VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Известно, что при движении железнодорожного подвижного состава под действием силы тяги локомотива последняя расходуется на преодоление сил сопротивления, препятствующих его движению. Когда отключают силовую установку привода колёсных пар, например, локомотива то силы тяги исчезают, но после этого останов поезда не происходит, и его движение продолжается за счет ранее накопленной кинетической энергии. Однако, в каждом конкретном случае необходима остановка поезда как в заранее определенных местах перегонов, так и в других непредвиденных и аварийных ситуациях. Поэтому на локомотивах и вагонах применяют устройства для искусственного увеличения сил сопротивления, которые называют тормозными устройствами, а создаваемые ими силы сопротивления тормозными силами. Наиболее распространенными средствами для получения тормозных сил являются различные по конструкции механические тормоза, в которых затормаживание колес колесных пар происходит за счет возникновения сил трения между колодками, контактирующими с поверхностями катания колес или специальными дисками, жестко закреплёнными на их осях [1].

Рис.1

В настоящее время в конструкциях локомотивов и вагонов нашли широкое применение не прямодействующие пневматические тормоза, которые при разрыве поезда или тормозной магистрали, а так же при открытии крана экстренного торможения, автоматически приходят в действие. Благодаря более быстрому и эффективному срабатыванию, автотормоза повышают безопасность движения и создают условия по увеличению скорости движения поездов. Однако при длительных торможениях в движении или стоянках поезда в отцепленном состоянии от локомотива давление воздуха в тормозных цилиндрах и запасных резервуарах, вследствие имеющихся утечек, постепенно уменьшается, что приводит к истощению тормоза. Это является существенным недостатком не прямодействующих автоматических тормозов (рис.1).

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

На протяжении ряда лет в ЕГУ им. И.А. Бунина на кафедре МиТП совместно с Елецким участком Белгородского отделения ЮВЖД филиал ОАО «РЖД» на договорных началах проводилась НИР направленная на повышение эффективности использования и безопасности движения подвижного состава. Одним из разделов такой НИР является тема, связанная с разработкой технических средств, исключающих возможность самодвижения локомотивов и вагонов, причём таких, работа которых осуществляется в автоматическом режиме по мере истощения тормоза.

Анализ значительного числа отечественных и зарубежных библиографических и патентных источников позволил разработать на уровне изобретения (решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2014110474/11 от 5.02.2015 г.) перспективную конструкцию тормоза позволяющего в случае его истощения исключить возможность самодвижения грузовых вагонов.

На рис.2 показана часть тележки грузового вагона сбоку и укрупненный вид устройства, фиксирующего колесную пару относительно боковины рамы тележки.

Тележка грузового вагона состоит из боковин 1, в которых размещены буксы 2 с колесами 3 колесных пар. На боковине 1 с помощью болтов 4 закреплен пневмоцилиндр 5 и в нем подвижно расположен поршень 6, снабженный штоком 7 с конусным концом 8 и вторым штоком 9, отверстие 10 которого взаимодействует с фиксатором 11. Пневмоцилиндр 5, снабжен отверстием 12, связанным с атмосферой и трубопроводом 13. На колесах 3 имеются отверстия 14 и последние перемещаются по рельсовому пути 15. Поршень 6 подпружинен винтовой пружиной сжатия 16.

