Расчет оси колесной пары на прочность

Расчет оси колесной пары на прочность

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Кафедра "Муниципальный пассажирский транспорт"

КУРСОВАЯ РАБОТА

Расчет оси колесной пары на прочность

по дисциплине:

"Конструкции и расчет электрической и механической части электрического транспорта"

САМАРА

Введение

В курсовой работе выполняется расчет колесной пары на прочность. Для расчета необходимо определить максимальные нагрузки на ось, а именно действие статических нагрузок с учетом вертикальной динамики на ось колесной пары, действие боковых сил на ось колесной пары, действие инерционных нагрузок при экстренном торможении на ось колесной пары, действие дискового осевого тормоза с односторонним нажатием тормозных колодок на ось колесной пары и действие суммарных нагрузок. Нагрузки не должны превышать допустимых напряжения, которые для шейки оси колесной пары, принимают равными 1200 (кгс/см²), для остальных сечений оси: 1400 (кгс/см²).

ось нагрузка вагон кузов

1. Исходные данные

Тара вагона -  (кгс),

Полный расчетный вес вагона при максимальной пассажирской нагрузке -  (кгс),

Вес тележки -  (кгс),

Вес оси колесной пары -  (кгс),

Расстояние между центрами шеек оси -  (мм),

Расстояние от центра тяжести вагона до пятника -  (мм),

Диаметр колеса -  (мм),

База вагона -  (мм),

База тележки -  (мм),

Высота центра тяжести тележки над плоскостью осей -  (мм).

. Расчетная часть

Расчет оси от действия статических нагрузок с учетом вертикальной динамики

Приняв статический прогиб упругого подвешивания (см) при конструктивной скорости (км/ч), коэффициент вертикальной динамики определяем по формуле:

, (2.1)

где  - коэффициент, равный 0,10 для обрессоренных частей тележки вагона и 0,15 для необрессоренных;

 - конструктивная скорость экипажа (75 км/ч - для трамвая);

 - статический прогиб упругого подвешивания, может быть принят от 14 до 19 см.

Таким образом:

.

Нагрузка, приходящаяся на шейку оси колесной пары определяется по формуле:

, (2.2)

где:  - число осей ходовой части вагона;

 - коэффициент вертикальной динамики;

 - вес колесной пары с буксами и редуктором, (кгс);

 - статическая нагрузка, которая состоит из веса тары вагона и пассажиров при максимальной степени наполнения пассажирского салона.

Тогда, нагрузка, приходящаяся на шейку оси колесной пары будет равна:

 (кгс).

Максимальный изгибающий момент в вертикальной плоскости при м определяется по формуле:

, (2.3)

где  - нагрузка, приходящаяся на шейку оси колесной пары, (кгс);

 - расстояние от середины шейки оси до середины круга катания колеса. Для трамвайных вагонах принимаем

Таким образом, максимальный изгибающий момент в вертикальной плоскости будет равен:

 (кгм).

Расчет оси от действия боковых сил

Боковая сила, приходящаяся на ось, определится по формуле:

, (2.4)

где  - суммарная боковая сила, действующая на вагон от центробежных и ветровых нагрузок,  (кгс);

 - число осей ходовой части вагона;

 - коэффициент, учитывающий увеличение нагрузки на ось за счет трения между ребордой колеса и головкой рельса при вписывании вагона в кривую, в расчете принимается равным 1,2;

 - статическая нагрузка, которая состоит из веса тары вагона и пассажиров при максимальной степени наполнения пассажирского салона, (кгс).

Тогда, боковая сила, приходящаяся на ось составит:

(кгс).

Нагрузка на шейку оси от перераспределения веса вагона при действии боковой силы подсчитывается по формуле:

, (2.5)

где  - расстояние от центра тяжести вагона до оси, (м);

 - боковая сила, приходящаяся на ось, (кгс);

 - расстояние между центрами шеек осей, (м).

Расстояние от центра тяжести вагона до плоскости может быть ориентировочно подсчитано по формуле:

(м), (2.6)

где  - координата центра тяжести кузова вагона до плоскости пятников, (м);

 - диаметр колеса, (м).

Тогда:

(м).

Таким образом, нагрузка на шейку оси от перераспределения веса вагона при действии боковой силы будет равна:

(кгс).

