Проектирование тормозной схемы электровоза

Автоматические тормоза подвижного состава должны обеспечивать безопасность движения поездов, обладать высокой надежностью и безопасностью действия. Обеспечение этих условий позволяет повысить скорость движения и вес поездов, что приводит к увеличению провозной и пропускной способности железнодорожного транспорта.

Данный курсовой проект позволяет овладеть теоретическими и практическими знаниями проектирования автотормозной техники, изучить устройство и работу тормозных систем подвижного состава, ознакомиться с методами расчетов тормозного оборудования вагонов.

1. Задание на курсовой проект

Исходные данные для выполнения курсового проекта выбираются из табл. 1.1 и 1.2. Вариант задания принимается по двум последним цифрам шифра указанного в зачетной книжке.

Исходные данные для расчета колодочного тормоза вагона:

Тип вагонарефрижераторный

Количество осей вагона-4

Тара вагона, т-32

Грузоподъемность, т-50

Тип колодок-композиционные.

Исходные данные для обеспеченности поезда тормозными средствами и оценки эффективности тормозной системы поезда:

4-осн. грузовые (брутто 88 т)-12

4-осн. рефрижераторные (брутто 84 т)-35

4-осн. грузовые (брутто 24 т)-24

Скорость, км/ч-90

Уклон пути (спуска), ‰-7

Тормозные колодки-чугунные

Локомотив-2ТЭ116.

2. Выбор схемы и приборов пневматической части тормоза вагона

На железнодорожном транспорте применяется автоматический пневматический тормоз. Автоматическими называются тормоза, которые при разрыве поезда или тормозной магистрали, а также при открытии стоп-крана из любого вагона автоматически приходят в действие вследствие снижения давления воздуха в магистрали. Данный вагон также оборудуется авторежимом. Схема тормозного оборудования представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Схема тормозного оборудования вагона

Таблица 2.1 — Номенклатура тормозных приборов и арматуры пневматической части

3. Расчет давления воздуха в тормозном цилиндре, при торможении

Давление в тормозных цилиндрах при торможении зависит от типа воздухораспределителя, величины снижения давления в тормозной магистрали, режима торможения у грузовых воздухораспределителей и загрузки вагона при наличии авторежима.

Для воздухораспределителей грузового типа давление в тормозных цилиндрах при полном служебном и экстренном торможении зависит от установленного режима. При порожнем режиме — 0,14 ~ 0,16 МПа; при среднем — 0,28 ~ 0,33 МПа; при груженом — 0,39 ~ 0,43 МПа.

При ступенчатом торможении давление определяется из условия равновесия уравнительного поршня Р_тц = (F_у· Р_о + Р_у + Ж_у· l_i)/ F_у,(3.2)

где F_у— площадь уравнительного поршня, 20· 10^-4 м²;

Р_о— атмосферное давление, Па;

Р_у— усилие предварительного сжатия режимных пружин, 185 Н;

Ж_у— суммарная жесткость режимных пружин, на порожнем режиме Ж_у = 8400 Н/м, на среднем — Ж_у = 8400 ~ 0,5· 32 700 Н/м; на груженом — Ж_у = 8400 ~ 32 700 Н/м;

l_i — перемещения уравнительного поршня после i-й ступени торможения, м; l_i = h_i — 0,0065;

h_i — перемещения главного поршня после i-й ступени торможения, м.

Условие равновесия главного поршня р_ркi· F_г = р_зкi· (F_г — F_ш) + Р_г + Ж_гh_i.(3.3)

Давление в рабочей камере после ступени торможения р_ркi = (р_рк V_р)/(V_р + F_гh_i),(3.4)

где р_зкi, р_мi — абсолютное давление в золотниковой камере и тормозной магистрали при i-й ступени торможения, Па;

F_г — площадь главного поршня, 95· 10^-3, м²;

F_ш — площадь штока главного поршня, 4,15· 10^-4, м²;

Р_г — усилие предварительного сжатия пружины главного поршня, 200 Н;

Ж_г — жесткость пружины главного поршня, 28 000 Н/м;

V_р — объем рабочей камеры, 6· 10^-3 м³;

р_рк — абсолютное зарядное давление рабочей камеры, Па, р_рк = р_м;

р_зкi = р_мi.

