Проектирование восьмиосной цистерны модели 15-1500 (стр. 8 из 13)
Схема приложения сил и опорных моментов к оси колесной пары.
Рис. 5.1.
5.1. Определение коэффициента запаса прочности оси
Коэффициент запаса прочности оси показывает во сколько раз предел усталостной прочности оси по износу больше приведенных напряжений в расчетном сечении. Оценка прочности производится по следующим расчетным сечениям (см рис. 5.2):
Схема приложения сил и опорных моментов к оси колесной пары.
Рис. 5.2
I - по шейке оси в плоскости внутренней кромки заднего подшипника;
II - по шейке оси в плоскости начала задней галтели;
Ш - по подступичной части оси в плоскости круга катания колеса;
IV - в средней части оси.
Условие прочности оси:
n³ [n],
,где n - коэффициент запаса прочности оси по отношению к пределу ее усталости;
[n] - допустимый коэффициент запаса прочности оси.
Рекомендуемый запас прочности оси для нового грузового вагона [n] = 1,9 - 2,1.
Исходные данные для расчета оси сведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1.
Исходные данные для расчета оси колесной пары
| Масса вагона брутто mбр, кг | 176000 |
| Число осей в вагоне m0, шт | 8 |
| Высота центра тяжести вагона над уровнем осей колесных пар hц, м | 1,85 |
| Расчетная скорость v, м/с | 33,3 |
| Масса половины боковой рамы тележки mр, кг | 195 |
| Масса колесной пары mкп, кг | 1200 |
| Масса колеса mк, кг | 400 |
| Масса буксы и связанных с ней необрессоренных масс mб, кг | 113 |
| Масса консольной части оси до круга катания mш, кг | 53 |
| Масса средней части оси между кругами катания mс, кг | 319 |
| Масса необрессоренных частей жестко связанных с шейкой оси, включая саму шейку mS = mр + mш + mб , кг | 361 |
| Удельное давление ветра на боковую поверхность кузова W, Н/м2 | 500 |
| Непогашенное ускорение в кривой jц, м/с2 | 0,7 |
| Коэффициент трения колеса о рельс при скольжении в поперечном направлении m. | 0,25 |
| Коэффициент, учитывающий восприятие сил инерции диском колеса за счет ее упругости b. | 0,7 |
| Коэффициент использования грузоподъемности вагона l. | 1 |
| Статический прогиб рессорного подвешивания вагона fст, м | 0,05 |
| Радиус колеса r, м | 0,475 |
| Диаметр шейки оси d1, м | 0,135 |
| Диаметр подступичной части оси d2 м | 0,194 |
| Диаметр средней части оси d3, м | 0,165 |
| Расстояние между серединами шеек оси 2b2, м | 2,036 |
| Расстояние между кругами катания колес 2s, м | 1,58 |
| Расстояние от середины шейки оси до круга катания колес 12, м | 0,228 |
| Расстояние от середины шейки оси до задней галтели шейки 13,м | 0,1 |
| Расстояние от середины шейки оси до внутренней кромки заднего роликового подшипника 16, м | 0,073 |
| Расстояние от середины оси до равнодействующей сил инерции средней части оси 17, м | 0,263 |
5.2. Расчет оси колесной пары на выносливость
Определение расчетных нагрузок.
Статическая нагрузка на шейку оси с учетом коэффициента использования грузоподъемности вагона
Коэффициент вертикальной динамики
Динамическая нагрузка:
От вертикальных колебаний кузова на рессорах
от центробежных сил в кривых
от силы ветра
Расчетная вертикальная нагрузка:
На левую шейку оси
на правую шейку оси
Ускорение буксового узла:
Левого
Правого
Ускорение левого колеса
Вертикальная сила инерции, действующая:
На левую шейку оси
на правую шейку оси
От левого колеса на рельс (на правом колесе Рнк=0)
Вертикальная сила инерции массы средней части оси
Коэффициент горизонтальной динамики
горизонтальная сила, действующая от колесной пары на рельс, (рамная сила)
Вертикальная реакция рельса, действующая на левое колесо
на правое колесо 
Вертикальная реакция действующая
На левую опору оси
на правую опору оси
Поперечная составляющая силы трения правого колеса о рельс
боковая сила
Изгибающий момент от инерционных сил, действующий в сечении
Под левой опорой оси
под правой опорой оси
Изгибающие моменты и напряжения в расчетных сечениях.
От расчетных нагрузок.
где WI,WII,WIII,WIV – моменты сопротивления изгибу расчетных сечений оси.
Для круглого сечения
От статической нагрузки
Коэффициенты перегрузки осиМаксимальные
Минимальные
Для накатанных осей в сечении I-I 150 мН/м2, в сечении II-II 150 мН/м2, в сечении III-III 135 мН/м2, в сечении IV-IV 180 мН/м2.
Результаты расчета оси колесной пары на усталостную прочность приведены в табл. 5.3.
Значение коэффициента запаса усталостной прочности n находим по номограмме в зависимости от максимальных и минимальных значений коэффициента перегрузки оси [1, стр. 115].
Получили следующие значения запаса усталостной прочности:
n1 = 2.5 > [n];
n2 = 1.9 = [n];
n3 = 2.5 > [n];
n4 = 2.2 > [n];
Таким образом, во всех рассматриваемых сечениях оси получено n> [n], следовательно, образование трещин в осях будет наблюдаться не чаще, чем у надежно эксплуатируемых колесных пар, ось имеет повышенную долговечность, то есть срок службы больше или равен принятому сроку службы в расчетах.
Таблица 5.2.
Нагрузки, действующие на ось колесной пары.
| Статическая нагрузка | Рст, кН | 104,53 |
| Коэффициент вертикальной динамики | Кд | 0,32 |
| Динамическая нагрузка: от вертикальных колебаний кузова от центробежных сил в кривых от давления ветра | Рд, кН Рц, кН Рв, кН | 0,0327 0,0664 0,0558 |
| Суммарная вертикальная нагрузка: для левой шейки оси для правой шейки оси | Р1, кН Р2, кН | 104,6 104,4 |
| Ускорения буксовых узлов: левого правого | j1, доли j2, доли | 3,31 0,209 |
| Масса необрессоренных частей | mн, кг | 361 |
| Ускорение левого колеса | Jн, доли | 2,89 |
| Вертикальные инерционные нагрузки: для левой шейки оси для правой шейки оси для средней части оси со стороны левого колеса | Рн1, кН Рн2, кН Рнс, кН Рнк, кН | 1,194 0,754 0,460 1,159 |
| Коэффициент горизонтальной динамики | kг | 0,13 |
| Рамная сила | Н, кН | 2,288 |
| Вертикальная реакция: на левое колесо на правое колесо на левую опору оси на правую опору оси | Ра, кН РЬ, кН Рс, кН Rd, кH | 107,05 103,094 105,891 103,159 |
| Сила трения правого колеса о рельс | Н2, кН | 25,77 |
| Боковая сила | Н1, кН | 28,05 |
| Изгибающий момент от инерционных сил: под левой опорой оси под правой опорой оси | Мл, кНм Мп, кНм | 13,242 12,24 |
Таблица 5.3.