VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

В настоящее время на железных дорогах РФ для вождения пассажирских поездов широко используются различные по конструкции тепловозы. Одной из таких конструкций является односекционный двухкабинный магистральный пассажирский тепловоз ТЕП150 (производитель ОАО «Холдинговая Компания «Лугансктепловоз») мощностью 3100 кВт (4216 л.с.) с электрической передачей переменно-постоянного тока с поосным регулированием силы тяги, электрическим тормозом и энергоснабжением пассажирского поезда, предназначен для вождения пассажирских поездов в различных климатических условиях (рис.1). Компоновка оборудования в машинном отделении обеспечивает хороший доступ для его обслуживания [1]. 

Рис.1

Дизель-агрегатная установка состоит из усовершенствованного 16-ти цилиндрового четырехтактного дизеля 5Д49 с газотурбинным наддувом и охлаждением надувочного воздуха и тягового агрегата переменного тока. Тяговый агрегат состоит из тягового и вспомогательного синхронных генераторов, смонтированных в одном корпусе. Вспомогательный генератор через выпрямитель обеспечивает энергоснабжение пассажирского поезда напряжением 3000 В постоянного тока мощностью 600 кВт на номинальном режиме и питание электродвигателей вспомогательных механизмов. На тепловозе предусмотрена высокоэффективная двухступенчатая система очистки воздуха, поступающего в дизель. Система охлаждения, в сочетании с автоматической системой регулирования, обеспечивает поддержание оптимального теплового режима силовой установки со сниженными затратами мощности на привод вентиляторов. На тепловозе установлена микропроцессорная система управления, контроля и технической диагностики. Ходовая часть тепловоза состоит из двух бесчелюстных трехосных тележек с индивидуальным приводом колесных пар и опорно-рамным креплением тяговых двигателей. Передача тяги осуществляется одноступенчатой передачей и упругой муфтой. Тепловоз оборудован электродинамическим, электропневматическим, пневматическим автоматическим, прямодействующим и ручным (стояночным) тормозами.

Известно, на сегодняшний день в конструкциях тепловозов широко применяются два вида трёхосных тележек это челюстные тележки и бесчелюстные тележки [2]. Каждая из таких конструкций обладает положительными и отрицательными свойствами. Если первая при прямолинейном движении тепловоза исключает виляние колёсных пар и тем самым снижает износ гребней колёс, то при преодолении кривых пути за счёт набегания гребней колёс на головку рельса значительно способствует износу гребне. Второй же тип тележки наоборот подвержен значительным колебаниям виляния колёсных пар на прямых участках рельсового пути, но в кривых, за счет расположения осей колесных пар радиально относительно центра кривой, снижает износ последних.

Поэтому несмотря на эффективность использования бесчелюстной тележки тепловоза ТЕП150 колёсные пары последних при прохождении прямых участков пути подвержены вилянию, что сказывается как в снижении плавности хода тепловоза так и износу их гребней. В итоге пробег тепловозов значительно ниже нормативного и поэтому депо и заводы несут значительные трудовые и денежные затраты на поддержание эксплуатационной надёжности такого локомотива.

Учитывая это 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 тележки признанная изобретением (решение ФИПС о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2014110479/11 от 2.02.2015г) причём такая конструкция тележки обладает свойствами как челюстных, так и бесчелюстных тележек перемещаясь как по прямым участкам пути так и по кривым исключая описанные выше их недостатки.

Рассмотрим подробнее такую конструкцию бесчелюстной тележки тепловоза, которая исключает вышеуказанные недостатки.

Рис.2

Так на рис.2 показан общий вид сбоку бесчелюстной трёхосной тележки тепловоза, и один из крайних узлов тележки с установкой на ней колёсной пары с рессорным подвешиванием её относительно рамы.

Бесчелюстная трёхосная тележка тепловоза состоит из рамы 1, к которой с помощью рессорного подвешивания 2 установлены буксы 3, связанные с ней поводками 4. На буксах 3 крайних колёсных пар 5 тележки жёстко закреплены втулки квадратного сечения 6 и в них подвижно подобного сечения размещены стержни 7, жёстко закреплённые на штоках 8 пневмоцилиндров 9, поршни 10, которых подпружинены пружинами сжатия 11. Пневмоцилиндры 9 с помощью трубопроводов 12 соединены с воздухораспределителем 13, а его золотник 14 присоединён к кузову 15 тепловоза. Воздухораспределитель 13 трубопроводом 16 связан с источником сжатого воздуха 17, установленного в кузове 15 тепловоза. Колёсные пары 5 расположены на рельсовом пути 18.

Работает бесчелюстная тележка тепловоза следующим образом. Известно, что на тепловозах могут использоваться как челюстные, так и бесчелюстные тележки причём, отличие последних не только в конструктивном исполнении, но и характере износа колёс колёсных пар при движении тепловозов, как в прямых участках пути, так и в кривых. Такое отличие заключается в том, что колёсные пары подлежат различному износу как круга катания, так и гребней колёс. Например, на челюстных тележках подвержена износу поверхность круга катания колёс, но гребни не изнашиваются интенсивно, а на бесчелюстных изнашиваются гребни колёс, особенно на прямых участках пути за счёт виляния колёсных пар и их поперечного смещения. Исходя из этого и предложено техническое решение, которое на прямых участках пути работает как челюстная тележка, а в кривых как бесчелюстная.