Максимальный изгибающий момент под опорой оси реакции рельса определяется по формуле:

, (2.7)

 - коэффициент, равный 0,10 для обрессоренных частей тележки вагона и 0,15 для необрессоренных.

Тогда максимальный изгибающий момент под опорой оси реакции рельса составит:

(кгм).

Изгибающий момент в том же сечении от боковой реакции рельса составит

, (2.8)

где  - боковая сила, приходящаяся на ось, (кгс);

 - диаметр колеса, (м).

(кгм).

Расчет оси от действия инерционных нагрузок при экстренном торможении

Инерционная сила от массы кузова определяется по формуле:

ось нагрузка вагон кузов

, (2.9)

где  - вес кузова с пассажирами;  (кгс);

- вес тележки, (кгс);

 - статическая нагрузка, которая состоит из веса тары вагона и пассажиров при максимальной степени наполнения пассажирского салона, (кгс);

 - замедление, (м/c).

Замедление для вагонов, оборудованных рельсовым электромагнитным тормозом, можно принять равным 33,5 м/c.

Тогда инерционная сила кузова составит:

 (кгс).

Вертикальная нагрузка на шейку оси колёсной пары от инерционных сил кузова определяется по формуле:

, (2.10)

где  - база вагона, (м);

 - инерционная сила кузова, (кгс);

 - число осей тележки;

 - расстояние от центра тяжести вагона до пятника, (м);

 - расстояние от плоскости пятников до оси колесной пары, (м);

 - база тележки, (м).

Таким образом, вертикальная нагрузка на шейку оси составит:

(кгс).

Инерционная нагрузка от массы тележки определяется по формуле:

, (2.11)

где  - инерционная сила кузова, (кгс);

- вес тележки, (кгс);

 - вес кузова с пассажирами;  (кгс).

Тогда, инерционная нагрузка от массы тележки будет равна:

(кгс).

Вертикальная добавка на шейку оси от инерционных сил тележки определяется по формуле:

, (2.12)

где - расстояние от центра тяжести тележки до плоскости осей колесных пар, (м);  - инерционная нагрузка от массы тележки, (кгс);  - база тележки, (м).

Тогда, вертикальная добавка на шейку оси от инерционных сил тележки будет равна:

(кгс).

Суммарная нагрузка на шейку оси колесной пары от действия инерционных сил будет равна:

(кгс). (2.13)

Максимальный изгибающий момент в вертикальной плоскости определяется по формуле:

, (2.14)

где  - суммарная нагрузка на шейку оси колесной пары от действия инерционных сил, (кгс);  - коэффициент, равный 0,10 для обрессоренных частей тележки вагона и 0,15 для необрессоренных.

Таким образом, максимальный изгибающий момент в вертикальной плоскости будет равен:

(кгм).

Расчет оси от действия дискового осевого тормоза с односторонним нажатием тормозных колодок. Примем расстояние от центра приложения равнодействующих сил трения  до оси равным мм. Тогда тормозная сила  определится по формуле:

, (2.15)

где:  - коэффициент сцепления колеса с рельсом. В расчетах может быть принят равным 0,250,3;

 - число осей ходовой части вагона;

 - сила сцепления, (кгс).

Таким образом, тормозная сила составит:

(кгс).

Максимальный изгибающий момент в горизонтальной плоскости от сил  определяется по формуле:

, (2.16)

где:  - тормозная сила, (кгс);

 - коэффициент, равный 0,10 для обрессоренных частей тележки вагона и 0,15 для необрессоренных.

Тогда, максимальный изгибающий момент в горизонтальной плоскости от сил  будет равен:

(кгм).

Равнодействующая сил трения  равна:

 (2.17)

где: ;

(кгс).

Крутящий момент М_т в средней плоскости оси равен

 (2.18)

где:  - равнодействующая сил трения, (кгс);

 - расстояние от центра приложения равнодействующих сил трения  до оси.

Расчет оси на суммарные нагрузки

Наибольший момент ось колесной пары испытывает в подступичной части.

По аналогии с осью колесной пары вагонов МТВ примем диаметр оси в этом сечении d = 128 мм.

Момент сопротивления изгибу будет равен:

 . (2.19)

где:  -диаметр оси колёсной пары, (кгс).

 (см).

Момент сопротивления кручению равен:

. (2.20)

где:  -диаметр оси колёсной пары.

 (см).

