VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Известно [1,2], что важнейшей составной частью железнодорожного транспорта является подвижной состав, который предназначен для перевозки грузов и пассажиров и одним из важнейших критериев оценки эксплуатационной его работы является безопасность движения. Поэтому все организационно-технические мероприятия на железнодорожном транспорте направлены на содержание в постоянной исправности всех железнодорожных сооружений, путей, локомотивов, грузовых и пассажирских вагонов, оборудования и механизмов, устройств СЦБ и связи путем их осмотров, предупредительного технического обслуживания и, конечно же, их постоянной модернизации за счет внедрения достижений науки и техники. Для перевозки пассажиров на короткие расстояния особенно в пригородном сообщении нашли широкое применение электропоезда (рис.1). Современный пассажирский вагонный парк электропоездов включает в себя многообразие типов и конструкций такого рода подвижного состава, что

обусловлено необходимостью удовлетворения различных требований предъявляемых к ним. Все типы электропоездов должны иметь высокую провозную способность, обеспечивать комфортные условия для пассажиров, обладать универсальностью, иметь высокий коэффициент использования и т. д. Перечисленные факторы определяют ряд требований к конструкциям вагонов электропоездов, которые в основном заключаются в оснащении их автоматически действующими тормозами, использовании автосцепных устройств, в усовершенствовании и унификации ходовых частей, в применении современных систем отопления, санитарно-технического оборудования, электрооборудования, вентиляции и т.д.

В настоящее время в вагонах электропоездов нашли широкое применение пневматические тормозные устройства. Такие устройства являются не прямодействующими пневматическими тормозами, так как при разрыве звеньев электропоезда или тормозной магистрали, а так же при открытии крана экстренного торможения, автоматически приходят в действие. Благодаря более быстрому и эффективному действию, автотормоза увеличивают безопасность движения и позволяют значительно повысить скорости движения электропоездов. Однако, при длительных торможениях или стоянках поезда или одиночных вагонов давление воздуха в тормозных цилиндрах и запасных резервуарах, вследствие имеющихся утечек, постепенно уменьшается, что приводит к истощению тормоза. Это является существенным недостатком не прямодействующего автоматического тормоза [1,2].

Анализ существующих тормозных систем отечественного и зарубежного такого подвижного состава показывает, что на сегодняшний день отсутствуют технические средства, позволяющие в случае утечки сжатого воздуха из запасных резервуаров вагонов и отсутствии тормозных башмаков, укладываемых на рельсах под их колёса, исключить самодвижение его как на станционных путях, так и на путях в пунктах отстоя.

На протяжении ряда лет в ЕГУ им. И. А. Бунина по заказу Управления Юго-Восточной железной дороги филиал ОАО «РЖД» кафедрой прикладной механики и инженерной графики проводится НИР направленная на повышение эффективности и безопасности движения подвижного состава и его модернизации. Одним из разделов такой НИР является тема, связанная с разработкой технических средств, исключающих самодвижение электропоездов, находящихся как на магистральных и станционных путях, так и на путях его отстоя. Учитывая это и анализируя многочисленные библиографические источники, а также отечественные и зарубежные патенты разработано перспективное техническое решение, признанное изобретением (RU2461477), которое исключает возможность самодвижения электропоездов в случае истощения пневматического тормоза.

На рис.2 показана принципиальная схема стояночного тормоза вагона электропоезда.

Рис.1

Стояночный тормоз вагона состоит из тормозной магистрали 1 связанной трубопроводом 2 с воздухораспределителем 3, который также с помощью трубопровода 4 соединён с запасным резервуаром имеющем форму стакана 5. Воздухораспределитель 3 с помощью гибкого трубопровода 6 соединён с тормозным цилиндром 7, поршень 8 которого подпружинен пружиной сжатия 9, а сам тормозной цилиндр 7 связан пружиной растяжения 10, с запасным резервуаром выполненным в виде стакана 5. Поршень 8 при помощи штока 11 связан с рычажной передачей 12 управления тормозными колодками 13 взаимодействующих с колёсами 14 вагона перемещающегося по рельсовому пути 15.

