Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
ВАК 05.22.07 Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 20.15 Организация информационной деятельности
ГРНТИ 20.17 Документальные источники информации
ГРНТИ 20.19 Аналитико-синтетическая переработка документальных источников информации
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.03 Машиноведение и детали машин
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ГРНТИ 55.15 Литейное производство
ГРНТИ 55.16 Кузнечно-штамповочное производство
ГРНТИ 55.18 Сборочное производство
ГРНТИ 55.19 Резание материалов
ГРНТИ 55.20 Электрофизикохимическая обработка
ГРНТИ 55.21 Термическая и упрочняющая обработка
ГРНТИ 55.22 Отделка поверхностей и нанесение покрытий
ГРНТИ 55.23 Производство изделий из порошковых материалов
ГРНТИ 55.24 Производство неметаллических изделий
ГРНТИ 55.29 Станкостроение
ГРНТИ 55.30 Робототехника
ГРНТИ 55.31 Инструментальное производство
ГРНТИ 55.33 Горное машиностроение
ГРНТИ 55.35 Металлургическое машиностроение
ГРНТИ 55.37 Турбостроение
ГРНТИ 55.41 Локомотивостроение и вагоностроение
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.43 Автомобилестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 55.47 Авиастроение
ГРНТИ 55.51 Подъемно-транспортное машиностроение
ГРНТИ 55.53 Строительное и дорожное машиностроение
ГРНТИ 55.55 Коммунальное машиностроение
ГРНТИ 55.57 Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение
ГРНТИ 55.69 Прочие отрасли машиностроения
ГРНТИ 73.01 Общие вопросы транспорта
ГРНТИ 73.29 Железнодорожный транспорт
ГРНТИ 73.31 Автомобильный транспорт
ГРНТИ 73.39 Трубопроводный транспорт
ГРНТИ 73.41 Промышленный транспорт
Определен фактический выход штока унифицированной рычажной передачи для тележек двухосных типа 2 и типа 3 (ГОСТ 9246-2013) с расположением цилиндров 670В на тележке. На основании полученного выхода штока найдена максимально возможная толщина тормозной колодки для применения в эксплуатации. Оценена возможность прохождения крутого затяжного спуска вагоном с разработанной схемой.
рычажная передача, тормозной цилиндр, упругая составляющая, деформация изгиба, тормозная колодка
Введение
В работе [1] был предложен вариант унифицированной схемы рычажной передачи для тележек двухосных типа 2 и типа 3 (ГОСТ 9246-2013) с расположением цилиндров 670В на тележке (рис. 1). Максимальная толщина композиционных колодок для такой схемы составляет 73 мм. Расчет толщины колодки является приближенным, поскольку не учитывает упругую составляющую выхода штока.
Определим фактический выход штока согласно методике [2] и возможную толщину колодок, учитывая размеры и параметры всех конструктивных элементов рычажной передачи. При унификации передаточного отношения и рычажной передачи для вагонов с осевой нагрузкой 23,5 и 25 тс расчетный выход штока также будет постоянным. Для этого сопоставим сочетание максимального усилия на штоке при наибольшем передаточном отношении рычажной передачи и минимального усилия на штоке при наименьшем передаточном отношении.
Рис. 1. Унифицированная рычажная передача
грузовых четырехосных вагонов
Определение диапазона выхода штока тормозного цилиндра и максимальной толщины тормозной колодки в эксплуатации с учетом упругой деформации рычажной системы
Исходные данные к расчетной схеме на рис. 2: a, b - плечи рычага; ,
- площадь и момент инерции сечения стержня распорки (стержень диаметром 42 мм);
- длина распорки по осям соединения с рычагами; e - эксцентриситет между линией, вдоль которой приложена нагрузка, и осью стержня в средней части распорки;
- площадь сечения винта регулятора тормозного цилиндра;
- рабочая длина винта регулятора (
- длина наконечника,
- выход винта относительно поршня);
.
В шарнирном соединении цилиндра и тормозной балки, головке штока цилиндра и соединенном со штоком конце рычага запрессованы стальные втулки. Рассмотрен вариант установки втулок КПМ в шарнирном соединении оси и тормозной балки. В головке рычага, соединенной с распоркой, в средней части рычага, а также в головках распорки запрессованы втулки КПМ.
Для схемы рычажной передачи на рис. 2 с максимальным передаточным отношением =4,88 плечи рычага a=371 мм, b=129 мм, с минимальным передаточным отношением
=4,82 - a=369 мм, b=131 мм;
,
,
,
,
,
.
Максимальное усилие на штоке при полном служебном торможении груженого вагона:
;
кН (910 кгс). (1)
Здесь (20,3 см) - диаметр цилиндра;
- максимальное значение давления в тормозном цилиндре для груженого вагона при полном служебном торможении;
- КПД цилиндра;
кН (120,05 кгс);
- КПД рычажной передачи.
