Определение реакций тягового привода на движущую колесную пару и на раму тележки

• 1. Спрямление и приведение профиля пути
• 2. Определение силы тяги электровоза
• 3. Выбор серии электровоза для заданного участка пути
• 4. Составление схемы расположения оборудования электровоза
• 5. Составляющие принципиальной силовой схемы секций
• 6. Составление принципиальной схемы вспомогательной цепи
• 7. Составление схем вентиляции электровоза
• 8. Составление схем рессорного подвешивания и определение основных динамических параметров электровоза
• 9. Геометрический расчёт тяговой зубчатой передачи
• 9.1 Методика расчёта
• 9.2 Пример расчета
• 10. Определение реакций тягового привода на движущую колесную пару и на раму тележки
• 10.1 Методика расчета
• 10.2 Пример расчета
• 11. Расчет резино-металического амортизатора подвески тягового двигателя
• 11.1 Методика расчета
• 11.2 Пример расчета
• 12. Определение динамических нагрузок элементов тяговой передачи
• 12.1 Методика расчета
• 12.2 Пример расчета
• 13. Оформление курсовой работы
• Литература

Перед выполнением курсовой работы студент должен освоить основные принципы работы электровоза, иметь представление об основных узлах его энергетического оборудования (электрической и электрической передач, тягового электрооборудования), ознакомиться с основными узлами экипажной части.

Целью курсовой работы является закрепление полученных знаний на примере выбора и расстановки основного и вспомогательного оборудования на заданном электровозе с определением его габаритных характеристик и распределения нагрузки на движущиеся колёса.

Для уяснения взаимодействия отдельных узлов электровоза составляется схема основного силового и вспомогательного оборудования. Взаимодействие тяговых электрических машин (тягового трансформатора, выпрямительной установки, тяговых электродвигателей) студент рассматривает на примере силовой электрической схемы, составленной в соответствии с заданной серии электровоза.

Для закрепления знаний по устройству экипажной части студент должен привести кинематическую схему тягового привода электровоза, которая позволит выяснить механизм передачи тягового момента от тягового электродвигателя (ТЭД) к колёсным парам. Прилагается эскиз колёсно-моторного блока с двухсторонней зубчатой передачей.

Способ передачи вертикальных и тяговых нагрузок в экипажной части рассматривается студентом при вычерчивании схемы рессорного подвешивания.

Курсовая работа № 2 состоит из расчётно-пояснительной записки и графической части и включает в себя следующие разделы:

Спрямление и приведение профиля пути Определение силы тяги электровоза Выбор серии электровоза для заданного участка пути.

Составление схемы расположения оборудования электровоза Составление принципиальной силовой схемы секций Составление принципиальной схемы вспомогательной цепи Составление схем вентиляции электровоза Составление схем рессорного подвешивания и определение основных динамических параметров электровоза Геометрический расчёт тяговой зубчатой передачи Определение реакций тягового привода на движущую колёсную пару и на раму тележки Расчёт резино-металлического амортизатора подвески тягового двигателя Определение динамических нагрузок элементов тяговой передачи Исходные данные для выполнения работы студент выбирает в соответствии с присвоенным ему учебным шифром по таблице П. 1.

Следуя от номера шифра в таблице П. 1 вверх по вертикали, находят одну группу исходных данных, а по горизонтали влево — другую.

Правила оформления курсовой работы изложены в разделе 13 настоящих методических указаний.

электровоз колесо рама тележка

1. Спрямление и приведение профиля пути

Для упрощения выполнения тяговых расчетов реальный профиль участка предварительно обрабатывают путем его спрямления и приведения [2, с.135−140; 215−217].

Спрямление называют замену нескольких элементов профиля, близких по крутизне, одним эквивалентом:

(1.1)

где i₁, i_2,…, i_k — уклоны спрямленных элементов реального

профиля, %о;

S₁, S₂,., S_k — длины этих элементов, м;

j — порядок номера элемента;

k — общее их количество.

Допустимость спрямления нескольких элементов проверяют по формуле:

(1.2)

где — длина j-ro элемента;

— абсолютная разность между уклонами j-ro элемента i_j и

спрямленного i'_c, %o:

(1.3)

При спрямлении профиля не допускаются объединения элементов разного знака и спрямление элементов, на которых расположена станция, с соседними.

Если условие (1.2) не выполняется, необходимо выбрать другой вариант объедения элементов для спрямления.

Приведением профиля называют замену кривых участков пути фиктивным уклоном i_c", эквивалентным по сопротивлению движению. Величина фиктивного уклона на спрямленном элементе профиля:

(1.4) или (1.5)

где S_kpi и r_kpi — длина и радиус i-й кривой в пределах спрямленного элемента соответственно, м; S_c — длина спрямленного элемента, м; - центральный угол кривой, град; р — количество кривых на спрямленном элементе. Величина всегда положительна, так как кривизна пути увеличивает сопротивление движению.

Окончательное значение уклона элемента спрямленного и приведенного профиля

(1.6)

Величина i_c' может быть положительной (подъем) или отрицательной (спуск), величин i_c" всегда положительна. Уклоны в %о принято указывать с точностью до десятых. Результаты расчета сводят в табл.1.1, в которой приведен пример спрямления и приведения трех элементов реального профиля.

