Конструкция устройства передачи продольных усилий между кузовом и тележкой тепловоза
Объект исследования: устройство передачи тягового усилия локомотива.
Результаты, полученные лично автором: выполнен обзор устройств передачи тягового усилия локомотивов. Дан анализ тяговых устройств, их классификация и возможностей их применения на локомотивах различного назначения.
Тяговые устройства локомотивов предназначены для передачи от тележки к кузову продольных (тяговых и тормозных) и поперечных сил. При движении локомотива происходит перераспределение вертикальных нагрузок между колесными парами, вызванное действием сил тяги и торможения. Это приводит к снижению тяговых свойств локомотива из-за пробуксовки обезгруженных колесных пар. Для передачи продольных усилий между кузовом и тележкой широко используются шкворни, особенно в локомотивах с одноступенчатым рессорным подвешиванием. При этом вертикальные усилия, как правило, передаются через жесткие опоры скольжения либо качения (тепловозы ТЭМ2, ТЭМ18, ТГМ6 и т.д.). Наличие второго яруса подвешивания усложняет шкворневое устройство, за счет необходимости обеспечения упругой поперечной связи тележек с кузовом, что реализуется с помощью «плавающего» шкворня (тепловозы 2ТЭ116, 2ТА25,ТЭП70 и т.д. Для улучшения тяговых свойств шкворни стараются опустить как можно ниже.
Рациональным решением для передачи тяговых усилий между тележками и кузовом при мягком втором ярусе подвешивания является применение наклонных тяг.Тележки воспринимают тяговые и тормозные усилия от тяговых двигателей, боковые, горизонтальные и вертикальные силы при прохождении неровности пути и передают их через наклонные тяги и пружинные опоры с поперечной податливостью на раму кузова. Правильный угол наклона этих тяг позволяет существенно повысить тяговые свойства локомотива, по сравнению со шкворневыми устройствами за счет выравнивания вертикальных нагрузок на рельс от осей одной тележки. Использование наклонных тяг позволяет применять мягкое рессорное подвешивание во второй ступени, что способствует улучшению динамических качеств локомотива. Наиболее рациональным в этом случае представляется использование пружин, работающих по принципу «флексикойл», исключающих фрикционное взаимодействие при взаимных перемещениях тележек и кузова (электровоз 2ЭС6, 2ЭС10, тепловоз ТЭМ21, ER20CF (Siemens) и т.д.).
Материал поступил в редколлегию 25.04.2017
УДК 629.463
Е.А. Латышев
Научный руководитель: доцент кафедры «Подвижной состав железных дорог», к.т.н., Д.Ю. Расин
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ ВАГОНА-ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ РУЛОННОЙ СТАЛИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
И СПОСОБАХ ЗАГРУЗКИ
Объект исследования: вагон-платформа для перевозки рулонной стали.
Результаты, полученные лично автором: разработана расчетная схема вагона-платформы с учетом контактных взаимодействий опорных элементов рамы и груза, проведен расчет напряженно-деформированного состояния.
В начале проектирования был осуществлен подбор основных несущих элементов конструкции рамы платформы. После чего, производилось трехмерное моделирование платформы для проработки отдельных элементов конструкции и их соединений между собой.
На основе трехмерной модели, путем выделения срединных поверхностей из твердых тел, получена несвязанная поверхностная заготовка. Далее, путем замены поверхностных элементов, с учетом существующей геометрии, получили идеализированную поверхностную модель половины рамы платформы.
Затем, была создана сборочная модель, в которую были добавлены следующие элементы: половина рамы (поверхностная модель), ударная розетка с передними упорами, задние упоры, пятник (твердотельные модели).
В модуле конечно-элементного анализа программного комплекса PLM Siemens NX10 для каждого компонента сборки поочередно создавалась конечно-элементная сетка.
В модуле геометрических построений «Моделирование» создавалась сборка полной рамы (рис. 1), состоящая из двух подсборок половины вагона и модели груза.
Рис. 1. Сборка полной рамы платформы
Подсборки половин располагаются друг относительно друга под углом 180 градусов и соединяются между собой соответствующими элементами конструкции. В модуле « Расширенная симуляция» производилось соединение пластинчатой конечно-элементной сетки рамы и сеток объемных элементов посредством команды «Склеивание поверхности с поверхностью», что является частным случаем контактного взаимодействия, в результате которого реализуется абсолютно жесткая передача нагрузки.
Опирание груза на ложементы осуществляется посредством «Контакта поверхности с поверхностью». Коэффициент трения в зонах контактов k = 0,15 – сталь по стали.
В описанных выше узлах на пятниковых опорах были введены соответствующие ограничения. Кроме того, дополнительные ограничения создавались для отдельных элементов груза, позволяющие им совершать только поступательные перемещения в вертикальной и продольной осях схемы.
Производился нелинейный статический расчет от действия нагрузок, соответствующих первому и третьему расчетным режимам (рис.2).
Рис. 2. Напряженно-деформированное состояние рамы платформы
Согласно документу «Правила размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах» размещение рулонов стали на платформе производится по схемам (рис. 3).
Рис. 3. Схемы размещения рулонной стали:
а – 7 рулонов массой до 10 т; б – 5 рулонов массой до 14 т; в – 4 рулона массой до 17,5 т
Значения напряжений в основных элементах конструкций не превышают допускаемых. Расчетная схема с примененными контактными взаимодействиями может использоваться для дополнительных расчетов, позволяющих учитывать поведение груза, закрепленного на раме и элементов крепления.