Действующие напряжения при изгибе и кручении в соответствующих плоскостях определяются по формулам:

действующее напряжение при изгибе в вертикальной плоскости

 (2.21)

где:  - суммарный максимальный изгибающий момент в вертикальной плоскости,

W- момент сопротивления изгибу.

(кгс/см²).

действующее напряжение при изгибе в горизонтальной плоскости

 (2.22)

где:  - максимальный изгибающий момент в горизонтальной плоскости,

W- момент сопротивления изгибу.

(кгс/см²).

действующее напряжение при кручении

 (2.23)

где:  - максимальный крутящий момент,

W- момент сопротивления изгибу.

(кгс/см²).

Эквивалентное напряжение в сечении составит:

 (2.24)

где:  - действующее напряжение при изгибе в горизонтальной плоскости,  действующее напряжение при изгибе в горизонтальной плоскости,  действующее напряжение при кручении .

(кгс/см²).

Допускаемое напряжение для шейки оси колесной пары принимается равным 1200 (кгс/см²), для остальных сечений оси: 1400 (кгс/см²). Следовательно полученное напряжение не превышает допустимых значений. Ось колёсной пары в опасном сечении проходит по условиям прочности, но имеет почти двойной запас прочности по допускаемым напряжениям. Следовательно, может быть облегчена за счёт уменьшения диаметра.

Расчет оси колёсной пары на усталость:

Момент сопротивления изгибу и действующие напряжения в переходном сечении оси будут равны:

. (2.25)

где:  - диаметр оси колёсной пары.

(кгс/см²).

действующее напряжение при изгибе в вертикальной плоскости

(кгс/см²). (2.26)

где:  - суммарный изгибающий момент в вертикальной плоскости,

W- момент сопротивления изгибу.

(кгс/см²).

действующее напряжение при изгибе в горизонтальной плоскости

 (2.27)

где:  - суммарный изгибающий момент в горизонтально йплоскости,

W- момент сопротивления изгибу.

(кгс/см²).

действующее напряжение в переходном сечении

 (2.28)

где:  - действующее напряжение при изгибе в горизонтальной плоскости,

 действующее напряжение при изгибе в горизонтальной плоскости.

(кгс/см²).

Используя таблицу, находим пределы усталости нормальних образцов (кгс/см²).

По отношению радиуса галтели r к диаметру шейки оси d:

,

определяем значение .

По отношению диаметров предступичной части D шейки оси d:

,

Находим значение .

Значение коэффициента концентрации напряжений образца :

. (2.29) 

Коэффициент концентрации напряжений оси в расчётном сечении

Предел усталости оси при изгибе :

 (2.30)

где:  -предел усталости ,

 коэффициент концентрации напряжений оси в расчётном сечении.

Запас усталости при изгибе :

 (2.31)

где:  -предел усталости ,

эквивалентное напряжение.

Минимальным допустимым запасом прочности является величина

Расчётное сечение оси не проходит по запасам прочности. Необходимо увеличить диаметр оси в опасном сечении. Принимаем

Момент сопротивления изгибу

Действующие напряжения :

действующее напряжение при изгибе в вертикальной плоскости

 (2.32)

где:  - суммарный изгибающий момент в вертикальной плоскости,

W- момент сопротивления изгибу.

(кгс/см²).

действующее напряжение при изгибе в горизонтальной плоскости

 (2.33)

где:  - суммарный изгибающий момент в горизонтальной плоскости,

W- момент сопротивления изгибу.

(кгс/см²).

действующее напряжение в переходном сечении

 (2.34)

где:  - действующее напряжение при изгибе в горизонтальной плоскости,

 действующее напряжение при изгибе в горизонтальной плоскости.

(кгс/см²).

Таким образом запас прочности :

. (2.35)

где:  -предел усталости ,

эквивалентное напряжение.

Вывод: Расчётное сечение оси проходит по усталости.

Заключение

В результате расчетов были определены нагрузки, действующие на ось колесной пары и сделан вывод о том, что расчетная нагрузка не превышает допустимого значения. Ось колесной пары в опасном сечении проходит по условиям прочности, и имеет запас прочности равный 1,7 по допускаемым напряжениям. С учетом рассчитанных нагрузок выполнено построение эпюр изгибающих моментов, из которых видно, что наибольший изгибающий момент от рассчитанных нагрузок действует в подступичной части левого колеса.