узлов механической части с применением современной вычислительной техники. Поэтому студентам необходимо получить знания о характере изменения нагрузок, режимов нагружения узлов и элементов механической части, причины выхода их из строя и ознакомиться с современными методами их расчета.

1. Колесные пары (практические занятия 1,2)

Цель занятий - изучить условия работы, классификацию и устройство колесных пар электроподвижного состава.

1.1. Краткие теоретические сведения

Колесные пары являются одним из наиболее ответственных элементов механической части локомотивов, так как от их состояния непосредственно зависит безопасность движения. Колесные пары передают нагрузку от массы локомотива на рельсы, направляют движение локомотива по рельсовой колее, обеспечивают реализацию силы тяги. Колесные пары также воспринимают динамические силы, связанные с колебаниями локомотива и ударами при движении по рельсовому пути. Для снижения этих сил целесообразно уменьшать массу колесных пар.

Силы воздействия колес и рельсов зависят от конфигурации профиля бандажа, которую следует выбирать так, чтобы обеспечивалась безопасность движения.

Взаимное проскальзывание колес, связанное с разностью их диаметров, снижает реализуемую силу тяги, поэтому целесообразно выбирать такой профиль колеса, чтобы износы поверхности катания в процессе эксплуатации были минимальными.

В зависимости от конструкции колесного центра принята следующая классификация колесных пар:

– спицевые (электровозы ВЛ19, ВЛ22^м, моторные вагоны электропоездов);

– дисковые литые (электровозы ВЛ23, ВЛ8, ВЛ60, ВЛ80);

– дисковые катанные (электровозы Ф и Ф^п );

– цельнокатаные.

Спицевые, дисковые литые и дисковые катаные колеса являются сборными. Они обычно состоят из колесного центра, бандажа и заводного (бандажного) кольца. Дисковые цельнокатаные колесные пары являются безбандажными.

Рис. 1.1. Колёсная пара электровоза ВЛ10:

1 — ось; 2 — колёсный центр; 3— зубчатое колесо; 4 —бандажное кольцо; 5 — бандаж

Поскольку условия работы отдельных частей колесной пары существенно различаются, ее формируют из оси, колесных центров, бандажей и зубчатых колес. Колесные пары локомотивов с опорно-осевым подвешиванием тяговых электродвигателей достаточно широко унифицированы. Колесная пара электровозов ВЛ60, ВЛ10, ВЛ80 (рис. 1.1) состоит из оси 1, двух движущих колес, состоящих из колесных центров 2 и бандажей 5 с бандажными кольцами 4. Зубчатые колеса 3 насажены на удлиненные втулки колесных центров.

Рис. 1.2. Колесная пара электровозов ЧС1, ЧС2, ЧСЗ

Односторонняя зубчатая передача применена на пассажирских электровозах ЧС1, ЧС2, ЧСЗ (рис. 1.2). Здесь венец зубчатого колеса 1 прикреплен болтами 2 к корпусу 3 колесного центра. Удлиненная ступица 4 служит для посадки подшипников качения редуктора зубчатой передачи.

Аналогичную конструкцию имеют колесные пары моторных вагонов электропоездов ЭР (рис. 1.3). Подшипники 2 под редуктор 1 зубчатой передачи насажены непосредственно на ось. Кольцо 3 предназначено для заземления.

Рис. 1.3 а. Колесная пара моторного вагона электропоезда

Рис. 1.3 б. Колесная пара моторного вагона электропоезда

1.2. Оси колесных пар

Наиболее ответственная часть колесной пары - ось - работает при вращении колесной пары по симметричному знакопеременному циклу, т. е. при каждом обороте колеса напряжение изгиба меняет свой знак. В результате в материале оси возникают усталостные явления.

При работе по симметричному циклу особенно опасна концентрация напряжений, которая появляется в местах перехода от одного сечения к другому. Ось имеет различный диаметр по длине в зависимости от испытываемых усилий и назначения отдельных ее участков, а также от типа подшипников, числа и способа насадки зубчатых колес. Если переход между цилиндрическими поверхностями разных диаметров имеет форму ступеньки, то в этих местах формируются концентраторы напряжений, которые показаны на рисунке 1.5 а. Концентратор напряжений снижает ресурс детали на 40 ÷ 50%, но самое опасное состоит в том, что концентратор напряжений может стать причиной излома детали в непредсказуемый момент. Поэтому во избежание концентраторов напряжений все переходы с одного диаметра оси на другой сопрягают плавными кривыми – галтелями рис. 1.5 б.

Оси выполняют из заготовок, прокатанных из специальной углеродистой стали Ос. Л ГОСТ 3281-86. Для повышения предела усталости цилиндрические поверхности оси (кроме средней части) и их галтели упрочняют накаткой роликами с усилием 30-40 кН. При этом предел выносливости стали повышается примерно в три раза.

На наружной поверхности заготовок не должно быть трещин, расслоений и других дефектов. Ось изготавливают ковкой с последующей нормализацией и отпуском.

