VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Известно, что одним из первых и достаточно эффективных по конструкции отечественных тепловозов являлся, например, тепловоз ТЭ3 показанный на рис.1. У такого тепловоза в конструкции ходовых частей использовались колёсные пары состоящие из бандажа напрессованного на колесный центр и зафиксированного кольцом. Такая конструкция колеса обладала достаточной простотой и отвечала требованиям эффективной работой в условиях  

Рис.1

эксплуатации. Однако, таким колёсным парам присущ очень важный недостаток, заключающийся в том, что при прохождении кривых участков пути тепловозом происходил повышенный износ гребней колес, в результате чего требовалась замена колёсной пары или же проводились работы по восстановлению гребней методом наплавки последнего. В итоге локомотивные депо несли значительные материальные и трудовые затраты.

Спустя десятилетия проблема для уже новых конструкций тепловозов таких как, например, «ТЭ10, 2ТЭ10Л, 2ТЭ116, М62, ТЭП60, ТЭП7, и т.д. в принципе осталась нерешённой и повышенный износ гребней колёс тепловозов в настоящее время продолжается (см. рис.2).

Рис.2

Надо сказать, что в настоящее время Брянским машиностроительным заводом серийно выпускается тепловоз 2ТЭ25А, который снабжён трёхосными бесчелюстными тележками с механизмом РУКП позволяющим при входе тепловоза в кривую радиально располагать колёсные пары относительно центра её траектории. Но и она на наш взгляд несмотря на своё совершенство в этом направлении так же имеет ряд существенных недостатков связанных со сложностью конструкции, использовании большого числа кинематических пар качения, достаточно высокой металлоёмкости и т.д. и поэтому не в полной мере обеспечивающей техническую и эксплуатационную надёжностью тепловоза [1].

Учитывая вышеизложенное в ЕГУ им. И.А. Бунина на кафедре механики и технологических процессов совместно с кафедрой Локомотивы и локомотивное хозяйство МИИТ, в течение 2012-2014 г. г., по заказу Елецкого центра Белгородского отделения ЮВЖД филиала ОАО «РЖД» проводится НИР направленная на совершенствование конструкции железнодорожного подвижного состава и по одному из ее разделов выполняются работы связанные с упрощением конструкции и повышением эффективности использования трёхосных бесчелюстных тележек тепловозов способных в автоматическом режиме, в случае прохождения тепловозом кривых участков пути, обеспечивать угловой поворот колёсных пар КМБ, так, что последние совместно с КМБ располагаются по радиусу относительно центра траектории кривой. По результатам проведенного анализа значительного числа литературных источников, отечественных и зарубежных патентов университетом разработана конструкция колёсной пары признанная изобретением (решение ФИПС о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2014110439/11 от 16.02.2015г) причём такая её конструкция обладает свойствами приспосабливаться бандажу колеса к копированию им кривой пути и тем самым снизить износ его гребня.

Так на рис.3 показано сечение части колеса поперечной плоскостью, вид на колесо по стрелке А, и схема прохождения колесной пары кривой пути.

Рис.3

Колесо колесной пары состоит из бандажа 1, охватывающий своей круговой поверхностью 2 подобную поверхность, выполненную на колесном центре 3. В колесном центре 3 в прямоугольном отверстии 4 расположена такой же формы часть горизонтального участка упругих поводков 5, вертикальные участки 6 которых примыкают к торцевым поверхности центра колеса 3 и бандажа 1. Бандаж 1 перекатывается по рельсу 7, а ступица 8 центра колеса 3 напрессована на ось 9 колесной пары.

Работает колесо колесной пары следующим образом. Для вращения колесной пары и перемещения ее по рельсу 7 с помощью тягового электродвигателя и зубчатой передачи (на рис. указанные конструкционные элементы не показаны) создают вращающий момент на оси 9, а так как ось 9 жестко соединена со ступицей 8 колесного центра 3, то и он получает возможность углового поворота в направлении движения тепловоза. Такое движение происходит из–за наличия упругих поводков 5, которые связывают между собой их вертикальные участки 6, а также бандаж 1. Следует отметить, что начало движения происходит в плавном режиме, который обеспечивают участки поводков 6 и 5 являясь по сути дела торсионами. При входе тепловоза в кривую пути (см.рис.3) под действием усилий P_у, возникающих от набегания гребней бандажей 1 (на рис. гребни не обозначены позиции) на головке рельс 7 за счет упругой деформации вертикальных участков 6 упругих поводков 5 и по этой причине некоторого углового поворота по стрелкам С бандажа 1 на центре колеса 3 имеющих криволинейное сопряжение между собой, произойдет перемещение, снижающее усилие набегания P_у. Иными словами бандажи 1 колес колесной пары будут находится относительно центра , образующего кривую пути О по радиусу. После того, как тепловоз пройдет этот участок кривой, вертикальные участки 6 упругих поводков 5 под действием упругих сил возвратятся в исходное положение такое, как это показано на рис.3. При входе тепловоза в кривую пути противоположной кривизны (см. рис. 3), картина поворота бандажей 1 колес будет подобна вышеописанной. После преодоления кривой пути и выхода тепловоза на его прямолинейный участок осевые нагрузки на гребни бандажа 1 гораздо ниже чем те, которые описаны выше и поэтому вертикальные участки 6 упругих поводков 5, имеющих достаточно высокую изгибную жесткость будут надежно удерживать бандажи 1 колесных центров 3 в прямолинейном положении. Далее описанные процессы могут повторяться неоднократно.