В результате совместного решения уравнений (3.3) и (3.4) получается квадратное уравнение относительно h_i.

Аh_i² + Вh_i + C = 0,(3.5)

А = Ж_г· F_г,(3.6)

В = Ж_г· V_р + F_г· р_мi(F_г — F_ш) + Р_г· F_г,(3.7)

С = V_р[(F_г — F_ш)р_мi + Р_г — F_г· р_м]. (3.8)

Таблица 3.1 — Расчет давлений в тормозном цилиндре при ступенях торможений и полном служебном

Наличие на вагоне авторежима устанавливает зависимость давления воздуха в тормозном цилиндре от загрузки вагона, которая выражается формулой где f_пр — величина предварительного подъема опорной плиты, м;

где f_i — величина статического прогиба рессор, м;

Р_цп — давление в тормозном цилиндре порожнего вагона, МПа;

f_i = 0,01 Q f_o Q_i ,(3.11)

f_o — гибкость центрального рессорного подвешивания вагона, 0,6 225 м/т;

Q_i — загрузка вагона в процентном соотношении от полной;

Q — грузоподъемность вагона, т;

Р_вр — давление на выходе из воздухораспределителя при полном служебном торможении, МПа.

Результаты расчета представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 — Расчет давлений в тормозном цилиндре при наличии авторежима

Принимаем максимальное давление Р^м_тц = 0,43МПа.

4. Качественная оценка правильности выбора воздушной части тормоза

На основании закона Бойля — Мариотта состояние сжатого воздуха в выбранных емкостях воздушной части тормозной системы до торможения и при торможении аналитически выражается равенством

Р_зV_зр + Р_оV_о = Р_зрV_зр + Р^м_тц (V_о + рd²_тцL/4) ,(4.12)

где Р_з — максимальное абсолютное зарядное давление воздухопроводной магистрали, МПа;

V_зр — объем запасного резервуара, м³;

V_о — объем вредного пространства тормозного цилиндра, м³;

Р_зр — абсолютное давление воздуха в запасном резервуаре при торможении, МПа;

Р^м_тц — максимальное абсолютное давление воздуха в тормозном цилиндре, МПа;

d_тц — диаметр тормозного цилиндра, м;

L — допустимый ход поршня тормозного цилиндра при торможении, м.

Качественная оценка правильности выбора воздушной части в грузовых поездах производится по условию их неистощимости

Р_зр? Р_з — ДР_тм ,(4.13)

где ДР_тм = 0,15 МПа — разрядка тормозной магистрали при полном служебном торможении.

0,59 > 0,7 — 0,15 = 0,55.

Так как условие выполняется, то делаем вывод о неистощимости пневматического тормоза.

5. Выбор схемы тормозной рычажной передачи

Рисунок 5.1 — Схема рычажной передачи 8^ми-осного грузового вагона: 1 — Горизонтальный рычаг; 2 — Затяжка горизонтальных рычагов; 3 — Тяги; 4 — Горизонтальный балансир; 5 — Вертикальный рычаг; 6 — Затяжка вертикальных рычагов; 7 — Траверса; 8 — Подвески башмака В рефрижераторных вагонах применяется колодочный тормоз с двухсторонним нажатием. Данная схема эффективна при скоростях движения до 160 км/ч. При более высоких скоростях схема неэффективна. Основным ее недостатком является интенсивный износ колесных пар по профилю катания, а также навары при торможении.

