где Q – нагрузка на пружину.

Исходя из того, что на электровозах ВЛ10 применяются двухрядные пружины, следует, что нагрузки, приходящиеся на каждую из одной пары, будут неодинаковыми. Основным условием равнопрочности двухрядных пружин, применяемых на электроподвижном составе, являются одинаковые напряжения внутренней и наружной пружин, т.е.

Равенство напряжений без учета кривизны витков позволяет установить соотношения между нагрузками

, (3.8)

. (3.9)

С учетом приведенных выше соотношений произведем расчет наружных и внутренних пружин

3.3.1 Расчет внутренних пружин

Нагрузка на пружину (согласно 3.8)

(кГс)

Статический прогиб пружины

, (3.10)

(мм)

где D - средний диаметр витка;

n - число рабочих витков пружины;

Q – нагрузка на пружину в кГс;

G - модуль упругости материала при кручении;

G=8·10³ кГс/мм²;

d - диаметр прутка.

Касательные напряжения от кручения пружины

, (3.11)

кГс/мм²,

где D - средний диаметр витка в см;

d - диаметр прутка в см.

, (3.12)

.

Индекс пружины

, (3.13)

.

Полученное значение необходимо сравнить с допускаемым значением

. (3.14)

Допускаемое касательное напряжение [τ] пружины при кручении составляет 500...550 МПа (50...55 кГс/мм²).

Таким образом, расчётное значение напряжения оказалось меньше допускаемого (35,42 кГс/мм² < 50...55 кГс/мм²), т.е. условие выполняется.

Жёсткость пружины

, (3.15)

кГс/мм.

3.3.2 Расчет наружных пружин

Нагрузка на пружину (согласно 3.9)

(кГс)

Статический прогиб пружины (согласно 3.10)

(мм)

Касательные напряжения от кручения пружины (согласно 3.11)

кГс/мм²,

где D - средний диаметр витка в см;

d - диаметр прутка в см.

Здесь (согласно 3.12)

.

Индекс пружины (согласно 3.13)

.

Полученное значение необходимо сравниваем с допускаемым значением. Допускаемое касательное напряжение [τ] пружины при кручении как уже отмечалось выше составляет 500...550 МПа (50...55 кГс/мм²). Таким образом, расчётное значение напряжения оказалось меньше допускаемого (35,68 кГс/мм² < 50...55 кГс/мм²), т.е. условие выполняется. Жёсткость пружины (согласно 3.14)

кГс/мм.

Эквивалентная жесткость винтовых и листовых рессор составляет

(3.16)

кГс/мм

4. Расчёт развески тележки

Развеска представляет собой распределение массы электровоза по отдельным колёсным парам и колёсам. Неравномерное распределение вертикальной нагрузки приводит к снижению тяговых свойств электровоза из-за боксования разгруженных колёсных пар и ухудшению динамики электровоза из-за перегрузки колёс или колёсных пар. Кроме того, ухудшается поперечная устойчивость электровоза при движении в кривых.

Различают продольную и поперечную развески. При продольной развеске достигаются одинаковые давления от колёсных пар на рельсы, при поперечной - одинаковые давления колёс.

Различают также статическую и динамическую развески. Статическая развеска - это развеска электровоза, стоящего на прямом горизонтальном участке пути. Динамическая развеска представляет собой распределение нагрузок по колёсным парам и колёсам при движении электровоза и реализации им силы тяги или торможения.

В курсовом проекте рассматривается продольная статическая развеска тележки электровоза. Целью расчёта развески является определение места расположения опор кузова на тележки и приходящихся на них нагрузок.

Схема для расчёта продольной развески трёхосной тележки приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Схема для расчета продольной развески трёхосной тележки электровоза

; (4.1)

(мм);

; (4.2)

(мм);

; (4.3)

(мм);

; (4.4)

(мм);

; (4.5)

(мм);

; (4.6)

(мм);

; (4.7)

(мм);

Для определения нагрузок пользуемся следующими их ориентировочными значениями:

- масса передней концевой балки сварных рам несочленённых тележек Р₁= 100 кг;

- масса шкворневой балки сварных рам, которая несёт нагрузку от кузова и части тягового двигателя Р₂ = 600 кг;

- масса тягового двигателя ТЛ2К1 Р_дв = 5000 кг;

- интенсивность равномерно распределённой нагрузки двух совмещённых боковин рамы тележки q = 500 кГс/м.