Технико – экономическое преимущество предположенного технического решения в сравнении с известными конструкциями колесных пар локомотивов очевидно, так как оно позволяет снизить износ гребней колес при прохождении ими кривых участков пути. Следует отметить, что такое техническое решение окажет эффективное действие особенно для трехосных тяжелых тепловозов.

Анализируя предложенное техническое решение видно, что наиболее ответственными его деталями являются упругие поводки 5 (см.рис.3), вертикальные участки 6 которых представляют собой не что иное как плоские пружины или по сути дела консольно расположенные балки работающие на изгиб в продольном и поперечном направлениях и поэтому произведём расчёт их на прочность используя известную методику [3].

Известно[3] , что особенностью ленточных плоских пружин (вертикальные участки 6 упругих поводков 5), которые описаны выше (см.рис.3), является то, что они должны быть податливы на изгиб только в одном направлении относительно продольной оси симметрии колёсной пары т.е. в плоскости минимальной жёсткости, но с другой стороны иметь высокую женскость на растяжение и изгиб в плоскости перпендикулярной продольной оси симметрии колёсной пары в связи с тем, что они должны передавать окружное усилие от колёсного центра 3 (рис.3) бандажу 1. Следует также отметить, что вертикальные участки 6 упругих поводков 5, которые позволяют обеспечивать угловой поворот бандажу 1 относительно колёсного центра 3 при преодолении колёсной парой кривой пути, и работают в этом случае на изгиб, имеют небольшую величину прогиба не превышающую 40 мм, что характерно в практике углового поворота колёсных пар тепловозов снабжённых бесчелюстными трёхосными тележками и имеющих пассивный механизм радиальной установки колёсных пар (РУКП), который использован, например, в конструкции тепловоза «Витязь» 2ТЭ25А серийно выпускаемом БМЗ «Транстяжмашхолдинг» [4] . У такого тепловоза сила тяги при трогании с места составляет 45,0 т, следовательно, на одном колесе колёсной пары окружное усилие составляет Р_окр = 1,9 т. И если считать, что на одном колесе колёсной пары расположено 12 вертикальных участков 6 упругих поводков 5 предложенного технического решения, то каждый из них будет нагружен окружным усилием 0,158 т. В тоже время известно, что при угловом повороте колёсной пары этого же тепловоза при преодолении кривой пути на гребне набегающего колеса колёсной пары боковое усилие составляет порядка 4,0 т и тогда каждый из вертикальных участков 6 упругих поводков 5 в количестве двенадцати штук будет нагружен усилием 0,33 т.

Рис.4

Используя такие исходные данные и расчётную схему показанную на рис.4, а также считая, что вертикальные участки 6 можно представить в виде консольных балок, определим прогибы их в двух плоскостях поперечной и продольной по известной зависимости [3]:

(1)

где, Р_попер – нагрузка приложенная к консольной балке, 0,33 т;

l – длина консольной балки, 80 мм;

Е – модуль упругости материала, 2∙10⁶ кг/см²;

b₁– ширина консольной балки, 25 мм;

h₁ – толщина консольной балки 10 мм.

(2)

где, Р_прод – нагрузка приложенная к консольной балке, 0,158 т;

l₂ – длина консольной балки, 80 мм;

Е – модуль упругости материала, 2∙10⁶ кг/см²;

b₂– ширина консольной балки, 10 мм;

h₂ – толщина консольной балки, 25 мм.

В качестве материала упругих поводков 5 и их вертикальных участков 6 (рис.3 и рис.4) выберем сталь 60С2А с σ_т = 1400 МПа и с допускаемым значением напряжения [σ] = 800 МПа и определим численные значения напряжений возникающих в консольных балках (в вертикальных участках 6 упругих поводков 5) от действия Р_попер и Р_прод по формулам:

Видно, что в обеих случаях условие прочности выполнено.

Анализируя вышеизложенное видно, что при выбранных геометрических характеристиках участков 6 упругих поводков 5 нагруженных усилием Р_попер в 0,33 т перемещение бандажа относительно колёсного центра составляет порядка 13,6 мм когда в практике оно видимо должно быть несколько большим и поэтому чтобы получить окончательные параметры прогиба консольных балок необходимо провести ряд стендовых испытаний макетного, а затем и опытного образца предложенного технического решения привязанного к конкретной модели пассажирского или грузового тепловоза, что и позволит окончательно обосновать рациональные параметры конструкции описанного сопряжения бандажа с колёсным центром.

Результаты исследования переданы руководству Елецкого центра Белгородского региона ЮВЖД филиала ОАО «РЖД» в качестве экспресс отчёта, а так же рекомендуются для широкого изучения и анализа с целью возможного внедрения как отечественным, так и зарубежным научно-исследовательским и производственным структурам проектирующим, выпускающим и эксплуатирующим магистральные и промышленные тепловозы.

Библиография

1. Тепловоз 2ТЭ116. Филонов С.П., Гибалов А.И., Быковский В.Е. и др. М.: Транспорт. 1985, 328с.

2. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. Гл. редакция физико-математической литературы изд-во «Наука», 1970 – 544 с.

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

4. Михальченко Г.С., Юршин А.С.. Оценка износа колёс грузового тепловоза с радиальной установкой колёсных пар. Вестник Брянского государственного технического университета , №214, 2007г.

Код для цитирования: Скопировать