2891 МЧПС к.р
..pdf2891 |
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