Масса кузова Р_к, отнесённая к одной тележке, определяется как

, (4.9)

где - число осей в тележке;

- масса тележки.

. (4.10)

Здесь - масса подрессоренных частей тележки.

; (4.11)

(кг).

Тогда

(кг),

(кг).

Тогда реакция винтовых рессор на раму тележки в совмещённых точках подвешивания обеих боковин

, (4.12)

(кг).

При опорно-осевом подвешивании точка приложения нагрузки от подрессоренной части тяговых двигателей не совпадает с центрами тяжестей поперечных балок.

Этим обусловлены сосредоточенные моменты М_д1, М_д2 изображённые на расчётной схеме рисунка 4.1.

, (4.13)

где а_i - расстояние от центра тяжести поперечной балки до точки подвешивания тягового двигателя на эту балку.

Для литой шкворневой балки сварной рамы электровоза ВЛ10 а₁ = а₂ = 0,295 м.

Тогда

(кг*м),

Условие, обеспечивающее одинаковые давления от колёсных пар на рельсы, запишется уравнением

, (4.14)

(4.15)

Из этого уравнения можно определить место расположения опоры кузова на тележке х_к.

(4.16)

Для проверки баланса сил, приложенных к раме и изгибающих моментов, необходимо составить уравнение

, (4.20)

(4.21)

5. Расчёт прочности рамы

5.1 Силы, действующие на раму тележки

Рама тележки представляет собой сложную пространственную систему, которая подвергается воздействию больших сил и нагрузок:

- вертикальной статической нагрузки;

- вертикальной динамической нагрузки;

- центробежной силы и давления ветра;

- усилий, возникающих при работе тяговых двигателей;

- усилий, возникающих при торможении электровоза;

- кососимметричной нагрузки;

- продольной инерционной силы при ударе в автосцепку;

- усилий, возникающих при выкатке колёсных пар.

В зависимости от условий эксплуатации и режима работы электровоза перечисленные силы могут появиться отдельно или в совокупности.

При расчётах на прочность рамы тележек современных электровозов рассматриваются как статически неопределимые системы и расчёты выполняются методом сил.

Для приближённой оценки прочности рамы её можно рассматривать как статически определимую систему, состоящую из отдельных балок.

Расчёт на прочность сводится к определению изгибающих моментов и напряжений в характерных сечениях элементов рамы тележки.

Для определения напряжений, кроме изгибающего момента, необходимо знать геометрические характеристики сечений.

5.2 Определение геометрических характеристик

К геометрическим характеристикам поперечных сечений элементов рамы относятся момент инерции и момент сопротивления. В зависимости от назначения, конструкции и типа рам поперечные сечения элементов могут иметь разнообразные формы.

На рисунке 5.1 приведено расчетное поперечное сечение боковины сварной рамы тележки электровоза ВЛ10.

Рисунок 5.1 – Поперечное сечение концевой балки тележки ВЛ10

Параметры сечения ; ; ; ;

Ввиду несимметричности сечения относительно горизонтальной оси расчет геометрических характеристик будем производить табличным методом. Вспомогательную ось Y^| проведем через середины элементов 3 и 4. Результаты расчетов заносим в таблицу 5.1

Таблица 5.1- Расчет геометрических характеристик

В таблице 4.1 приводятся:

1) порядковый номер каждого элемента;

2) площадь сечения элемента;

3) расстояние от центра тяжести площади элемента до вспомогательной оси Y^|;

4) статический момент площади элемента относительно

вспомогательной оси;

5) расстояние от нейтральной оси сечения до центра тяжести площади сечения каждого элемента;

6) произведение F_i *Z_i²;

7) момент инерции сечения каждого элемента относительно собственной нейтральной оси.

Расстояние Z_С от вспомогательной оси до нейтральной оси всего сечения