Определим деформации в элементах рычажной передачи с учетом максимального выхода винта регулятора (с дополнительным наконечником). Поскольку шток имеет небольшую длину и значительную жесткость, в расчете его упругую деформацию не учитываем.
- Деформация винта регулятора В1. Учитывая наличие стальных втулок в головке штока, для винта определим только деформацию стержня с наконечником.
;
.
2. Деформация рычага Р1 в средней части:
2.1. Величина деформации в средней части рычага при изгибе:
кН;
кН.
Рис. 2. Схема рычажной передачи (изменение положений тормозных балок при различных
положениях рычага не показано)
;
(2)
2.2. Радиальная податливость втулок в рычаге (приведена к средней части). Определим перемещения в средней части рычага (в точке приложения силы
), вызванные податливостью втулок. К втулке КПМ 40,2х24 (рабочая длина
=22,5 мм) приложена сила
.К двум параллельно работающим втулкам рычага КПМ 30,2х12 приложена сила
(рабочая суммарная длина
=21 мм). Сила
приложена к стальной втулке, в связи с чем элемент формулы, связанный с указанной силой, не учитываем.
Для втулок КПМ 40,2:
. (3)
Для втулок КПМ 30,2:
; (4)
;
мм. (5)
Суммарно: ;
мм.
Упругая составляющая на штоке: ;
мм.
3. Деформация распорки. Учитывается половина общей деформации сжатия и изгиба распорки, а также податливость одной из двух втулок.
3.1. Общая деформация сжатия и изгиба распорки определяется по формуле, приведенной в [3]:
;
.
3.2. Радиальная податливость втулки КПМ 30,2х24 в концевых частях распорки (в приведенном варианте запрессовано по 3 втулки в каждую головку). Рабочая длина втулки =22,5 мм.
Податливость втулки распорки в соответствии с формулой (3):
;
мм.
Суммарно: мм.
Упругая составляющая на штоке от сжатия распорки и податливости втулок:
;
мм.
Упругая составляющая штока без учета деформаций тормозных балок:
;
мм.
4. Определим деформации изгиба тормозной балки в точках приложения усилий от тормозного цилиндра и рычага, а также радиальную податливость запрессованных в отверстия балки втулок.
4.1. Расчет деформаций изгиба (а также напряжений) производился по методу конечных элементов (МКЭ) и формулам сопротивления материалов. Расчет по МКЭ показал, что в зоне выштамповки в средней части нижнего листа балки возникают значительные напряжения (близкие к допускаемым для выбранной стали) и деформации. Расчет по формулам сопротивления материалов, не учитывающий конфигурацию выштамповки листа, показал существенно меньший уровень напряжений и деформаций, в связи с чем конструкция балки была пересмотрена (нижний лист выполнен плоским в средней части, укорочен валик соединения распорки и рычага). Были получены результаты расчетов деформаций и напряжений по МКЭ, близкие к результатам расчетов по формулам сопротивления материалов. Результаты расчетов деформаций по МКЭ показаны на рис. 3.
Деформация изгиба в точке приложения усилия
мм.
Деформация изгиба в точке приложения усилия
мм.
4.2. Деформации втулок в точке приложения усилия -
. В точке приложения усилия
установлены втулки из стали, деформацию втулок не учитываем. Рабочая длина двух параллельно работающих втулок КПМ 40,2х12
=21 мм.
мм.
Рис. 3. Схема распределения деформаций в тормозной балке при воздействии
максимально возможных тормозных усилий в рычажной передаче
Упругая составляющая выхода штока от деформаций тормозных балок:
;
мм.
Суммарная упругая составляющая выхода штока рычажной передачи с учетом деформаций тормозных балок:
;
.
Пределы выхода штока при максимальных усилиях и деформациях:
;
;
;
,
где 5 и 8 - соответственно минимальный и максимальный средние нормативные зазоры между колодкой и колесом . В данном случае рассмотрены пределы выхода штока при максимально возможных величинах усилий (в том числе наибольшем передаточном отношении) и деформаций в рычажной передаче.
Необходимо уточнить значения при наименьших усилиях и деформациях. Произведем расчет аналогично приведенному выше. В исходных данных для расчета используем следующие характеристики:
- минимальное значение давления в тормозном цилиндре для груженого вагона при полном служебном торможении;
; a=369 мм; b=131 мм. При этом расположение шарнира на тормозной балке не изменится.
Получим согласно формуле (1): кН;
кН;
кН.
- Деформация винта регулятора В1:
мм.
2. Деформация рычага Р1 в средней части:
2.1. При изгибе рычага, согласно формуле (2), мм.
2.2. Радиальная податливость втулок по формулам (3-5): мм.
Суммарно: ;
мм.
Упругая составляющая на штоке: мм.