Работает непрямодействующий тормоз вагона следующим образом. Когда вагон находится в составе поезда или же транспортируется в одиночном варианте совместно с локомотивом, сжатый воздух, находясь в тормозной магистрали 1 через патрубок 2 поступает в воздухораспределитель 3 и от него по трубопроводу 4 и располагается в запасном резервуаре, имеющем форму стакана 5. Под действием давления сжатого воздуха находящегося в запасном резервуаре имеющем форму стакана 5, тормозной цилиндр 7перемещается по стрелке А упруго деформируя пружину растяжения 10 и занимает крайнее правое положение такое, как это показано на рис.2. В итоге тормоз полностью заряжен и вагон может находиться в движении сколько угодно. При необходимости служебного торможения машинист локомотива широко известным в данной области технике способом снижает давление сжатого воздуха в тормозной магистрали 1, что приводит к перекрыше воздухораспределителя 3 относительно трубопровода 2 и в тоже время соединению трубопровода 4 с гибким трубопроводом 6. В этом случае сжатый воздух из запасного резервуара имеющего форму стакана 5 поступает по стрелке В в тормозной цилиндр 7 и под действием его поршень 8, сжимая свою пружину сжатия 9, перемещается влево по стрелке С, что способствует также в этом направлении и движение его штока 11. Но так как шток 11 соединён с рычажной передачей 12 управления тормозными колодками 13, то они поджимаются к колёсам 14 по стрелкам F, что приводит к притормаживанию последних. Следует отметить, что в этом случае тормозной цилиндр 7 не может переместиться влево противоположно стрелке А, так как усилие создаваемое сжатым воздухом на тормозной цилиндр 7 значительно меньше чем усилие возникающее на поршне 8 действующее по стрелке С. Так, например, если при служебном торможении давление сжатого воздуха поступающего в тормозной цилиндр 7 по стрелке В на первом этапе составляет 0,13 – 0,15 МПа, то в запасном резервуаре оно равно порядка 0,6 МПа. В тоже время видно (рис.2), что внутренний диаметр запасного резервуара, имеющего форму стакана 5, намного больше диаметра поршня 8 тормозного цилиндра. После того, как необходимость служебного торможения отпадает, машинист поднимает давление сжатого воздуха в тормозной магистрали 1, который через воздухораспределитель 3 и трубопровод 4 попадает в запасной резервуар имеющий форму стакана 5, то есть происходит зарядка тормоза. В это же самое время воздухораспределитель 3 соединяет гибкий трубопровод 6 с атмосферой, что приводит к отпуску тормоза и его тормозные колодки 13 отходят от колёс 14 в противоположную сторону стрелкам F. Предположим теперь, что вагон отцепили от локомотива, тогда тормозится магистраль 1 освобождаясь от сжатого воздух способствует перекрытию трубопровода 2 и тогда как это было описано выше происходит режим торможения за счёт движения поршня 8 по стрелке С. Известно, что при наличие дефектов в описанном устройстве может возникнуть истощение тормоза и тогда давление сжатого воздуха в запасном резервуаре имеющим форму стакана 5 падает, что способствует сжатию пружины растяжения 10, а, следовательно, и перемещению тормозного цилиндра 7 в направлении обратном стрелке А. Такое движение тормозного цилиндра 5 приводит увлечению за собой его поршня 8 и штока 11 по стрелке С, производя прижим тормозных колодок 13 к колёсам 14 по стрелкам F. Чем ниже будет давление сжатого воздуха в запасном резервуаре, имеющем форму стакана 5, тем самым тормозной цилиндр 7 постоянно будет получать движение по стрелке С под действием усилия создаваемого пружиной растяжения 10. Такой процесс обеспечит возможность самоторможения вагона даже при полном падении давления сжатого воздуха в запасном резервуаре имеющем форму стакана 5. После длительного отстоя вагона и необходимости его движения к нему подают локомотив, а, следовательно, и давление сжатого воздуха от него в тормозную магистраль 1. Как только это произойдёт запасный резервуар имеющий форму стакана 5 заполнится сжатым воздухом, что обеспечит перемещение тормозного цилиндра 7 в направлении стрелки А и тогда показанные на рис.2 детали займут указанное положение. Вагон готов к транспортировке. Далее описанные процессы могут повторяться неоднократно.

