Лекция №18,19 Главные рамы тепловозов. Кузова тепловозов.

Назначение и требования

Рама и кузов предназначены для размещения в них силового и вспомогательного оборудования, узлов соединения с тележками и составом поезда.

При проектировании рамы и кузова необходимо обеспечить:

– нормальные условия работы локомотивной бригады;

– размещение силового и вспомогательного оборудования, установку тележек и ударно-тяговых приборов;

– прочность, жесткость и долговечность конструкции при ее минимальном весе;

– соблюдение современных требований производственной эстетики и аэродинамики.

В зависимости от конструкции и компоновки несущих элементов и от их участия в восприятии внешних нагрузок различают два вида кузова – с главной несущей рамой и цельнонесущий.

В кузовах с несущей рамой все внешние нагрузки воспринимаются этой мощной рамой. Боковые стенки, крыша и кабина служат лишь для ограждения машинного отделения и бригады от окружающей среды. Кузова этого типа имеют два конструктивных варианта: вагонный и капотный. В первом варианте боковые стенки размещены с учетом максимального использования ширины габарита подвижного состава, что позволяет бригаде обслуживать силовые агрегаты без выхода из кузова. Это улучшает условия работы бригады и аэродинамику локомотива. Такие кузова используются на тепловозах серии ТЭ10, 2ТЭ116, М62 и др. Во втором варианте боковые стенки и крыша закрывают лишь силовые агрегаты и кабину машиниста. Такие кузова используются на тепловозах серии ТЭМ2, ТЭМ7, ТГМ7 и др.

В цельнонесущем и цельносварном кузове имеется жесткая связь элементов рамы с боковыми стенками, верхним поясом и кабиной, что обеспечивает совместную работу всех элементов конструкции при восприятии внешних нагрузок. Кузова этого типа выполняются в вагонном варианте и используются на тепловозах серии: ТЭП60, ТЭП70, 2ТЭ121, 2ТЭ136 и др. Достоинством цельнонесущих кузовов является высокая жесткость и небольшая масса их конструкции. Так, если вес погонного метра кузова с несущей рамой составляет 1,1–1,25 тс (11–12,5 кН), то вес погонного метра несущего корпуса – 0,86–1,0 тс (8,6–10 кН) (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Эскиз рамы тепловоза 3ТЭ10М: 1 – обносной швеллер; 2 – двутавр № 45;
3 – верхний настильный лист; 4 – кронштейн; 5 – опора для поднятия тепловоза;

6 – нижний настильный лист; 7 – шкворень Ø250 мм; 8 – опора на тележку

Основу рамы составляют две хребтовые балки в виде двутавров № 45, изготовленные из стали марки Ст3 СП. По концам приварены стяжные ящики, отлитые из стали марки Ст25 ЛП. По бокам рамы установлен обносной швеллер № 16, который соединен с хребтовыми балками кронштейнами из листовой стали. К кронштейнам приварены настильные листы из стали толщиной 10–12 мм. В стяжных ящиках установлена автосцепка и сглаживающий аппарат.

Нагрузки, действующие на раму и кузов

В процессе реализации силы тяги и торможения на раму и кузов действуют следующие силы:

– вес кузова брутто. Здесь учитывают статические нагрузки: собственный вес кузова, вес размещенных в нем агрегатов, вес топлива, воды и других материалов. Действие нагрузок рассматривают при опирании кузова на тележки, на домкраты и при аварийном подъеме локомотива за автосцепку;

– наибольшее тяговое усилие (в момент трогания с места) в режиме двойной тяги. Максимальную силу тяги определяют по формуле

F_k = Y_k P_сц, (11.1)

где Y_к – коэффициент сцепления, равный 0,33; P_сц – сцепной вес локомотива;

– тяговое усилие при конструкционной скорости в режиме двойной тяги. Силу тяги определяют по тяговой характеристике локомотива;

– продольные усилия при растяжении и сжатии, приложенные по осям автосцепок и равные 2500 кН для грузовых и 2000 кН – для пассажирских локомотивов;

– динамические нагрузки, возникающие при движении локомотива с конструкционной или с резонансной скоростями. При проектировании динамические нагрузки принимают распределенными по схеме приложения вертикальных статических нагрузок. Их величины определяют, умножая вертикальные статические нагрузки на динамический коэффициент,

К_д = 0,1 + 0,2 , (11.2)

где V_k – конструкционная скорость локомотива; f_cт – статический прогиб рессорного подвешивания локомотива.