Таблица 1.1

Спрямление и приведение профиля пути

2. Определение силы тяги электровоза

Расчётную силу тяги состава в курсовой работе определяют исходя из условия движения поезда с установившейся скоростью по расчетному подъему, с наибольшей по сцеплению силой тяги. Существуют другие способы определения этой величины [1, §.21; 2, с. 206−209; 3, с. 284 — 286].

В качестве расчетного принимают затяжной подъем наибольшей крутизны i_p. Его находят на основании анализа подготовленного (спрямленного п приведенного) профиля пути. Короткие подъемы, следующие за площадкой или спуском, не являются расчетными даже если i>i_p, так как они могут быть преследованы за счет кинетической энергии поезда, накопленной при движении на предыдущих элементах профиля. Правильный выбор расчетного подъема имеет большое значение, поскольку его величина определяет максимальную массу поезда и, следовательно, в совокупности с другими факторами — провозную способность участка при: использовании электровоза определенной серии.

Расчётная сила тяги электровоза.

(2.1)

где _- расчетная сила тяги электровоза, кН;,

— масса электровоза, т;

— удельное основное сопротивление движению электровозов под током при v_p, Н/кН;

— удельное основное сопротивление движению вагонов при v_p, Н/кН;

i_p — расчетный подъем, %о., выбирается по данным табл.1.1

Удельное основное сопротивление движению электровоза под током независимо от серии можно определить по формуле, Н/кН [1, 2,3]:

(2.2)

где — скорость движения, км/ч.

Удельное основное сопротивление движению состава зависит от типа вагонов и массы, приходящейся на ось вагона. В общем случае для состава, сформированного из вагонов различных типов,

(2.3)

где — доля вагонов i-й группы (по массе) в составе: — удельное основное сопротивление движению i-й группы вагонов. Удельное основное сопротивление движению грузовых вагонов основных типов определяют по следующим эмпирическим формулам, Н/кН [1, 2, 3]: четырехосные груженые вагоны на подшипниках скольжения

⁽2.4)

четырехосные груженые вагоны на подшипниках качения

(2.5)

где — масса приходящаяся на ось вагона, т; - скорость, км/ч.

3. Выбор серии электровоза для заданного участка пути

В таблице 3.1 приведены характеристики электровозов на основании полученных расчётов необходимо выбрать серию электровоза для вашего участка пути.

Таблица 3.1

4. Составление схемы расположения оборудования электровоза

При составлении схемы расположения оборудования студент должен руководствоваться технической литературой, рекомендованной в табл.3.1

Можно пользоваться и другими источниками.

В начале составляется краткая характеристика, отражающая основные технико-экономические, тяговые и весогабаритные особенности.

Содержание схемы расположения оборудования должно давать чёткое представление о главном и вспомогательном оборудовании, исключая несущественные подробности. Если на одной проекции этого достичь не удаётся, то приводится схема в двух проекциях.

Схема должна содержать нумерации агрегатов и спецификацию к ним. При её составлении руководствоваться примерной схемой, показанной на рис. 4.1.

К схеме необходимо дать краткое пояснение работы отдельных узлов и агрегатов, подчёркивая их принципиальную особенность.

Пример. Примерное содержание описания рассмотрим применительно к схеме, изображённой на рис. 4.1.

Разместить все необходимое оборудование на электровозе в сравнительно небольшом объеме, ограниченном габаритом подвижного состава, довольно сложно. Кроме того, оборудование должно быть расположено так, чтобы бригада, обслуживающая электровоз имела сравнительно легкий доступ к наиболее важным машинам, аппаратам и механизмам и прежде всего чтобы были обеспечены безопасность и удобство обслуживания. Вес оборудования должен равномерно распределяться между колесами локомотива.

При компоновке машин и аппаратов должен быть обеспечен минимальный расход проводов, кабелей, воздуховодов, трубопроводов и опорных конструкций для установки оборудования. Одно из требований — обеспечение необходимых изоляционных расстояний: воздушных промежутков от токоведущих частей оборудования и дугогасительных камер аппаратов до заземленных предметов, а также расстояний между дугогасительными камерами отдельных аппаратов.

Располагая электрические аппараты и машины, стремятся защитить их от пыли, влаги и не допустить переброса электрической дуги на заземленные части или аппараты. Расстановку оборудования производят с учетом обеспечения безопасности обслуживающего персонала, создания условий для хорошей видимости сигналов, пути и контактной подвески, снижения шума. Кроме того, учитывают удобство монтажа и демонтажа оборудования во время постройки и ремонта локомотива. Для этого оборудование объединяют в блоки: высоковольтного оборудования (высоковольтная камера), тягового трансформатора, низковольтных силовых аппаратов и т. д. Монтаж и демонтаж оборудования осуществляют через специальные люки на крыше электровоза.

Расположение оборудования в высоковольтной камере во многом зависит от схемы силовых цепей электровоза. В камере устанавливают всю высоковольтную коммутационную и защитную аппаратуру, располагают открытые токоведущие части. Высоковольтную камеру монтируют вне электровоза, а затем устанавливают в кузов краном. На электровозах переменного тока между машинными помещениями и высоковольтными камерами (обычно в средней части кузова) расположено трансформаторное помещение, в котором часть тягового трансформатора находится ниже пола кузова. Там же находятся разъединители выпрямительных установок, реле перегрузки и некоторые другие аппараты.