3. Деформация распорки:
3.1. Общая деформация сжатия и изгиба распорки [3]: мм.
3.2. Радиальная податливость втулки распорки в соответствии с формулой (4): мм.
Суммарно: мм.
Упругая составляющая на штоке от сжатия распорки и податливости втулок: .
Упругая составляющая на штоке без учета деформаций тормозных балок:
;
.
4. Деформации изгиба и податливость втулок тормозной балки в точках приложения наименьших усилий от тормозного цилиндра и рычага:
4.1. Расчет деформаций изгиба произведем с помощью МКЭ.
Деформация изгиба в точке приложения усилия
мм.
Деформация изгиба в точке приложения усилия
мм.
4.2. Деформации втулок в точке приложения усилия
мм.
Упругая составляющая выхода штока от деформаций тормозных балок:
;
мм.
Суммарная упругая составляющая выхода штока рычажной передачи с учетом деформаций тормозных балок:
;
мм.
Пределы выхода штока при максимальных усилиях и деформациях:
;
мм;
;
мм.
В данном случае рассмотрены пределы выхода штока при минимально возможных величинах усилий (в том числе наименьшем передаточном отношении) и деформаций в рычажной передаче.
Таким образом, диапазон значений выхода штока для систем с наименьшими и наибольшими деформациями, предполагающий зазоры между колодкой и колесом не менее 5 и не более 8 мм, составит
мм.
При
=5,4…8 мм; при
=5…7,5 мм.
При максимальном значении выхода штока (47 мм) определим допускаемую для рассмотренной системы толщину колодки:
;
мм.
Здесь суммарный выход винта и штока мм (выход винта относительно поршня - 245 мм, рабочий ход поршня - 100 мм);
мм - «нормативный» максимальный выход штока;
=4,88.
Максимальная толщина полномерной колодки соответственно составит 71 мм. Это значение превышает максимально возможную толщину применяемых колодок (65+5мм) согласно техническим требованиям [4].
Оценка возможности применения цилиндра 670В в разработанной тормозной системе при торможении вагона на крутом затяжном спуске
На основании известной формулы [3] для рассмотренной схемы определим необходимый максимально допустимый выход штока в эксплуатации (максимальный выход штока, полученный с учетом износа колодок на крутом затяжном спуске).
где - выход штока от упругих деформаций (упругая составляющая) рычажной передачи;
- объемный износ композиционной тормозной колодки (83 см3);
- число тормозных колодок, действующих на одно колесо (для четырехосных вагонов - одна);
- площадь трения композиционной тормозной колодки (290 см2);
- средний зазор между тормозной колодкой и колесом,
= 0,5…0,8 см;
.
С учетом = 0,8 см (8 мм) и
= 1,025 см (10,25 мм) определяем
(63 мм). Таким образом, максимальный выход штока, полученный с учетом износа колодок на крутом затяжном спуске, для цилиндра не превышает рабочего хода штока (100 мм).
Выводы
- Для рассмотренной модели рычажной передачи [1] определена максимальная толщина композиционных тормозных колодок. Она составляет 71 мм, что позволяет применять в эксплуатации колодки с максимально допустимой толщиной (65+5 мм) до их полного износа.
- Определен выход штока тормозного цилиндра, учитывающий все упругие деформации рычажной передачи:
мм при зазорах между колодками и колесами
=5,4…7,5 мм (при нормативе
- Определен максимальный выход штока тормозного цилиндра 670В в рассмотренной системе (
мм), учитывающий полученную по результатам расчетов упругую составляющую (
=10,25 мм), максимальный зазор между колодкой и колесом (
=83 см3). Эта величина не превышает рабочего хода шока (100 мм), что подтверждает возможность применения разработанной рычажной передачи с цилиндром 670В в эксплуатации.
1. Синицын, В.В. Вариант применения цилиндра со встроенным регулятором рычажной передачи в тормозной системе тележки грузового вагона / В.В. Синицын, В.В. Кобищанов, В.И. Сакало // Вестник Брянского государственного технического университета. – 2017. – № 4. – С. 19-23.
2. Синицын, В.В. Методика расчета выхода штока тормозного цилиндра грузовых четырехосных вагонов с учетом упругой составляющей / В.В. Синицын // Тяжелое машиностроение. – 2015. – Вып. 6. – С. 19-23.
3. Расчет и проектирование пневматической и механической частей тормозов вагонов / П.С. Анисимов, В.А. Юдин, А.Н. Шмаков, С.Н. Коржин; под ред. П.С. Анисимова. – М.: Маршрут, 2005. – 248 с.
4. Технические требования к тормозному оборудованию грузовых вагонов постройки заводов РФ. Типовой расчет тормоза грузовых и рефрижераторных вагонов. – М.: МПС РФ, 1996. – 77 с.