6. Определение допускаемого нажатия тормозной колодки

С целью создания эффективной тормозной системы величина нажатия тормозной колодки на колесо должна обеспечивать реализацию максимальной тормозной силы. Вместе с тем необходимо исключить возможность появления юза при торможении. При условиях сухих и чистых рельсов это положение для колодочного тормоза аналитически выражается уравнением

К· ц_к = 0,9· Р_к·ш_к ,(6.1)

где К — допускаемая сила нажатия колодки на колесо, кН;

ц_к — коэффициент трения тормозной колодки;

0,9 — коэффициент разгрузки задней колесной пары;

Р_к — статическая нагрузка на колесо, отнесенная к одной тормозной колодке, кН;

ш_к — коэффициент сцепления колеса с рельсом при торможении.

Значения коэффициента трения для стандартных чугунных колодок определяются по следующей эмпирической формуле где V — расчетная скорость движения поезда, исключающая появление юза, м/с. Для композиционных колодок принимаем V=28 м/с.

Коэффициент сцепления зависит от состояния поверхности рельсов и колес, от нагрузки колеса на рельс и скорости движения. Для его определения можно воспользоваться расчетной формулой ш_к = [0,17 — 0,15 (q — 50)]· ш (V),(6.3)

где q — статическая осевая нагрузка, кН;

ш (V) — функция скорости, значение которой в зависимости от типа подвижного состава находят по графику.

Статическая осевая нагрузка определяется

q = (T + Q)/m,(6.4)

где T, Q — тара и грузоподъемность вагона, кН;

m — число осей вагона.

Статическая нагрузка на колесо Р_к = (T + Q)/m_в ,(6.5)

где m_в — число тормозных колодок на вагоне Р_к = (32 + 50)/16 = 51,25 кН,

q = (32 + 50)/4 = 205 кН, ш (V) = 0,54

ш_к = [0,17 — 0,15 (205 — 50)]· 0,54 = 0,08

Из (6.14) находим ц_к = 0,9· 51,25·0,08/К = 3,64/К Решая полученное выражение совместно с (6.5) получим К = 5 кН.

Полученную допускаемую силу нажатия тормозной колодки проверяем исходя из требований теплового режима трущихся пар К/F_k <= [ДР_у],(6.6)

где F_k — номинальная площадь трения тормозной колодки, м²;

[ДР_у] - допустимое удельное давление на тормозную колодку, кН/м²;

5/0,029 = 172 кН/м₂ < 900 кН/м²

К_доп = [ДР_у]· F_к(6.20)

К_доп = 900· 0,029 = 26,1 кН.

7. Расчет передаточного числа рычажной передачи вагона

Передаточным числом рычажной передачи называется отношение теоретической величины суммы сил нажатия тормозных колодок вагона к силе давления сжатого воздуха на поршень тормозного цилиндра

n = (K_доп· m_в)/(Р_шт·з_рп),(7.1)

где Р_шт — усилие по штоку тормозного цилиндра, кН;

з_рп — КПД рычажной передачи, принимаем 0,80.

Величина усилий по штоку тормозного цилиндра определяется Р_шт = рd²_тцP_тц· з_тц /4 — (F₁ + F₂ + L_шт· Ж),(7.2)

где з_тц — коэффициент, учитывающий потери на трение поршня о стенки тормозного цилиндра, который равен 0,98;

F₁ — усилие оттормаживающей пружины в отпущенном состоянии, 1500−1590 Н, принимаем 1580 Н;

F₂ — усилие пружины бескулисного автоматического регулятора рычажной передачи, приведенное к штоку тормозного цилиндра, которое принимается равным 300 — 1500 Н при рычажном приводе и 2000 — 2500 Н при стержневом;

Ж — жесткость отпускаемой пружины тормозного цилиндра, 6540 Н/м.