В машинных помещениях электровоза расположено следующее оборудование: вспомогательные машины, оборудование радиостанции, локомотивной сигнализации, основное пневматическое оборудование. Вспомогательные машины размещают так, чтобы можно было проверить состояние коллекторов и щеток как при пуске, так и во время работы, проверить работу компрессоров, вентиляторов и их подшипников.

Предусмотрен специальный люк для выхода локомотивной бригады на крышу электровоза. На крышах электровозов монтируют токоприёмники, крышевые разъединители, дроссели для подавления помех радиоприёму, разрядники, тифоны, свистки, шины, соединяющие оборудование, размещённое на крыше, главные воздушные резервуары, антенны радиостанции, а на электровозах переменного тока ещё главные выключатели с разъединителями и проходные изоляторы.

Путь и контактную сеть в тёмное время суток освещают лобовыми прожекторами, установленными на крыше с обоих концов кузова. Внутри прожекторов укреплены отражатели света и лампы. Лампы могут гореть либо полным, либо тусклым светом, для этого последовательно с ними включают резистор или отключают его. Рядом с лобовыми прожекторами находятся звуковые сигналы: тифон и свисток.

Кроме прожекторов, на лобовых стенках электровозов устанавливают по два сигнальных буферных фонаря. В зависимости от условий движения эти фонари могут иметь прозрачное или цветные красные стекла. На электровозах некоторых серий каждый буферный фонарь имеет два светильника: один с прозрачным стеклом, другой — с красным. Тот или иной светильник машинист включает, нажимая на кнопки пульта управления.

На буферных брусьях тележек или рамах кузова в зависимости от способа передачи силы тяги устанавливают автосцепки.

При расположении аппаратуры в кабине машиниста основное внимание уделяют компоновке, обеспечивающей для локомотивной бригады максимальное удобство при пользовании аппаратами управления. Размещение оборудования должно обеспечить соблюдение правил техники безопасности и свободное перемещение машиниста и его помощника в кабине. Кресло машиниста должно допускать регулировку по высоте и в горизонтальной плоскости. Это позволит машинисту управлять поездом как сидя, так и стоя.

Все эксплуатируемые на отечественных дорогах магистральные электровозы имеют две кабины машиниста (посты управления), расположенные по концам кузова. В кабине управления, в непосредственной близости от сиденья машиниста с левой стороны находится контроллер. Справа несколько впереди установлен кран машиниста. С помощью этого крана приводят в действие пневматические тормоза поезда и отпускают их. Переводя ручку крана машиниста в различные положения, можно изменять тормозную силу.

Кроме поездного автоматического тормоза, на электровозах имеется вспомогательный тормоз. Для управления вспомогательным тормозом рядом с краном машиниста установлен ещё один кран.

Поездным краном машинист регулирует подачу сжатого воздуха в тормозную магистраль. В зависимости от давления в ней специальные приборы воздухораспределители — либо пропускают сжатый воздух в цилиндры электровоза и вагонов, либо соединяют эти цилиндры с атмосферой.

Вспомогательный кран соединяет главные резервуары с тормозными цилиндрами электровоза в обход воздухораспределителя.

Перед сиденьем машиниста установлена панель с измерительными приборами, показывающими значения напряжения в контактной сети, тока якоря тягового двигателя, давления воздуха в главных резервуарах, тормозной магистрали и других устройствах. На этой же панели размещены сигнальные лампы, а на электровозах переменного тока — и указатель позиций переключателя ступеней.

Вблизи расположен также кнопочный выключатель с кнопками для подъема токоприемников, включения быстродействующего или главного выключателя, пуска вентиляторов насосов и других устройств.

Справа от сиденья машиниста установлена панель с кнопками для подачи сигналов и подсыпки песка. В верху находится скоростемер, вал которого системой рычагов и червячным редуктором связан с шейкой оси передней колесной пары.

По скоростемеру локомотивная бригада определяет скорость движения, время, а также отсчитывает количество километров, пройденных электровозом.

Самопишущее устройство скоростемера отмечает на бумажной ленте пробег электровоза, направление и скорость его движения, продолжительность стоянок, длительность пользования автоматическими тормозами, давление в тормозной магистрали.

В левой стороне кабины находится сиденье помощника машиниста. Около него размещены кнопочный выключатель (кнопки его предназначены для включения прожектора, буферных фонарей, электропечей, освещения кабины, ходовых частей), штурвал ручного тормоза, панель с кнопками для подачи сигналов и панель с измерительными приборами.

В кабине машиниста имеются также радиосвязь и автоматическая локомотивная сигнализация (АЛС), повторяющая сигналы дорожных светофоров. Обычно оборудование в обеих кабинах электровоза расположено совершенно одинаково.

В кузовах электровозов предусмотрены проходы; в зависимости от конструкции локомотива они могут идти вдоль двух продольных сторон кузова, вдоль одной стороны (при этом устраивают вспомогательные переходы), по центру кузова. В каждой секции восьмиосных электровозов монтируют примерно одинаковый набор электрического и пневматического оборудования.

Вход в кабины машиниста в современных отечественных электровозах большинства серий осуществляется через кузов и поперечный проход, расположенный непосредственно за кабиной машиниста.