Рис.2

Работает тележка грузового вагона, следующим образом. В процессе движения вагона в одиночном варианте или в составе грузового поезда детали его тележки, показанные на рис.2, занимают положение, когда сжатый воздух из запасного резервуара тормозной системы ( на рис.2 он не показан, но в практике широко распространен) поступает постоянно в трубопровод 13 по стрелке А (см. рис.2), что позволяет ему заполнить пневмоцилиндр 5 и переместить его поршень 6 влево, по стрелке В, сжав винтовую пружину сжатия 16 так, как это показано на рис.2. В процессе движения такого вагона и служебном его торможении давление сжатого воздуха в запасном резервуаре, а, следовательно, и в трубопроводе 13 снижается на некоторую величину при этом, под действием сжатой винтовой пружины сжатия 16, поршень 6 может перемещаться в направлении обратном стрелке В, но не на столько, что конусный конец 8 штока 7 войдет в соприкосновение с колесом 3. Предположим теперь, что вагон отцеплен от локомотива и его тормозная магистраль уже не находится под давлением и питание тормозной системы сжатым воздухом, а также пневмоцилиндра 5 происходит из запасного резервуара по трубопроводу 13. В итоге длительной стоянки вагона возможны случаи истощения тормоза и тогда давление сжатого воздуха в пневмоцилиндра 5 будет доходить до какого-то критического значения, при котором возможно самодвижение вагона. Однако в нашем случае этого не произойдет, т.к. под действием сжатой винтовой пружиной сжатия 16 поршень 6 переместится вправо по стрелке С и его шток 7, совместно с конусным концом 8 упрутся в колесо 3. Когда же наступит самодвижение вагона, то колесо 3 провернётся на некоторый угол и своим отверстием 14 (а их на колесе 4) расположится напротив штока 7, а т.к. он находится под воздействием усилия, создаваемого винтовой пружиной сжатия 16, то конусный конец 8 его войдет в отверстие 14 и застопорит колесо 3, а , следовательно, и вагон не получит движение. Для того чтобы переместить вагон к нему подают локомотив, который зарядив сжатым воздухом запасный резервуар тормозной системы вагона позволит сжатому воздуху войти через трубопровод 13 по стрелке А в пневмоцилиндр 5 и переместить поршень6 по стрелке В, что и обеспечить неподвижность колеса 3. Следует отметить, что в практике возможен роспуск состава грузовых вагонов с горки и в этом случае нет необходимости осуществлять самоторможение вагона, поэтому в момент отсоединения тормозной магистрали вагонов, находящихся в составе поезда в ручную перемещают фиксатор 11 по стрелке Е, которой войдя в отверстие 10 второго штока 9 исключит перемещение поршня 6 по стрелке С. После роспуска состава с горки и его формирования в поезд производят зарядку тормозной системы вагонов от локомотива и после этого перемещают вручную фиксаторы 11 в направлении обратном стрелке Е. В этом случае поезд готов к транспортировке. Далее описанные процессы могут повторяться неоднократно.

Технико–экономическое преимущество предложенного технического решения в сравнении с известными конструкциями тележек грузовых вагонов очевидна, т.к. оно позволяет исключать их самодвижение в случае истощения тормоза

Для расчета элементной базы предложенного технического решения, например, применительно к четырехосному полувагону грузоподъемностью 60т, у которого нагрузка на ось составляет 20,0 т использована следующая методика.

Известно [4], что если полувагон находится в отцепленном состоянии от локомотива на площадке станционного пути с уклоном ⁰/₀₀, при этом давление сжатого воздуха в тормозном цилиндре составляет p = 0,35 МПа то коэффициент нажатия тормозных колодок равен δ = 0,45 и тогда сила нажатия K на одну ось колёсной пары составляет K = P∙ δ = 20 ∙ 0,45 = 9 т, а нагрузка на одно колесо равно 4,5 т. Следовательно, сила трения F_тр между каждым колесом и его тормозной колодкой будет равна:

4,5∙0,18 = 0,81 т,

где: f_ск коэффициент трения скольжения чугуна по стали равный 0,18 [2].