Анализ вышеописанной конструкции показывает, что основным её конструкционным элементом является пружина растяжения 10 (рис.2), которая и позволяет исключить роспуск тормозных колодок в случае истощения тормоза.

Известно [4], что пружины растяжения обычно навивают закрытой навивкой, и их витки укладывают вплотную один к другому при этом навиваемую проволоку предварительно закручивают или отгибают, в результате чего создается межвитковое давление. Поэтому в нашем случае при проектировании пружины растяжения таким способом навивки пружина окажется предварительно растянутой некоторой силой Р_0. Связь же между нагрузкой и осевым перемещением, т. е. характеристика пружины,

Рис.3

навитой с постоянным по длине межвитковым давлением, представлена на рис.3. где: P_msx — наибольшая рабочая нагрузка, соответствующая напряжению [τ], по которой и рассчитывают пружину на прочность; Н_кон— длина пружины при нагрузке Р_тах; Р_min— наименьшая нагрузка (установочная, выбирается в зависимости от назначения пружины); H_нач — длина пружины при нагрузке Р_min; Р_пред ≈ (1,05-1,2) Р_тах— предельная нагрузка, при которой напряжения почти достигают предела упругости; дальнейшему растяжению пружины должны препятствовать специальные упоры; H_пред — предельная длина пружины, допускаемая при ее регулировании и установке; х — рабочий ход; s— регулировочный ход; Р₀сила предварительного натяжения; Н₀ = H_d + z — длина разгруженной пружины; H_d= id — длина, занятая соприкасающимися витками; z— длина, занимаемая прицепами.

Вначале при приложении растягивающей силы длина пружины не изменяется, уменьшается лишь межвитковое давление. При достижении же растягивающей силой величины Р₀межвитковое давление исчезнет. При дальнейшем увеличении нагрузки пружина начинает деформироваться, причем ее жесткость совпадает с жесткостью такой же пружины, навитой без межвиткового давления. Поэтому видно, что пружина, навитая с межвитковым давлением, будет иметь в нагруженном состоянии меньшую длину, чем обычная пружина. Этоможет благоприятно отразиться на габаритных размерах запасного резервуара имеющего форму стакана 5 (рис.2) и вследствие невозможности обеспечения идеально точного постоянства межвиткового давления по длине пружины начальный участок ее характеристики при нагрузках, близких к Р₀, может оказаться нелинейным (штриховая линия на рис.3).

В случае необходимости при навивке пружины для указанной конструкции тормоза можно получить такой закон распределения межвиткового давления по длине пружины, при котором последняя будет иметь нелинейную характеристику нужного вида при условии монотонно уменьшающейся жесткости пружины при ее растяжении.

Если же пружину растяжения, навить со значительным начальным натяжением, в отличие от обычных пружин растяжения при некоторых условиях, в частности при большом индексе пружины с, можно потерять устойчивость формы, выражающуюся во внезапном перекосе витков. В этом случае витки пружины будут как бы соскальзывать один относительно другого и поэтому угол наклона витков на некотором участке пружины резко возрастёт, и пружина потеряет работоспособность.