Рис. 4.1 Расположение оборудования на электровозе ВЛ60^К

1 — кабина машиниста; 2 — компрессор для подъема токоприемника; 3 — мотор-вентилятор; 4 — токоприемник; 5 — блок выпрямительной установки; 6 — блок силовых аппаратов; 7 — резисторы ослабления поля; 8, 9, 18 — панели аппаратов; 10 — разрядник; 11 — антенна радиостанции; 12 — разъединитель; 13 — воздушный выключатель; 14 — блок тягового трансформатора; 15 — распределительный щит; 16 — расщепитель фаз; 17 — разъединитель вентилей; 19 — блок питания радиостанции; 20 — радио станция; 21 — воздухораспределитель; 22 — тифон; 23 — приемная-катушка автостопа; 24 — санузел; 25 — мотор-компрессор; 16 — блок защиты полупроводниковых вентилей; 27 — панель переключателей и предохранителей; 28 — дроссель подавления помех радиоприему; 29 — свисток; 30 — главный резервуар; 31 — аккумуляторная батарея; 32 — блок индукционных шунтов; 33 — сглаживающий реактор; 34 — блок конденсаторов; 35 — блок генераторной защиты.

5. Составляющие принципиальной силовой схемы секций

Познакомившись с отдельными участками силовой цепи электровоза переменного тока и её электрическим оборудованием, рассмотрим теперь для одной секции восьмиосного электровоза с неуправляемыми выпрямителями принципиальную несколько упрощенную силовую схему. Ток от токоприёмника проходит через дроссель ДП, снижающий уровень помех радиоприёму, разъединитель Р, главный выключатель ГВ, первичную обмотку тягового трансформатора на рельсы через колёсные пары.

Две вторичные обмотки а1-О1 и О2-a2 имеют несекционированную и секционированную части, которые могут включаться встречно и согласно. От каждой вторичной обмотки питается отдельный выпрямитель. Наименьшее напряжение 58 В подводится к тяговым двигателям при встречном включении обмоток, наибольшее 1218 В — при их согласном включении. Все переключения во вторичной цепи трансформатора, обеспечивающие ступенчатое регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям, выполняют с помощью главного контроллера. Переключение выводов секционированной обмотки трансформатора производится без разрыва цепи тяговых двигателей; с этой целью применён переходной реактор ПР.

Так как к тяговым двигателям подводится пульсирующий ток, то конструкция их имеет некоторые особенности. Для уменьшения пульсаций (для сглаживания тока) в цепь каждых двух тяговых двигателей после выпрямителя включён сглаживающий реактор СР. Он представляет собой катушку, навитую на стальной сердечник, имеет значительное индуктивное сопротивление и очень малое омическое.

Так как обмотки возбуждения обладают относительно большим индуктивным сопротивлением, переменная составляющая тока почти полностью проходит через резистор, имеющий чисто омическое сопротивление, и лишь незначительная часть её — через обмотку возбуждения. Постоянная составляющая тока распределяется между обмоткой возбуждения и шунтирующим резистором обратно пропорционально омическим сопротивлениям параллельных цепей. Для того чтобы большая часть переменной составляющей тока проходила через резистор, омическое сопротивление его должно быть значительно больше, чем у обмотки возбуждения, и соответствовать ослаблению возбуждения двигателя на 3−5%.

Следовательно, тяговые двигатели электровозов переменного тока постоянно работают в режиме несколько ослабленного возбуждения. Кроме того, предусмотрено три ступени ослабления его, которые получают, включая параллельно обмоткам возбуждения с помощью контакторов резистор R₂ (первая ступень), затем часть его (вторая ступень) и, наконец, только индуктивный шунт ИШ.

Как и на электровозах постоянного тока, направление вращения якорей тяговых двигателей изменяют, переключая их обмотки возбуждения реверсором, контакты PI — PIV которого показаны на схеме. С помощью отключателя ОД можно отсоединить любой из тяговых двигателей в случае его неисправности. Если выйдет из строя какой-либо выпрямитель, его также можно отключить соответствующими отключателями вентилей ВВ. Одновременно отключают и линейные контакторы ЛК в цепи этой же группы двигателей.

Рис. 5.1 Принципиальная силовая схема секций восьмиосного электровоза переменного тока с неуправляемыми выпрямителями.

6. Составление принципиальной схемы вспомогательной цепи

В этом разделе студенту предлагается вычертить вспомогательную цепь по данным своих электровоза и дать пояснения к ней.

Рис. 6.1 Схема вспомогательных цепей электровоза ВЛ60^К

7. Составление схем вентиляции электровоза

В этом разделе предлагается вычертить схему системы вентиляции электровоза по своей выбранной серии электровоза и дать пояснение к ней.

Рис. 7.1 Схема системы вентиляции электровоза переменного тока

8. Составление схем рессорного подвешивания и определение основных динамических параметров электровоза

В этом разделе студенту предлагается выбрать одну из схем рессорного подвешивания электровозов, соответствующую серии электровоза, и описать его работу. Особое внимание уделить передаче вертикальных нагрузок от подрессорной массы к колёсным парам, передаче тягового усиления от колеса на раму тележки и далее на автосцепку. Дать краткую характеристику выбранной схеме рессорного подвешивания к тележке электровоза в целом.