Считаем так же, что при таком давлении сжатого воздуха в пневмоцилиндре 5 (см.рис.2) внутренним диаметром 280 мм с площадью поршня S = 615,44 см² развивается усилие P_y = pS = 3,5 ∙ 615,44 = 2,2 т и в этом случае поршень полностью упруго сдеформирует винтовую пружину сжатия 16 так, как это показано на рис.2, а шток 7 со своим конусным концом 8 расположится с зазором относительно колеса 3 колесной пары. Теперь предположим, что в процессе отстоя вагона в одиночном варианте или совместно с другими вагонами входящими в состав поезда при отсутствии локомотива, давление сжатого воздуха за счет различных утечек упало, например, до 0,15 МПа, тогда P_y = 1,5 ∙615,44 = 923,16 кг. В этом случае винтовая пружина сжатия 16 несколько распустится но не до такой степени, чтобы шток 7 своим конусным концом 8 мог войти в отверстие 4 колеса 3 колесной пары при этом давлении в запасном резервуаре и тормозном цилиндре тормозные колодки не позволяют осуществить эффект самодвижения вагона [4].

Известно [4], что при давлении сжатого воздуха 0,15 МПа при уклоне 10 ‰ и последующим его снижении может привести к самодвижению вагона. Поэтому понятно, что винтовая пружина сжатия 16 в этом случае должна развивать такое усилие, которое бы при давлении сжатого воздуха в полости пневмоцилиндр 5 при давлении нескольким меньшим чем 0,15 МПа, переместила бы поршень 4 совместно со штоком 7 и конусным концом 8 по стрелке С и, следовательно, последний вошёл бы в отверстие 14 колеса 3 колёсной пары. Следовательно, винтовая пружина сжатия 16 должна развить усилие порядка 9000 Н, что должно быть несколько меньше рассчитанного нами выше усилияP_y = 9231,6 Н. Такую пружину выбираем из справочника [3] со следующими характеристиками: D_нар = 150 мм;D_ср = 118 мм; диаметр прутка 18 мм, шаг t= 32 мм, высота H_св = 350 мм, материал сталь 60С2 по ГОСТ 2590-51. Рабочее усилие такой пружины составляет 0,910 т.

Следует также отметить, что не менее ответственной деталью предложенного технического решения является шток 7 с конусным концом 8 (см.рис.2), который подвержен изгибу в тот момент времени когда он взаимодействует с технологическим отверстием 14 колеса 3 и под действием момента возникающего на нём, когда вагон расположен на уклоне 10 ‰ и давление сжатого воздуха в пневмоцилиндре 5 составляет 0,15 МПа. Произведём расчёт на прочность указанной детали приняв следующие исходные данные: диаметр шток 7 с конусным концом 8d_Ш = 56,0 мм, диаметр отверстия 14 выполненного в колесе d_ОТ= 60,0 мм, длина штока 7 с конусным концом 8, l= 150,0 мм и крутящий момент на колесе [4] T₁ = 0,16 т·м. Используя известную зависимость определим напряжения изгиба возникающие в сечении указанной детали по известной зависимости:

Видно, что условие прочности вышеуказанной детали на изгиб выполнено.

В заключение следует отметить, что различные типы грузовых вагонов, как в нашей стране, так и за рубежом и имеют технологические отверстия выполненные в колёсах колёсных пар могут быть снабжены вышеуказанным устройством с учетом его массовых и конструкционных характеристик. Поэтому, используя методику расчета представленную выше, можно рассчитать рациональные как геометрические так и кинематические параметры предложенного устройства исключающего возможность самодвижения вагонов.

Результаты исследования переданы руководству Елецкого участка Белгородского региона ЮВЖД филиал ОАО «РЖД» в виде экспресс отчёта по проведённой части вышеуказанной НИР, а также рекомендуются к использованию соответствующим НИИ, специализированным КБ и промышленным предприятиям, проектирующим и изготавливающим грузовой 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. Сливинский Е.В., Киселёв В.И., Теслин В.В. Модернизация пневматического тормоза пассажирских вагонов электропоездов. Системы управления, технические системы: пути и методы исследования. Материалы межвузовской научно-практической конференции. ЕГУ им. И.А. Бунина. Елец. Вып.4,2012-204с.

Код для цитирования: Скопировать