Учитывая особенности конструкции винтовых пружин растяжения и их геометрические характеристики, произведём расчёт рациональных геометрических параметров пружины растяжения для рассмотренного выше технического решения исходя из того, что для удержания, например, грузового вагона грузоподъёмностью 60,0 т на месте, в случае истощения тормоза, к тормозному цилиндру 7 (см. рис.2) должно быть приложено усилие в Р_max = 1300 кг = 1,30 кН [3]. Исходя из этого вычислим диаметр проволоки пружины растяжения по зависимости [2] считая, что в качестве материала для неё является сталь марки 65С2ВА по ГОСТ 14959 – 79 с :

где, [τ] = 0,5 = 0,5·1862=931 МПа;

с – индекс пружины, 10.

Окончательно примем диаметр проволоки равным 15 мм.

Теперь вычислим величину касательных напряжений по формуле:

Следовательно, условие прочности выполнено.

Будем считать, что рабочий ход пружины должен быть равным ходу тормозного цилиндра 7 подвижно установленного в запасном резервуаре 5 (рис.1), причём этот рабочий ход должен соответствовать рабочему ходу поршня 8. Известно [2], что рабочий ход поршня в серийных конструкциях грузовых вагонов составляет порядка 176 мм, следовательно, рабочий ход пружины растяжения х также примерно будет равен 176 мм. Исходя из этого определим предварительное усилие приложенное к пружине Р_min по формуле:

где, z – жёсткость пружины растяжения, 9,75 кг/мм;

Р_max – усилие приложенное к цилиндру, 1300 кг.

Известно [5] , что указанный стояночный тормоз должен сработать при истощении тормоза и падении давления в запасном резервуаре 5 при 0,115 МПа, т.е. его пружина растяжения 10 (см. рис.2) в этом случае начнёт перемещать тормозной цилиндр 7 в направлении противоположном стрелки А. Поэтому, чтобы исключить движение тормозного цилиндра 7 в указанном направлении при давлении сжатого воздуха в запасном резервуаре выше 0,115 МПа, определим площадь торцевой части тормозного цилиндра 7, а, следовательно, и внутренний диаметр запасного резервуара 5 по зависимости:

_{В современных конструциях грузовых вагонов широко используются тормозные цилиндры внутренним диаметром 14}^''_{(356 мм), наружный же диаметр которых составляет порядка 364 мм ипоэтому видно, что последний вписывается по своим габаритам в запасный резервуар внутренним диаметром 379 мм с изготовлением на его торце фланца показанного на рис.1. В настоящее время с учётом вышеуказанных расчётов разрабатывается эскизный проект на предложенное техническое решение, который будет передан заказчику в лице руководства Елецкого центра организации работы железнодорожных станций}Белгородского региона ЮВЖД в 2015г.

Учитывая многообразие конструкций грузовых и пассажирских вагонов, применяемых как на железнодорожном транспорте так и в промышленности, а следовательно, и необходимость использования большого количества исходных данных для расчёта рациональных конструктивных параметров для вышеописанного устройства самоторможения подвижного состава, разработана программа для ЭВМ на языке Delphi позволяющая решать поставленные задачи.

Результаты исследования рекомендуются к использованию соответствующим НИИ, специализированным КБ и промышленным предприятиям, проектирующим и изготавливающим грузовой железнодорожный подвижной состав, как в нашей стране, так и за рубежом.

Библиография:

1. Вагоны. Конструкция, теория и расчет / Под. Ред. Л. А. Шадура. М.: Транспорт, 1980 – 439 с.

2. В. И. Крылов Тормоза локомотивов – М.: Трансжелдориздат, 1963. – 461 с.

3.Заплетохин В.А. Конструирование деталей механических устройств: Справочник. – Л.: Машиностроение. 1990. – 669с.

4. Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчёт упругих элементов машин и приборов. – М.: Машиностроение, 1980 – 326с.

5. Савин Л.А., Сливинский Е.В., Теслин В.В. Модернизация конструкционных элементов, тормозного, тягового и санитарно- технического оборудования рельсовых экипажей. Монография. Елец, ЕГУ им. И.А. Бунина, 2011. – 233 с.

Код для цитирования: Скопировать