Основные схемы рессорных подвешивании электровозов приведены на рис. 8.1

Рис. 8.1 Рессорное подвешивание электровоза

Основным показателем рессорного подвешивания электровоза является его жесткость в кН/мм

где — жесткость подвешивания тележки, кН/мм

— вес, приходящийся на одну тележку, кН

— статический прогиб подвешивания, мм, который представлен в табл. 8.1

Подрессорный вес определяется из формулы:

где — масса на ось локомотива, т

— количество осей, приходящихся на одну тележку.

Таблица 8.1 Статический прогиб подвешивания

Жесткость подвешивания характеризует величину статической нагрузки в кН, вызывающей статический прогиб в один миллиметр (кН/мм).

Важным параметром, оценивающим динамические качества электровоза, является коэффициент вертикальной динамики, который характеризует увеличение динамической нагрузки на колёсную пару при движении в основном за счёт сил инерции.

где — конструкционная скорость движения, км/час.

Динамическая нагрузка со статической связана соотношением

9. Геометрический расчёт тяговой зубчатой передачи

9.1 Методика расчёта

Определяем силу тяги, реализуемую колёсной парой в часовом режиме:

где — часовая мощность тягового двигателя, кВт;

— часовая скорость электровоза, км/ч

— коэффициент полезного действия зубчатой передачи.

Рассчитываем максимальную силу тяги, реализуемую колёсной парой в момент трогания электровоза:

кН

где — осевая нагрузка, кН;

— коэффициент сцепления колеса с рельсом.

При скорости движения электровоза переменного тока до 40 км/ч коэффициент сцепления можно найти по следующей эмпирической формуле:

Значение скорости в момент трогания принимаем равным нулю. Определяем основные параметры зубчатой передачи. Расчету подлежит модуль зацепления, передаточное число, число зубьев шестерни и зубчатого колеса и, а также величина централи (расстояние между осью колёсной пары и осью тягового двигателя).

По заданным значениям часовой скорости движения электровоза и диаметру бандажа определяем частоту вращения колёсной пары в часовом режиме:

где — диаметр бандажа колеса, м;

— часовая скорость, км/ч.

Максимальная частота вращения колёсной пары принимается из расчёта прочности экипажной части при максимальной скорости

Передаточное число находим из соотношения:

где — частота вращения якоря тягового двигателя при реализации часовой мощности.

где _- линейная скорость якоря тягового двигателя при работе его в часовом режиме, которая принимается в пределах 25 33 м/с. Нижний предел для мощности 300 400 кВт, а верхний 900 950 кВт;

— диаметр якоря тягового двигателя, мм, который определяем из выражения:

Для изоляции класса В принимаем .

Модуль передачи определяется по графику, представленному на рис. 9.1, в зависимости от величины вращающего момента , передаваемого одним концом вала якоря. Здесь К=1 при односторонней передаче и К=2 при двухсторонней передаче тягового усилия.

Двухсторонняя косозубая передача принимается при М_{Я. Ч}>4 кНм, а односторонняя прямозубая передача — при М_{Я. Ч}<4 кНм. Вращающий момент на валу якоря в часовом режиме определяем по формуле:

При выборе централи передачи и числа зубьев шестерни и зубчатого колеса надо учитывать ряд требований, обусловленных органической связью передачи с тяговым двигателем и колёсной парой.

Во-первых, величина централи, т. е. расстояние между центрами зубчатых колес, должна быть согласована с поперечными размерами тягового двигателя. Практикой установлено, что для электровозных двигателей при опорно-осевой подвеске отношение:

Рис. 9.1 Зависимость модуля передачи от вращающего момента

т.е.

Пользуясь этой формулой и зная величину, можно определить рациональную для конструкции тягового двигателя величину централи.

Одновременно величина централи должна быть увязана с параметрами передачи, т.к.

где 0,5 — коррекция зацепления для малой шестерни;

— угол между направлением зуба и образующей делительной окружности зубчатого колеса, т. е. угол наклона зуба, принимаемый для косозубой передачи в пределах 18.20° (для прямозубой передачи =0).

Заменяя выражением, получим:

Из этого выражения можно найти значение, при котором получается требуемая величина централи. Для этого в формулу подставляются найденные ранее величины и. Полученное значение округляется до ближайшего целого числа.

Число зубьев зубчатого колеса определяется по формуле:

Во-вторых, должна быть обеспечена прочность зуба и тела шестерни. Чтобы обеспечить необходимую прочность зуба у основания, минимальное число зубьев у косозубых передач должно быть:

Толщина тела шестерни зависит от разности диаметров делительной окружности шестерни и вала якоря. Диаметр вала якоря зависит от передаваемого вращающего момента и диаметра делительной окружности. Условия прочности будут соблюдаться, если:

В-третьих, зубчатое колесо должно вписываться в габарит подвижного состава. При слишком большом числе зубьев и принятом модуле зацепления не будет обеспечиваться необходимый (по условиям безопасности движения) зазор между кожухом зубчатого колеса и головкой рельса. Максимально возможное число зубьев колеса при косозубой передаче определяется по формуле:

где — наибольший (по условиям вписывания в габарит подвижного состава) диаметр делительной окружности зубчатого колеса.

где — расстояние от нижней точки кожуха зубчатой передачи до головки 1 рельса (для магистральных локомотивов при новом бандаже h=130 мм); - толщина кожуха; - высота головки зуба; - зазор между кожухом и головкой зуба.