Действие динамических нагрузок определяют при поездных испытаниях локомотива:

– нагрузке на кузов при соударениях, которые состоят из продольных усилий, равных 2500 кН для грузовых и 2000 кН – для пассажирских локомотивов. При существующих поглощающих аппаратах эти усилия имеют место при соударениях со скоростями 5–7 км/ч;

– инерционных усилиях, которые принимаются пропорциональными массам и ускорениям тележек, и расположенных в кузове агрегатов. При расчете шкворневых балок, шкворней, тяг и других элементов продольные ускорения сосредоточенных масс принимают равными 3g.

Действительные величины ускорений уточняют при испытаниях на соударение.

Расчет несущей рамы локомотива

При расчетах несущей рамы локомотива необходимо:

– распределить нагрузки на оси локомотива (выполнить развеску) и создать схему сосредоточенных и распределенных сил;

– определить реакции опор (рис. 11.2);

– зная вес, приходящийся от оборудования на раму Р_КУЗ, рассчитать реакции опор:

R_Б L = P_КУЗ l_а,

тогда

R_Б = P_КУЗ l_а / L; (11.3)

R_а = P_КУЗ – R_Б; (11.4)

Рис. 10.2. Схема реакции опор

– построить диаграмму моментов инерции (рис. 11.3), используя формулу

I_Х = , (11.5)

где b – основание прямоугольника; h – высота прямоугольника;

Рис. 11.3. Диаграмма моментов инерции

– рассчитать и построить эпюру изгибающих моментов (рис. 11.4), используя следующую формулу

М_ИЗГ = Р_а Z, (11.6)

где Z – расстояние от опоры до центра сосредоточенной нагрузки;

Рис. 11.4. Эпюра изгибающих моментов

– заменить действительную балку фиктивной и определить интенсивность фиктивной нагрузки по формуле

q= (11.7)

где М_ИЗГ – изгибающий момент; кНм; Е – модуль упругости, МПа; I – момент инерции, см⁴;

– в выбранных сечениях определить моменты от фиктивных сил и построить эпюру прогибов (рис. 10.5).

Рис. 11.5. Эпюра прогиба рамы

Минимальная величина прогиба рамы тепловоза от статической нагрузки составляет 4–6 мм, а по длине дизеля – 1 мм.

Расчет рамы при подъеме ведут, принимая, что тепловоз поднимают за концы рамы. Последовательность и методика расчета такая же, как при действии вертикальных сил. Максимально допустимые напряжения в опасных сечениях не должны превышать 200 МПа. В случае превышения этого значения определяют места расположения опор для домкратов. У современных локомотивов опоры для домкратов располагаются на расстоянии 1500–2000 мм от осей автосцепки.

При ударе и растяжении раму рассчитывают для грузовых тепловозов на максимальное усилие 2500 кН, а для пассажирских – 2000 кН. Продольные усилия вызывают инерционные силы от веса кузова и тележек. Поэтому раму рассчитывают на сжатие или растяжение и на изгиб от реактивных сил.

При движении локомотива по кривым участкам пути возникает центробежная сила С_С от веса кузова со всем оборудованием, стремящаяся его опрокинуть. Одновременно с этой силой при расчете рамы учитывают силу ветра С_В :

С_С = ; C_B = Fw,(11.8)

где G – вес кузова и рамы со всеми агрегатами; V – конструкционная скорость; R – радиус кривой; F – площадь боковой поверхности кузова; W – удельное давление ветра, равное 2,0 МПа/м²

Обе эти силы вызывают изгиб рамы в горизонтальной плоскости. Суммарные напряжения определяют по одновременному действию следующих сил:

Р и Q; P и N; P и F_ТР,

где Р – статическая нагрузка на раму; Q – сила растяжения или сжатия; N – сила соударения по автосцепкам, равная утроенному весу тележек; F_ТР – сила тяги при трогании с места.

Суммарные напряжения не должны превышать 2500 кН. При этом учитывается влияние динамических факторов, т. е. вертикальные возмущения от стыков и неровностей пути, силы при вписывании тепловоза в кривые, силу ветра и другие G_i, влияние которых в заводских расчетах часто оценивается коэффициентом 1,5.