Р_шт = 3,14· 0,356²·0,43·10⁶·0,98 /4 — (1545 + 1000 + 0,175· 6540) = 20 кН

n = (26,1· 16)/(0,95·20) = 23,5

8. Определение размеров плеч рычагов рычажной передачи

Для принятой схемы рычажной передачи передаточное число определяется из соотношения ведущих и ведомых плеч рычагов

n = m· (а·б/в·г)cosб, (8.1)

где б — угол действия силы нажатия тормозной колодки на колесо, принимается равным 10^о.

а, б, в, г — размеры плеч рычагов, в = г = 230 мм, а + б = 650 мм.

23,5 = 8а/(650 -а)· (230/230)·0,985

а = 487 мм б = 163 мм Рисунок 8.1 — Схема рычажного привода авторегулятора Расстояние между упором привода и корпусом регулятора, А = n· к·(б-с/d-c) — m_г(8.2)

где к — величина зазора между колесом и колодкой, к = 0,01 м;

m_г — величина конструктивных зазоров между деталями рычажной передачи,

m_г = 0,009 м.

Размер с определяется из соотношения

F₂ = (F_p + Ж_р· L_p)·(б/а — с/а· (l + d)/а)(8.3)

где F₂ — усилие предварительного натяга пружины авторегулятора, Н

(F_p = 2000 Н);

Ж_р — жесткость пружины регулятора, Н/м (Ж_р = 1500 Н/м);

L_р — величина сжатия пружины регулятора при торможении, м

(для 8^ми-осных вагонов при чугунных колодках L_р = 0,015 м);

а, б, с, d, l — размеры плеч горизонтального рычага и рычажного привода регулятора, м.

1000 = (2000 + 1500· 0,015)·(0,163/0,487 — (с/0,487)· (0,65/0,487)),

с = 0,055 м = 55 мм ,

d = 542 мм ,

l = 108 мм.

А = 23,5· 0,01·(0,163 — 0,055)/(0,542 + 0,055) — 0,009 = 34 мм

9. Определение размеров поперечных сечений элементов рычажной передачи

Усилие на штоке поршня тормозного цилиндра определяется Р_шт = рd²_тцP_тц· з_тц /4 — (F₁ + L_шт· Ж),(9.1)

Р_шт = 19,7 кН Определяем силы действующие на рычажную передачу Р_шт = Р₁ ,

Р₂ = Р₁(а +б) /б = 19,7· (487 + 163)/163 = 78,6 кН (2.27)

Р₃ = Р₁ (а / б) = 19,7 (487 / 163) = 58,9 кН, (9.2)

Р₄ = Р₃ (m / 2m) = 29,45 кН (9.3)

Р₅ = Р₄(в + г / г) = 58,9 кН (9.4)

Р₆ = Р₄ = 29,45 кН (9.5)

Определив значения сил, действующих на шарнирные соединения, рассчитываем валики на изгиб.

Валики шарнирных соединений рычажной передачи рассчитываем на изгиб по формуле у = P₁/(0,4· d³·10³)·(b — a/2) < [у] ,(9.6)

где Р — расчетная нагрузка на валик, кН;

d — диаметр валика, м. Принимаем d = 0,04 м;

b — расстояние между серединами опор, м;

а — длина поверхности передающей нагрузку, м;

[у] - допускаемые напряжения при изгибе, МПа. Все детали тормозной рычажной передачи изготовлены из стали 5, принимаем по (табл. 9.1)

[у] = 160 МПа.

Рисунок 9.1 — Расчетная схема шарнирного соединения

b = а + 15 = 25 + 15 = 40 мм.(9.7)

у = 57/(0,4· 0,04³·10³)·(0,04 — 0,025/2) = 61 МПа < [у]

Условие выполняется, прочность валика на изгиб обеспечена.

Тяги рычажной передачи рассчитываются на растяжение.

[у] = P₂· 4/(р·d²_т·10³) < [у], (9.8)

где Р — усилие передаваемое на тягу, кН;

d_т — диаметр тяги, м. Принимаем d_т = 0,022 м.