В случае невыполнения любого из перечисленных требований необходимо изменить передаточное отношение за счет изменения часовой скорости вращения якоря при сохранении неизменной (заданной) часовой скорости движения электровоза. Предпочтительно корректировку размеров производить в обратном порядке, не изменяя .

По полученным округленным значениям и, корректируется значение и заново подсчитывается, и .

9.2 Пример расчета

Исходные данные:

диаметр бандажа — 1,3 м;

часовая скорость — 46 км/ч;

осевая нагрузка — 250 кН;

часовая мощность тягового двигателя — 350 кВт.

Сила тяги в часовом режиме:

Максимальное значение силы тяги, ограниченное сцеплением колеса с рельсом:

.

Основные параметры зубчатой передачи:

частота вращения колесной пары:

частота вращения якоря:

Передаточное число:

.

Вращающий момент в часовом режиме:

Поэтому принимаем одностороннюю зубчатую передачу: К=1, Р=0.

По графику (рис. 9.1) принимаем модуль зацепления m=11.

Исходя из условия прочности тела шестерни, число ее зубьев принимаем равным:

т.е., тогда число зубьев зубчатого колеса:

Принимаем, тогда уточненный:

Диаметр делительной окружности зубчатого колеса:

.

Проверяем его вписывание в габарит:

т.е. передача вписывается в габарит.

Определяем централь:

Диаметр якоря тягового двигателя:

.

Проверяем соответствие централи габариту:

Рассчитанная передача отвечает условиям прочности и вписывания в габарит подвижного состава.

10. Определение реакций тягового привода на движущую колесную пару и на раму тележки

10.1 Методика расчета

За основу принята опорно-осевая подвеска тягового двигателя при двухсторонней или односторонней зубчатой передаче. При работе привода происходит перераспределение нагрузок от веса тягового двигателя, передающихся на его точки опоры: ось колесной пары и раму тележки (рис. 10.1). Колесная пара движется с установившейся скоростью справа налево в тяговом режиме, причем двигатель подвешен к раме, сзади движущейся оси. Пренебрегая сопротивлением движению в звеньях привода от тягового двигателя до поверхности качения колеса, будем считать, что касательная сила тяги равна максимальной силе тяги создаваемой двигателем, т. е.:

Сила приложена к зубу колеса, — к зубу шестерни. На колесную пару воздействует вращающий момент:

С другой стороны этот момент равен:

Следовательно,

Приложим к оси колесной пары две равные и противоположно направленные силы, равные .

Силы и создадут пару сил, момент которой уравновесит крутящий момент, создаваемый сопротивлением движению и силой тяги. Оставшаяся некомпенсированная сила будет передана на ось колесной пары в точках, А и В зубчатых колес.

Воздействие силы на зуб шестерни двигателя благодаря электромагнитной связи между якорем и корпусом двигателя распределится в установившемся режиме между носиком двигателя С и опорно-осевыми подшипниками O₁ и О₂ обратно пропорционально плечам R и L-R.

В таком случае имеем:

реакция на раму тележки, передаваемая через носик С и конструкцию подвески:

;

реакция, передаваемая на ось колесной пары через один опорно-осевой подшипник:

при, , а при

Рис. 10.1 Схема опорно-осевого подвешивания тягового двигателя.

Направление реакций в приводе, вызванных касательной составляющей давления в зубьях, дано на рис. 10.1, причем силы, направленные вниз, обозначены крестиком, а силы, направленные вверх — точкой.

Как известно, полное давление в зубьях передачи направлено по линии зацепления, вследствие чего дополнительно к реакциям привода появляются реакции, направленные вдоль централи:

,

где — угол зацепления.

Независимо от направления силы, реакции действуют на зубчатое колесо и шестерню так, что стремятся увеличить централь. Через опорно-осевые подшипники и ступицы зубчатых колес они передаются на ось колесной пары и через нее взаимно уравновешиваются.

Реакции не влияют на перераспределение нагрузок между обрессоренными и неподрессоренными частями тележки. Влияние реакции на результирующее давление в опорно-осевых подшипниках невелико. Поэтому в дальнейших расчетах учитываются лишь те реакции привода, которые вызваны касательной составляющей давления в зубьях.

Вес тягового двигателя распределяется между тремя точками опоры приблизительно следующим образом: по приходится на каждый осевой подшипник O₁ и O₂ и — на носик С.

Вес двигателя можно принять при помощи более или равной 700 кВт — Н/кВт, при мощности менее 700 кВт — Н/кВт.

В соответствии с этим результирующие реакции выражаются следующим образом:

Реакция на раму тележки, передаваемая через носик:

Реакция, передаваемая через каждый опорно-осевой подшипник:

Верхний из двойных знаков формул соответствует расположению тягового электродвигателя сзади движущей оси, а нижний знак — расположению двигателя впереди оси.

10.2 Пример расчета

Исходные данные: Р_ч=900 кВт, F_K=F_max=80 кН; D_K=1,3 м; R=0,45 м;

База подвешивания тягового двигателя: L=2,5 м (Р_ч > 700 кВт);

Вес тягового двигателя: С_д=50*900 Н = 45 кН. Реакция на раму тележки:

Реакция на моторно-осевые подшипники:

Отрицательные значения реакций указывают на изменение направления их действия в результате смены направления движения.

11. Расчет резино-металического амортизатора подвески тягового двигателя

11.1 Методика расчета

Для расчета нагрузок, действующих на элементы тяговой передачи, задаются все необходимые параметры, кроме жесткости амортизатора подвески тягового двигателя.