Материал поступил в редколлегию 29.03.2017
УДК 629.4
Д.А. Мамаева
Научный руководитель: доцент кафедры «Подвижной состав железных дорог», к.т.н. С.Г. Шорохов
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ СИСТЕМАМИ ПАССИВНОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ
Объект исследования: система пассивной безопасности пассажирского вагона.
Результаты, полученные лично автором: оценена возможность оснащения отечественных пассажирских вагонов энергопоглощающими элементами системы пассивной безопасности.
В настоящее время на сети железных дорог России активно внедряется система скоростного пассажирского сообщения. В рамках данной программы проектируется, производится и вводится в эксплуатацию современный пассажирский подвижной состав, отличающийся повышенными скоростями движения и уровнем комфорта. В связи с повышенной вероятностью возникновения аварийных ситуаций, связанных со столкновениями пассажирских поездов с препятствиями на железнодорожном пути, отечественными специалистами проводится комплекс исследований по обеспечению защиты подвижного состава и пассажиров от негативных факторов соударений, к которым относятся разрушение подвижного состава, травмирование и гибель людей. Это достигается применением систем пассивной безопасности.
Пассивная безопасность – качество конструкции железнодорожного подвижного состава, характеризующее снижение рисков для пассажиров и персонала поезда при аварийных столкновениях и других аварийных ситуациях, которые не удалось предотвратить с помощью системы активной безопасности. Требования по пассивной безопасности, предъявляемые к отечественному пассажирскому подвижному составу, регламентируются ГОСТ 32410-2013 «Крэш-системы аварийные железнодорожного подвижного состава для пассажирских перевозок. Технические требования и методы контроля». Система пассивной безопасности (СПБ) – совокупность специальных устройств и технических решений в конструкции железнодорожного подвижного состава для повышения пассивной безопасности (снижения рисков для пассажиров и персонала поезда) в случае аварийного столкновения.
Основу СПБ пассажирского подвижного состава составляют устройства поглощения энергии (УПЭ) – устройства, предназначенные для поглощения кинетической энергии объектов аварийного столкновения (преобразования ее в другие виды энергии) за счет контролируемой необратимой деформации их конструкций, задействованные только при аварийном столкновении подвижного состава с препятствиями, не являющиеся частью несущей конструкции кузова.
Согласно п. 8.5 ГОСТ 32410-2013 УПЭ пассажирских вагонов следует размещать в консольных частях. При этом УПЭ соседних вагонов должны срабатывать только при аварийном столкновении, т.е. не контактировать между собой при штатной эксплуатации поезда.
При оценке возможности оборудования отечественных пассажирских вагонов УПЭ СПБ рассмотрено их расположение на концевой балке рамы и торцевой стене кузова вагона.
На концевой балке рамы кузова пассажирского вагона расположены автосцепное и буферные устройства, в связи с чем размещение УПЭ в данной области нецелесообразно. Это объясняется отсутствием достаточного пространства для монтажа энергопоглощающих устройств.
На торцевой стене кузова вагона расположены межвагонный переход, концевые фонари, лестница для подъема на крышу и элементы межвагонных электрических соединений. При этом значительная часть поверхности торцевой стены не занята оборудованием, что свидетельствует о возможности расположения в данной области устройств поглощения энергии соударения.
Режимы эксплуатации пассажирских вагонов предполагают движение как по прямым участкам пути, так и прохождение кривых различного радиуса. При движении поезда по кривому участку пути происходит поворот кузовов вагонов относительно оси, проходящей через центр кривой, что приводит к уменьшению расстояния между торцевыми стенами вагонов внутри кривой и увеличению его снаружи кривой. Это необходимо учитывать при определении максимально возможных размеров УПЭ, размещенных на торцевых стенах, для обеспечения отсутствия контакта УПЭ соседних вагонов. Минимально допустимый радиус кривой, проходимый современными отечественными пассажирскими вагонами в сцепе с однотипным подвижным составом, – 120 м.
Для определения рациональных мест установки УПЭ на торцевых стенах рассматривалось движение сцепа из двух однотипных вагонов модели 61-4440 производства Тверского вагоностроительного завода по минимально допустимой кривой. При этом оценивалось два варианта расположения УПЭ на торцевой стене вагона – над межвагонным переходом и по сторонам от него.
Анализ полученных результатов показал, что при расположении УПЭ по сторонам от межвагонного перехода максимальный ход УПЭ до соприкосновения антителескопических стоек не превышает 40 мм, что объясняется необходимостью обеспечения максимальной площади контакта УПЭ соседних вагонов. Подобный ход не обеспечит эффективную работу элементов, что позволяет сделать вывод о нецелесообразности их расположения в указанных зонах. Кроме того, усложняются условия обслуживания межвагонного перехода и контроль плотности прилегания суфле соседних вагонов друг к другу.
Расположение УПЭ над межвагонным переходом позволяет получить ход элементов более 200 мм и обеспечить поглощение кинетической энергии удара более 1 МДж. Однако применение энергопоглощающих элементов на торцевых стенах вагонов требует усиления их несущей конструкции, необходимой для обеспечения требуемой жесткости основания.
Таким образом, в результате проведенных исследований можно сделать вывод о возможности оборудования отечественных пассажирских вагонов элементами систем пассивной безопасности при условии их расположения на торцевых стенах вагонов.
Материал поступил в редколлегию 25.04.2017
УДК 629.45
И.Ю. Оснач
Научный руководитель: доцент кафедры «Подвижной состав железных дорог», к.т.н. Булычев М.А.