Рассмотрим подробно как это происходит. При прямолинейном движении тепловоза сжатый воздух, находящийся в источнике сжатого воздуха 17, поступает в воздухораспределитель 13 и затем по трубопроводу 12 в каждый из четырёх цилиндров 9 по стрелке А расположенных на раме 1 тепловоза (на рис.2 показана только одна боковая сторона тележки). При этом поршни 10 всех четырёх пневмоцилиндров 9, сжав свои пружины сжатия 11, находятся в таком положении, как это показано на рис. 2. Такое положение поршней 10, за счёт наличия штоков 8, способствует размещению стержней 7 во втулках квадратного сечения 6 так, как это видно на рис. 2. В этом случае, по сути дела, происходит фиксация букс 3 относительно рамы 1, как это имеет место в челюстных тележках, то есть угловые поворота колёсных пар и поперечное их смещение относительно рамы 1 исключаются и угловые, и поперечные колебания последних происходить не могут. В тоже время, когда тепловоз войдёт в кривую пути, золотник 14 перекроет подачу сжатого воздуха в пневмоцилиндры 9, но соединит их с атмосферой и тогда под действием ранее сжатых пружин сжатия 11 поршни 10 переместятся по стрелке В (см. фиг.2), что обеспечит выход в этом же направлении стержня 7 из втулки 6. Как только это произойдёт, тележка становится бесчелюстной, что позволяет её колёсным парам копировать кривую пути по радиусу относительно центра кривой, за счёт некоторой податливости поводков 4 и рессорных комплектов 2. После прохода тепловозом кривой пути золотник 14 получив угловой поворот относительно воздухораспределителя 13 в обратном направлении обеспечивает подачу сжатого воздуха по стрелкам А в пневмоцилиндры 9, что позволяет их поршням 10, совместно со штоками 8 и стержнями 7 занять положение, показанное на рис.2, обеспечив тем самым устойчивое продольное положение колёсных пар тележки относительно рельсового пути 18. Далее описанные процессы могут повторяться неоднократно.

Анализ предложенного технического решения показывает, что наиболее ответственным её узлами, обеспечивающими надёжную фиксацию колёсных пар при движении тепловоза по прямолинейному участку пути, являются стержни 7, жёстко закреплённые на штоках 8 пневмоцилиндров 9 (рис.2) и поэтому произведем расчёт указанных деталей на прочность, используя следующую методику. Видно, что шток 8 можно представить в виде консольной балки, заделкой которой является букса , а к другому его концу приложена продольная сила Р, участвующая в передаче силы тяги совместно с поводками 4 (см. рис.2), поперечная сила Q, возникающая на гребне колеса при вилянии колёсной пары и крутящий момент М_кр приложенный при угловом повороте колёсной пары. Следует сразу отметить, что практически М_кр = 0 так как поршень пневмоцилиндра может совместно со штоком проворачиваться в последнем. Продольная же сила Р может быть определена по зависимости Р = Р_ТЯГ/n_пов.+ n_штц. = 17000/24+8 = 531,25 кг , где Р_ТЯГ сила тяги тепловоза ТЕП150 равная 17,0 т [1], n_пов. количество поводков на двух тележках тепловоза 32 шт [1] и количество штоков на тележках по предложенному техническому решениюn_штц. = 8 шт. Продольная сила Р создаст изгибающий момент на штоке пневмоцилиндра равный М_Р = Рl = 531,25∙20 =10625 кг∙см, где l длина штока равная 200 мм. Диаметр штока пневмоцилиндра примем d_ш= 60 мм. Известно [1,2], что поперечная сила Q, возникающая на гребне колеса колёсной пары при её вилянии, в практике достигает значений порядка до 0,5 т и тогда изгибающий момент на штоке пневмоцилиндра приложенный в поперечной плоскости тележки будет равен М_изг = Ql =500∙20 = 10∙10³ кг∙см, где l длина штока равная 200 мм.

Определим геометрические характеристики штока пневмоцилиндра такие как площадь поперечного сечения S, момент сопротивления W и момент инерции сечения J по следующим зависимостям [4]:

Используя численные значения таких силовых и геометрических характеристик определим нормальные напряжения возникающие в штоке пневмоцилиндра по формулам:

Определим прогиб штока в случае когда к нему приложен больший из изгибающих моментов, а именно М_изг = 10625 кг∙см по формуле:

видно, что прогиб штока составляет у = 0,02 мм

Для изготовления штока пневмоцилиндра выберем материал Ст 45Х по ГОСТ 8509-86 с [σ] = 260 МПа. Видно, что в нашем случае прочность штока будет обеспечена так как 37,6 МПа < [σ] = 260 МПа. В тоже время прогиб штока от приложенного к нему усилия тяги имеет незначительную величину равную 0,02 мм.

Результаты исследования рекомендуются отечественным и зарубежным научным и производственным структурам проектирующим, изготавливающим и модернизирующим различные по назначению локомотивы для возможного внедрения перспективной тележки в практику.

В тоже время перед конструированием предложенного устройства необходимо широкое проведение экспериментальных исследований и только после этого можно рекомендовать окончательные оптимальные геометрические и кинематические параметры предложенного технического решения..

Библиография

1. Пассажирский магистральный односекционный тепловоз ТЕП150 Производитель: ОАО «Холдинговая Компания «Лугансктепловоз». Описание взято с сайта производителя.

2. Повышение надёжности экипажной части тепловозов / А.И. Беляев, Б.Б. Бунин и др. Под ред. Л.К. Добрынина. – М.: Транспорт, 1984.-248с.

3. Конструкция и динамика тепловозов./ Под ред. В. Н. Иванова. 2-ое издание.- М.: Транспорт, 1974.-335с.

4. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука,, 1970. – 544с.

Код для цитирования: Скопировать