В принятой расчетной схеме (рис. 11.1) амортизатор подвески является единственным упругим элементом, и его параметры в большой мере определяют протекание колебательного процесса. Жесткость «Ж» зависит от марки резины, температуры окружающей среды и конструкции амортизатора. Необходимо определить жесткость амортизатора и сконструировать его по исходным данным.

В отличие от остальных пружин резиновые элементы имеют нелинейную упругую характеристику. Их жесткость зависит от величины предварительного сжатия. Амортизатор подвески состоит из двух резиновых шайб, сжатых между стальными шайбами (рис. 11.1), шайбы амортизатора помимо динамической нагрузки воспринимают силу веса половины двигателя G_д/2, реакцию тягового момента R_T и предварительный натяг Р_П. Предварительный натяг необходим для того. Чтобы исключить «раскрытие амортизатора» (снижение нагрузки на одну из шайб до нуля и появления зазора). Такое положение возможно для верхней шайбы, если реакция на тяговый момент направлена вниз и совпадает с направлением силы веса двигателя, а предварительный натяг недостаточен. Чтобы заведомо исключить такую возможность, примем величину предварительного натяга:

Высота шайбы в свободном состоянии принимается в пределах:

а размеры поперечного сечения определяются из условия прочности. Для условий работы шайб амортизатора, когда они подвергаются действию нагрузок, изменяющихся по асимметричному циклу, относительная деформация при предельной величине сжатия находится в пределах:

допустимое напряжение составляет:

.

Напоминаем, что напряжение в один кПа равно одному кНм², как в ранее принятой технической системе единиц.

.

Ориентировочно площадь рабочего сечения шайбы можно рассчитать по формуле:

.

Здесь коэффициент «2» учитывает приблизительно величину предварительного натяга, а коэффициент (1-) — изменение площади поперечного сечения при сжатии шайбы. Если сила измеряется в кН, напряжение в кПа, то площадь получается в м².

Внутренний диаметр шайбы d_BH определяется по диаметру болта подвески с учетом зазора на радиальное расширение шайбы при ее аксиальном сжатии (рис. 11.1).

Тогда наружный диаметр с учетом площади сечения:

Задаваясь величиной деформации h, по выбранным размерам можно определить характеристику шайбы:

Здесь Е=5*10 кПа — модуль упругости резины; - коэффициент формы для шайбы при осевом сжатии и полном сцеплении торцов резиновой шайбы с металлическими.

Характеристика одной шайбы Р () показана на рис. 11.2 Учитывая допущение о линейности упругой характеристики амортизатора, можно провести расчет следующим образом. Примем жесткость каждой шайбы во всем диапазоне нагрузок такой, как при действии одного предварительного натяга Р = Р_п.

Тогда можно определить величину предварительного сжатия? h = б:

Рис. 11.1 Опорно-осевое подвешивание тягового двигателя

Рис. 11.2 Характеристика шайбы

В соответствии с величиной сжатия шайб, а их жесткость составит

При изменении нагрузки на подвеску общая высота комплекта шайб остается неизменной, а приращение высоты одной шайбы равно уменьшению высоты другой, т. е. величины деформации шайб одинаковы. Две шайбы работают как параллельно соединенные упругие элементы, и жесткость амортизатора в целом:

При приложении рабочей внешней нагрузки Р_P = Р_П:

нижняя шайба сожмется, а верхняя растянется на величину:

Тогда величина деформации верхней и нижней шайб будет:

а нагрузки составят соответственно:

Для того чтобы амортизатор не раскрылся, должно быть выполнено условие: .

При принятой нами величине предварительного натяга это условие выполняется.

Для того чтобы была обеспечена прочность шайб, должно быть выполнено условие: или в развернутом виде

Если это условие не соблюдено, необходимо в допустимых пределах уменьшить предварительный натяг или увеличить наружный диаметр шайб.

Рабочие точки верхней и нижней шайб, соответствующие внешней нагрузке Р_р, показаны точками I и II на характеристике рис. 11.2.

11.2 Пример расчета

Величина предварительного натяга равна 60,5 кН.

Исходные данные. Приняв высоту шайб в свободном состоянии h₀ = 0,09 м, относительную деформацию при предельной величине сжатия е = 0,22 и допустимом напряжении = 4 МПа, рассчитаем площадь рабочего сечения шайбы:

Внутренний диаметр шайбы:

Наружный диаметр (с учетом площади сечения):

Определяем коэффициент формы шайбы при осевом сжатии:

Величина предварительного сжатия шайбы

Жесткость одной шайбы:

Жесткость амортизатора: .

Приложенная внешняя нагрузка Р_П=60,5 км вызовет сжатие нижней шайбы и растяжение верхней шайбы на величину Таким образом, величины деформации верхней и нижней шайб будут: нагрузки составят:

Как видно, h_p=0,076 м > 0, следовательно, условие нераскрытия амортизатора выполняется.

Проверим прочность шайб. Более нагруженной является нижняя шайба, значит:

т.е. условие прочности выполняется.