Ось унифицированной колесной пары электровозов ВЛ10, ВЛ60, ВЛ80 (рис. 1.4) имеет две буксовые шейки 1, предподступичные части 2 (на них насаживают лабиринтные кольца осевой буксы), подступичные части (на них напрессовывают колесные центры), шейки моторно-осевых подшипников 4 и среднюю часть.

Рис. 1.4. Ось унифицированной колесной пары электровозов ВЛ60, ВЛ10, ВЛ80

У осей колесных пар колесные центры соединяют с осью запрессовкой оси в центр в холодном состоянии. Процесс запрессовки контролируется индикаторной диаграммой рис.1.6.

Сформированная колесная пара может быть допущена к эксплуатации, если индикаторная диаграмма отвечает следующим требованиям: сила запрессовки должна постоянно увеличивается без резких колебаний, в конце запрессовки между внутренними торцовыми поверхностями бандажей колес должно быть расстояние соответствующее значению колесной колеи, согласно ПТЭ – 1440 ± 3 мм; в конце запрессовки значение силы запрессовки должно быть в интервале значений 1050 ÷ 1155 кН. При не выполнении указанных требований колесная пара не допускается к эксплуатации.

Зубчатые колеса напрессовывают на втулку колесного центра с усилием 500-800 кН. Допускается насадка в нагретом состоянии с натягом 0,20-0,28 мм при температуре 200-250°С.

Посадку проверяют контрольным усилием, равным 300-400 кН.

1.3. Колесный центр

Колесный центр по всему внешнему периметру подвергается сжатию при остывании напрессованного на него бандажа. Во время запрессовки оси в ступицу происходит ее расширение, и средняя часть колесного центра оказывается сжатой. На колесный центр передаются также удары при прохождении колеса по поверхности пути. Колесный центр должен иметь достаточные прочность и жесткость.

На локомотивах применяют спицевые и дисковые (преимущественно литые) колесные центры. Спицевые колесные центры состоят из обода, спиц и ступицы. Применялись они на электровозах ВЛ19, ВЛ22^М (11 спиц) (рис. 1.7) и ЧС2 и ЧС4 (12 спиц). Во избежание их разрыва предпочтительнее выбирать нечетное количество спиц.

Рис. 1.7. Спицевой колесный центр электровоза ВЛ19

Рис. 1.8. Колесный центр унифицированной колесной пары электровозов ВЛ60, ВЛ80, ВЛ10

Унифицированные колесные пары электровозов ВЛ10, ВЛ60, ВЛ80 имеют литые двухдисковые колесные центры (рис. 1.8), у которых предусмотрена удлиненная колесная ступица для насадки зубчатого колеса. Обод и ступицу связывают два диска, имеющие отверстия.

Для повышения прочности и жесткости колесного центра диски соединены простенками, играющими роль спиц. В ступице имеется канал, по которому для уменьшения усилия распрессовки на посадочные поверхности подается под давлением масло. В соответствии с ГОСТ 4491-86 колесные центры отливают из стали 20Л и 25Л. Для снятия внутренних напряжений колесные центры подвергают отжигу.

1.4. Бандажи

На бандажи действуют нагрузки от вертикальных и горизонтальных сил взаимодействия колес и рельсов. Напряжения, связанные с действием этих сил в зоне контакта колеса и рельса, могут быть достаточно большими.

При прохождении неровностей пути эти силы имеют ударный характер. Поэтому материал, из которого изготовлен бандаж, должен обладать высокой прочностью при растяжении и сжатии, быть достаточно износостойким и вязким, чтобы противостоять ударным нагрузкам. Бандажи изготавливают из мартеновской стали с введением легирующих добавок и подвергаются специальной термообработке (закалка и отпуск).

Ширина локомотивных бандажей -140 мм, толщина новых бандажей на электровозах -90 мм. Для уменьшения неподрессоренной массы колесной пары целесообразно уменьшать толщину бандажа. Однако при периодиче­ских обточках это снижает срок его службы.

Профиль бандажа (рис. 1.9) определяется ГОСТ 11018-00. Средняя часть наружной поверхности бандажа (поверхность катания) имеет коничность 1/10, что способствует центрированию колесной пары в рельсовой колее и облегчает прохождение кривых. Внешняя часть бандажа имеет коничность 1/3,5 и фаску, которые облегчают прохождение стрелочных переводов. Гребень, угол наклона которого к горизонтали составляет 70°, ограничивает поперечные перемещения колесной пары относительно рельсовой колеи.

С целью уменьшения износа гребней бандажей, рельсов и улучшения ходовых качеств локомотивов предложены и другие профили, которые подвергаются эксплуатационным испытаниям. Унифицированный профиль для колес локомотивов и вагонов, разработанный ВНИИЖТом, приведен на рис. 1.10.

Рис. 1.9. Профиль бандажа

Так как от состояния колесных пар зависит безопасность движения, требования к колесным парам регламентируются ПТЭ и инструкцией по формированию и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм.