учебное пособие
.pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»
Кафедра “Вагоны и вагонное хозяйство”
В.Н. Котуранов, М.П. Козлов
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ЭКСПЕРТНЫХ ОЦЕНОК РАБОЧИХ КАЧЕСТВ УНИВЕРСАЛЬНОГО ГРУЗОВОГО ВАГОНА (на примере цистерны модели 15-1443)
Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
для студентов специальности “Подвижной состав железных дорог” специализация
“Вагоны”
МОСКВА – 2013
УДК 629.46 К 738
Котуранов В.Н., Козлов М.П. Технологическая последовательность экспертных оценок рабочих качеств универсального грузового вагона (на примере цистерны модели 15-1443): Учебное пособие. – М.: МИИТ, 2013. – 147 с.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности “Подвижной состав железных дорог”.
В предлагаемой работе приводятся пример расчетных оценок технико-экономических и технических характеристик цистерны, в которой осуществляется перевозка грузов различной номенклатуры. Последовательность выполняемых расчетов относится к любым типам грузовых вагонов.
Целью данного учебного пособия является иллюстрация технологии экспертизы с учетом применения результатов анализа простейших математических моделей работы вагона.
Рецензенты:
Д.т.н., проф. кафедры «Подвижной состав железных дорог» БГТУ Кобищанов В.В.
Д.т.н., проф. кафедры «Высшая математика» МИИТ Корольков Е.П.
© МИИТ, 2013
-3-
Содержание
Введение......................................................................................................... |
4 |
1. ОЦЕНКА ОПТИМАЛЬНОСТИ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ И |
|
ВПИСЫВАНИЕ ВАГОНА В ГАБАРИТ..................................................... |
6 |
1.1 Исходные данные ................................................................................ |
6 |
1.2 Расчет технико-экономических характеристик, связанных |
с |
оценкой оптимальности линейных размеров, с учетом ограничений,
накладываемых на конструкции грузовых вагонов................................ |
9 |
2. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
КУЗОВОВ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ.......................................................... |
23 |
|
2.1 |
Оценка механической прочности кузова вагона............................. |
23 |
2.2 |
Оценка усталостной долговечности кузова вагона........................ |
38 |
3. ПРОВЕРКА СООТВЕТСТВИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ХОДОВЫХ |
|
|
КАЧЕСТВ ВАГОНА ТРЕБОВАНИЯМ СОВРЕМЕННЫХ «НОРМ» .... |
44 |
|
3.1 |
Общие сведения................................................................................. |
44 |
3.2 |
Определение коэффициентов вертикальной и горизонтальной |
|
динамики и амплитуды ускорений колебательного процесса............. |
46 |
3.3. Вычисление коэффициента запаса устойчивости колеса от
вкатывания на головку рельса................................................................ |
56 |
|
4. РАСЧЕТЫ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ |
|
|
ВАГОНА....................................................................................................... |
63 |
|
4.1. Боковая рама тележки...................................................................... |
63 |
|
4.2 |
Колесные пары ходовых частей вагона........................................... |
76 |
4.3 |
Буксовые узлы ходовых частей........................................................ |
82 |
5. ПРОВЕРКА СООТВЕТСТВИЯ ТРЕБОВАНИЯМ «НОРМ» |
|
|
ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УДАРНО-ТЯГОВЫХ УСТРОЙСТВ........ |
88 |
|
5.1 |
Поглощающий аппарат..................................................................... |
88 |
5.2 |
Исследование кинематических особенностей взаимодействия |
|
автосцепок соседних вагонов................................................................. |
96 |
6. ПРОВЕРКА СООТВЕТСТВИЯ «НОРМАМ…» ВЫБРАННОГО ТОРМОЗНОГО ОБОРУДОВАНИИЯ ПО УСЛОВИЯМ БЕЗОПАСНОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИИ ВАГОНА .................................................................. |
108 |
7. ПРОВЕРКА ВАГОНА НА СООТВЕТСТВИЕ УСЛОВИЯМ |
|
БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ В СОСТАВЕ ПОЕЗДА...................... |
121 |
7.1. Расчёт устойчивости вагона от вкатывания гребня колеса на рельс
под действием продольных сил............................................................ |
121 |
7.2. Расчет устойчивости вагона от опрокидывания наружу и внутрь
кривой..................................................................................................... |
128 |
Приложение ............................................................................................... |
137 |
ЛИТЕРАТУРА........................................................................................... |
147 |
-4-
Введение
В предлагаемой работе приводится пример расчетных оценок технико-экономических и технических характеристик вагона-цистерны, в которой осуществляется перевозка достаточно широкой номенклатуры грузов.
По нашему мнению, такие расчеты должны выполняться с целью экспертных оценок технических и экономических показателей, обеспечивающих целесообразность эксплуатации вагона с учетом требований безопасности движения, установленных нормативной документацией, и коммерческих соображений.
Цель примера заключается в иллюстрации технологии экспертизы и потому применяются результаты анализа простейших математических моделей работы вагона.
Экспертиза носит эскизный характер.
При применении более мощных моделей схема экспертизы сохраняет свою последовательность. Она остается приемлемой и для других типов универсальных грузовых вагонов. Поэтому приводится информация, характеризующая их работу.
Авторы хотели бы подчеркнуть, что грамотное принятие решений по конструкции вагона должно
-5-
основываться на выборе наиболее эффективных линейных размеров кузова. Они определяют погрузочные возможности вагона, его тару, основные инерционные характеристики, оказывающие доминирующее влияние на ходовые качества и безопасность движения. Конструкция ходовых частей должна быть подчинена этим характеристикам и потому безотносительная, не связанная с параметрами кузова, разработка ходовых частей грузового вагона малоэффективна. Работа по созданию одного типа тележки под все виды кузовов грузовых вагонов не имеет перспективы.
В идеальном случае и ударно-тяговые приборы и автотормозное оборудование должно согласовываться с характеристиками кузова вагона.
-6-
1. ОЦЕНКА ОПТИМАЛЬНОСТИ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ И ВПИСЫВАНИЕ ВАГОНА В ГАБАРИТ
1.1Исходные данные
1.Тип вагонов – грузовые вагоны (см. задание на КП).
2.Работа вагонов характеризуется следующими показателями:
Таблица 1.1
Характеристики основных грузов, перевозимых в вагонах
|
|
Ср. |
Доля |
Удельный |
|
№ |
|
перевозок в |
|||
Груз |
дальность |
общем |
объем |
||
п/п |
перевозок |
груза v, |
|||
|
объеме |
||||
|
|
l, (км) |
(м3/т) |
||
|
|
3 |
а , (%) |
|
|
1 |
2 |
4 |
5 |
||
|
Полувагоны |
2457 |
|
|
|
1 |
Каменный уголь |
32,2 |
0,83 |
||
2 |
Кокс |
2312 |
1,3 |
1,67 |
|
3 |
Торф и торфяная продукция |
291 |
0,1 |
2,00 |
|
4 |
Флюсы |
643 |
1,8 |
0,71 |
|
5 |
Руда железная и марганцевая |
916 |
12,8 |
0,50 |
|
6 |
Руда цветная и серное сырьё |
1233 |
3,4 |
0,43 |
|
7 |
Черные металлы |
2316 |
8,9 |
0,50 |
|
8 |
Метизы |
2145 |
1,0 |
0,40 |
|
9 |
Лом черных металлов |
925 |
3,3 |
0,50 |
|
10 |
Строительные грузы |
642 |
27,0 |
1,43 |
|
11 |
Пром. сырьё и форм. материалы |
793 |
2,3 |
1,11 |
|
12 |
Лесные грузы |
2317 |
5,8 |
1,43 |
|
|
Цистерны для перевозки темных нефтепродуктов |
|
|||
1 |
Нефть |
1200 |
41,9 |
1,170 |
|
2 |
Мазут |
1200 |
48,5 |
1,047 |
|
3 |
Смазочные масла |
1200 |
9,6 |
1,095 |
|
|
Цистерны для перевозки светлых нефтепродуктов |
|
|||
1 |
Бензин |
696 |
40,2 |
1,361 |
|
2 |
Керосин |
900 |
22,3 |
1,250 |
|
3 |
Дизельное топливо |
700 |
37,5 |
1,212 |
-7-
1 |
2 |
|
3 |
4 |
5 |
|
Цистерны для перевозки |
сжиженных |
газов |
|
|
1 |
Пропан |
|
1400 |
23,3 |
1,709 |
2 |
Пропилен |
|
1400 |
1,3 |
1,642 |
3 |
Бутан |
|
1400 |
51,4 |
1,667 |
4 |
Изобутан |
|
1400 |
3,5 |
1,684 |
5 |
Изопентан |
|
1400 |
3,2 |
1,610 |
6 |
Пентан |
|
1400 |
17,3 |
1,570 |
|
Специализированные цистерны для перевозки опасных грузов |
||||
1 |
Аммиак |
|
1409 |
100 |
1,47 |
2 |
Хлор |
|
1100 |
100 |
0,68 |
3 |
Азотная кислота 25% |
|
1000 |
100 |
0,87 |
4 |
Азотная кислота 91% |
|
1200 |
100 |
0,665 |
5 |
Серная кислота 60% |
|
900 |
100 |
0,54 |
6 |
Серная кислота 40% |
|
1000 |
100 |
0,835 |
|
Крытые вагоны |
|
|
||
1 |
Зерно товарное |
|
1434 |
43,2 |
1,333 |
2 |
Сахар |
|
1642 |
15,3 |
1,181 |
3 |
Бумага |
|
2778 |
13,2 |
1,053 |
4 |
Комбикорма |
|
1370 |
4,0 |
1,847 |
5 |
Пром. товары нар. потребления |
|
3367 |
11,3 |
1,201 |
6 |
Продукты перемола |
|
1970 |
13,0 |
1,695 |
|
Платформы |
|
|
|
|
1 |
Песок, глина, грунт влажные |
|
190 |
34,2 |
vуд=0,555 |
2 |
Щебень гранитный |
|
430 |
29,3 |
vуд=0,625 |
3 |
Лесные грузы |
|
2317 |
6,1 |
vуд=1,43 |
4 |
Строительные грузы |
|
642,0 |
30,1 |
vуд=1,43 |
5 |
Сельскохозяйственные машины |
|
2898 |
0,1 |
sуд=2,858 |
6 |
Автомобили |
|
4454 |
0,2 |
sуд=4,631 |
Для рассматриваемого примера:
3.Базовый объект (вагон-прототип) – цистерна для перевозки светлых нефтепродуктов модели 15-1443.
4.Норма осевой нагрузки: qo = 21,0 т/ось.
5.Грузоподъемность: Pв.п. = 60 т.
6.Габарит – 02-ВМ.
-8-
Рис. 1.1. Расчетная схема вагона
2Lсц – длина вагона по осям сцепления 2LсцI = 12,02 м; 2Lк – наружная длина кузова (длина по концевым балкам
рамы вагона), 2LкI = 10,8 м; 2ℓ – база вагона 2ℓI= 7,8 м;
2ℓт – база тележки, 2ℓт = 1,85м;
nк – длина консоли вагона, nкI = 1,5 м;
ат – толщина торцевой стенки (или днища цистерны), для цистерны модели 15-1443: ат = 0,01 м;
аб – толщина боковой стенки (или оболочки цистерны), для цистерны модели 15-1443: аб ≈ 0,01 м;
dк – диаметр колеса, dк = 0,95 м; Т – тара вагона, ТI = 24 т;
аа – вылет автосцепки, аа = 0,61 м;
qп – погонная нагрузка вагона брутто, qп = 6,988 тс/м.
-9-
1.2 Расчет технико-экономических характеристик, связанных с оценкой оптимальности линейных размеров, с учетом ограничений, накладываемых на конструкции грузовых вагонов
При экспертных оценках грузовых вагонов необходимо учитывать ряд обязательных ограничений. Прежде всего, к ним относятся допустимые уровни осевых и погонных нагрузок, но не менее важно такое ограничение, как габарит подвижного состава.
Для оценки эффективности использования кузовом вагона погрузочных возможностей рассмотрим три его конструктивных исполнения: для номинальных линейных размеров (длина вагона по осям сцепления автосцепок такая же как у вагона-прототипа) и два варианта с измененной длиной (2LсцI + 0,5 м и 2LсцI – 0,5 м).
Таким образом, 2LсцII =12,52 м, 2LсцIII =11,52 м.
Для пересчета линейных размеров вагона с увеличенной и уменьшенной длиной воспользуемся следующими формулами:
Длина вагона по раме:
2Lк = 2Lсц – 2·аа.
2LкII = 11,3 м, 2LкIII = 10,3 м.
-10-
Длина базы вагона:
2 2L2к .
2ℓII = 8 м, 2ℓIII = 7,28 м.
1.2.1 Вписывание вагона в габарит
Линейные размеры вагона и габарит подвижного состава, требованиям которых должен удовлетворять каждый вагон, вновь проектируемый и находящийся в эксплуатации, взаимосвязаны между собой. Габариты накладывают ограничения на линейные размеры вагона, от которых зависит его производительность.
При вписывании вагона в габарит определяется наибольшая ширина строительного очертания вагона на высоте Н от уровня головок рельсов.
Ограничение полуширины вагона для любого поперечного сечения, расположенного между направляющими (шкворневыми) сечениями:
Ев = Sк – dг + q + w + [k2(l2 – x2) + k1 – k3] – k, (1.1)
где: Sк – максимальная полуширина колеи в кривой расчётного радиуса, мм;
dг – половина минимального расстояния между наружнымигранямипредельноизношенныхгребнейколёс, мм; Sк – dг – максимальный разбег изношенной колесной пары между рельсами, мм; Sк – dг = 27 мм;