12. Определение динамических нагрузок элементов тяговой передачи

12.1 Методика расчета

Инерционные динамические нагрузки в зубчатом зацеплении возникают за счет неравномерного вращения якоря. Амплитудное значение углового ускорения якоря можно определить по следующей формуле:

где — угол поворота корпуса двигателя при наезде колесной пары на неровность;

Z_H — высота неровности, выбирается в пределах 0,752,5 мм;

— коэффициент динамики, равный отношению амплитуды колебаний корпуса двигателя при резонансе к статическому значению отклонения;

— круговая частота кинематических возмущений от пути.

Тогда амплитуда динамической нагрузки на зубьях передачи:

где г — радиус делительной окружности шестерни.

В курсовой работе следует принимать скорость движения V максимальной, равной 2У_Ч, длину неровности I принимать равной 2,5 м; коэффициент динамики Н=3.

Момент инерции якоря J_Я, следует принимать равным 70 кгм² при часовой мощности тягового двигателя Р_ч<700 кВт и равным 90 кгм² при Р_Ч 700 кВт; J_K=2000 кгм² при Р_Ч<700 кВт; J_K=2300 кгм² при Р_Ч700 кВт.

Полученное значение динамической нагрузки следует сравнить с тяговым усилием в зубьях шестерни, которое определяется по следующей формуле:

При проверке должно быть: .

Максимальное усилие, действующее на болт подвески, может быть определено по следующему выражению:

.

Полученное значение усилия следует сравнить с реакцией на раму тележки Z_cmax:

12.2 Пример расчета

Примем следующие исходные данные: Р_Ч=800 кВт, следовательно J_Я=90 кгм²; Z_н=0,001 м; L=1,2 м; 1=2,5 м; V_max=120 км/ч; =4; r=0,1.

Сравним полученное значение со значением тягового усилия на зубьях шестерни:

при F_K=80 кН; D_K=1,3; R=0,45 м; = 116кН.

Значит, условие < 1 выполняется.

Максимальное усилие, действующее на болт подвески,

кН.

Условие < 1 выполняется.

13. Оформление курсовой работы

Курсовая работа является техническим документом и должна, в основном, соответствовать требованиям Единой системы конструкторской документации (ЕСКД), регламентированным государственными стандартами ГОСТ 2.104−66 2.105−68.

Курсовая работа должна содержать пояснительную записку и один лист графических работ.

Расчётно-пояснительную записку оформляют в рукописном виде: текст — чернилами или пастой (чёрного, синего или фиолетового цветов) разборчивым почерком на одной стороне листа формата А4 (210×297мм) по ГОСТ 2.301−68, все графики — карандашом на миллиметровой бумаге.

Лист графических работ включает: схему расположения оборудования электровоза на формате А1 (594×841).

Текст записки должен быть написан в первом лице множественного лица, либо в безличной форме. Сокращение слов, кроме общепринятых аббревиатур (КПД, ЭДС, вуз) и сокращений типа «и т.д.» (и так далее), «и др.» (и другие), не допускаются. В текст можно вводить аббревиатуры часто встречающихся терминов, например, тяговый двигатель (ТД), трансформатор (Т), и др., которые сначала вводят и поясняют, а затем используют в тексте. Однако, злоупотреблять такой возможностью не следует.

При написании текста следует оставлять поля: справа, сверху и снизу — не менее 10 мм, слева — не менее 25 мм.

В записке приводят расчётные формулы, подстановку числовых значений и конечный результат вычислений с указанием единиц измерения в соответствии с ГОСТ 8.417−81, использованных в методических указаниях. Обозначения единиц измерения в круглые скобки не заключают. После заголовка точки не ставят.

При оформлении графиков стрелки по концам координатных осей не ставят (при наличии сетки или цифровой шкалы), указывают обозначения величин и размерность, разделяя их запятой. На графике должна быть отмечена, каждая расчётная точка. Номер и наименование рисунка помещают под ним.

Рекомендуется сквозная нумерация рисунков и таблиц, в тексте.

Расчётно-пояснительная записка должна иметь содержание с указанием страниц и названий разделов.

1. Правила тяговых расчётов для поездной работы /МПС, ВНИИЖТ. — М.: Транспорт, 1964.319 с.

2. Осипов С. И. Основы электрической и тепловозной тяги. Учебник для техникумов ж. — д. транспорта. — М.: Транспорт, 1985.408 с.

3. Розельфельд В. Е., Исаев И. П., Сидоров Н. Н., Теория электрической тяги. Учебник для вузов ж.-д. транспорта. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1985.408 с.

4. Грузовые электровозы переменного тока: Справочник /З.М. Дубровский, В. И. Попов, Б. А. Тушканов — М.: Транспорт, 1991.471 с.

5. Электровоз ВЛ 80^С Руководство по эксплуатации /Н.М. Васько, А. С. Девятков, А. Ф. Кучеров и др. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1990.434 с.

6. Как устроен и работает электровоз: / Н. И. Сидоров, Н. Н. Сидорова — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1988.223 с.

7. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизельным поездам. Под. ред. А. И. Тищенко — М.: Транспорт, 1976.

8. Медель В. Б. Подвижной состав электрических железных дорог. — М.: Транспорт, 1974.

9. Рамлов В. А. Тяговые передачи. Программированное задание на курсовую работу для студентов по специальности «Электрификация железнодорожного транспорта». — М.: ВЗИИТ, 1981.

10. Тяговые приводы подвижного состава за рубежом. 5−75−8. М.: НИИинформтяжмаш, 1975.