[у] = 57· 4/(3,14·0,022²·10³) = 150 МПа< [у]

Условие выполнено, прочность тяги обеспечена.

Проушины тяги рассчитываются на смятие и срез. Напряжение смятия и среза определяется по формуле

у _см = 4· Р₃/(р·t·d₁·10³) < [у _см],(9.9)

ф_ср = Р₃/(2· t·h·10³) < [ф_ср](9.10)

где Р — усилие смятия (среза) действующее на проушину, кН;

t — толщина проушины, м;

d₁ — диаметр отверстия проушины, м;

h — высота сечения проушины по линии среза, м; принимаем

h = R — d₁/2(9.11)

где R — радиус наружного очертания пружины, м.

Принимаем t = 0,015 м; d₁ = 0,04 м; R = 0,0375 м; [у _см] = 170МПа; [ф_ср] = 95 МПа.

h = 0,0375 — 0,04/2 = 0,0175 м

у _см = 4· 28,5/(3,14·0,015·0,04·10³) = 62 МПа < [у _см],

ф_ср = 28,5/(2· 0,015·0,0175·10³) = 55 МПа < [ф_ср].

Условия выполнены, прочность проушины обеспечена.

Рычаги также рассчитываем на изгиб. Напряжения при изгибе определяются по формуле

у _изг = М_и/W_x < [у _изг],(9.12)

где М_и — изгибающий момент в сечении среднего шарнира рычага, Н· м;

W_x — момент сопротивления сечения, м³.

Рисунок 9.2 — Горизонтальный рычаг

W_x = 2· h/6·H·(H³ — d³) ,(9.13)

где Н — ширина рычага, Н = 0,18 м;

d — диаметр валика, d = 0,04 м;

h — толщина рычага, h = 0,015 м.

W_x = 2· 0,015/6·0,18·(0,18³ — 0,04³) = 1,6· 10^-4 м ³.

Изгибающий момент в сечении среднего шарнира рычага определяется по формуле

М_и = Р_шт· а = 57· 0,251 = 14,3 кН· м, (9.14)

у _изг = 14,3/1,6· 10^-4 = 89 МПа < [у _изг] = 160 МПа.

Прочность рычага обеспечена.

Рассчитываем вертикальный рычаг на изгиб

Рисунок 9.3 — Вертикальный рычаг

По формуле (9.32) определяем момент сопротивления сечения

W_x = 2· 0,015/6·0,16·(0,16³ — 0,04³) = 1,26· 10^-4 м³.

Находим изгибающий момент

М_и = Р_шт· b = 57· 0,249 = 14 кН· м ,(9.15)

у _изг = 14/1,26· 10^-4 = 111 МПа < [у _изг] = 160 МПа.

Прочность вертикального рычага на изгиб обеспечена.

Затяжка горизонтальных рычагов проектируется из условия ее вписывания в габаритные размеры тормозного цилиндра.

Рисунок 9.4 — Схема вписывания затяжки горизонтальных рычагов в габариты тормозного цилиндра

Зазор х, обозначенный на рисунке 9.7, находится

х = 251 — (200 + 50) = 1 мм.

Свободное вписывание затяжки обеспечено.

Так как данная затяжка выполнена без изгиба, то расчет производится только на сжатие. Напряжение при сжатии у_сж = Р₁/(Н· h) ,(9.16)

где Н — ширина затяжки, м;

h — толщина затяжки, м;

Р — сила, действующая на затяжку, Н;

у_сж = 57/(0,1· 0,025) = 23 МПа < [у_сж] = 160 МПа.

Прочность затяжки горизонтальных рычагов обеспечена.

10. Расчет обеспеченности поезда тормозными средствами

Все поезда, отправляемые со станции, должны быть обеспеченны тормозами с гарантированным нажатием тормозных колодок в соответствии с нормативами по тормозам, утвержденным МПС.

Потребное нажатие тормозных колодок для заданного поезда определяется по формуле УК_р = УQ/100· N (10.1)

где УQ — вес состава поезда, тс;

N — единое наименьшее тормозное нажатие, тс; N = 33 тс.

УК_р = 3440/100· 33 = 1135,2 тс.

Расчетное фактическое тормозное нажатие колодок заданного поезда определяется УК_рф = Уn_j· m_j·K_pj ,(10.2)

где n_j — число единиц подвижного состава;

m_j — осность единицы подвижного состава;

K_pj — расчетное нажатие тормозных колодок на ось вагонов или локомотивов данного типа, тс; для локомотива K_pj = 12 тс, для грузового вагона с чугунными колодками на груженном режиме K_pj = 7,0 тс, на порожнем K_pj = 3,5 тс, для вагонов рефрижераторного подвижного состава с чугунными колодками на груженом режиме K_pj = 9,0 тс.

УК_рф = 35· 4·7 + 15· 4·9 = 1400 тс Поезд считается обеспеченным тормозами, если выполняется условие УК_р < УК_рф ,(10.3)

1135,2 < 1400

Так как условие выполняется, то считаем что поезд обеспечен тормозами.

Расчетный коэффициент силы нажатия тормозных колодок определяется по формуле д_р = УК_рф/ УQ,(10.4)

д_р = 1400/3440 = 0,41

11. Определение тормозного пути, замедлений и времени торможения

Полный расчетный тормозной путь определяется по формуле

S_т = S_п + S_д ,(11.1)

где S_п — подготовленный (предтормозной путь);

S_д — действительный тормозной путь.

Подготовительный путь, м, определяется

S_п = V_H· t_п ,(11.2)

где V_H — скорость движения в начале торможения, м/с;

t_п — время подготовки тормозов к действию, с.

Время подготовки автотормозов, с, определяется следующим образом.

t_п = 10 + 15 (± i)/b_т ,(11.3)

где i — уклон пути, i = - 7‰, знак ''-'' - означает, что расчет ведется на спуске;

b_т — удельная тормозная сила, Н/кН.

b_т = 1000· ц_кр·д_р ,(11.4)

где ц_кр — расчетный коэффициент трения тормозных колодок;

д_р — расчетный коэффициент силы нажатия тормозных колодок поезда.

Расчетный коэффициент трения тормозных колодок

ц_кр = 0,27· (3,6V + 100)/(18V + 100)(11.5)

Действительный тормозной путь, м, определяется по формуле

где к — число интервалов скоростей;

щ — основное удельное сопротивление движению, Н/кН, b_т и щ рассчитываются при средней скорости интервала, интервал 2 м/с.

V_ср = (V_H + V_H+1)/2,(11.6)

Основное удельное сопротивление определяем для грузовых вагонов

щ = 0,7 + (3 + 0,36V + 0,0324V²)/0,1q ,(11.7)

где q — осевая нагрузка, кН, q = 245 кН;

V — средняя скорость в интервале, м/с

Расчеты сводим в таблицу 11.3

Замедление движения поезда определяется по формуле

а_i = (V²_н — V²_н+1)/(2· ДS_д) ,(11.8)

Время торможения определяется по формуле

t = t_п + Уt_i ,(11.9)

где t_i — время торможения в расчетном интервале, с.

t_i = (V_н — V_н+1)/a_i ,(11.10)

Расчеты замедлений движения поезда и времени торможения представлены в таблице 11.1.

Таблица 11.1 — Расчет тормозного пути

Таблица 11.2 — Расчет замедлений и времени торможения

Заключение

В данном курсовом проекте были спроектированы воздушная часть тормозной системы вагона и механическая часть колодочного тормоза. Причем основная часть деталей и приборов принята типовой, что значительно снижает их себестоимость.

Так же была произведена оценка обеспеченности поезда тормозными средствами и проверка эффективности тормозной системы поезда.