Объекты исследования

Твердотельная модель надрессорной балки тележки грузового вагона (рисунок 5.2).

Рис 5.2 Твердотельная модель надрессорной балки

Порядок выполнения работы

1) Открыть твердотельную модель надрессорной балки в программном комплексе SolidWorks.

2) Запустить SimulationXpress. В мастере SimulationXpress задать материал надрессорной балки, ограничения и нагрузку по таблице 1.2.

3) Получить значение коэффициента запаса прочности надрессорной балки от статической нагрузки и отобразить распределение напряжений в надрессорной балке. Сохранить полученные результаты.

4) Проанализировать результаты экспресс анализа прочности надрессорной балки.

5) Составить отчет в редакторе Word, скопировав в него полученные результаты расчёта прочности надрессорной балки с помощью кнопки Print Screen.

Содержание отчета

Тема занятий; дата выполнения; цель работы; результаты работы; ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1) Поясните назначение надрессорной балки.

2) Как осуществляется передача вертикальной нагрузки, приходящейся на надрессорную балку?

3) Какие марки стали используют для изготовления надрессорных балок грузовых тележек?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

Изучение конструкции поглощающего аппарата с помощью твердотельной модели. Анализ прочностных характеристик твердотельной модели поглощающего аппарата

Цель работы: изучить устройство поглощающих аппаратов грузовых вагонов. Провести анализ прочностных характеристик твердотельной модели поглощающего аппарата с помощью программного комплекса SolidWorks (приложение SimulationXpress).

Краткие сведения из теории

Упряжное устройство предназначено для передачи ударно-тяговых усилий на раму вагона и смягчения их действия. Оно состоит из тягового хомута поглощающего аппарата, клина упорной плиты и упорных угольников. К деталям крепления упряжного устройства на вагоне относятся нижняя поддерживающая планка и верхние ограничительные планки.

Поглощающий аппарат предназначен для смягчения продольных (растягивающих и сжимающих) усилий, возникающих при эксплуатации в подвижном составе, и передачи их на раму и другие части вагона. Смягчение действия усилий обеспечивается путем преобразования кинетической энергии взаимодействующих масс в работу сил трения и в потенциальную энергию деформации упругих элементов аппарата.

Надежная работа поглощающего аппарата в автосцепном устройстве имеет большое значение, так как предохраняет конструкцию вагона, а также перевозимый в них груз и пассажиров от вредных динамических воздействий, что особенно важно в настоящее время в связи с повышением масс поездов и скоростей их движения, роста интенсивности маневровых операций.

Поглощающие аппараты могут быть различных конструкций: пружинные, пружинно-фрикционные, резиновые, резино-фрикционные, резино-металлические, гидравлические, пневматические (газовые), гидропневматические, гидрофрикционные и эластомерные.

Пружинные аппараты в упряжных приборах автосцепки не применяются, так как стальные пружины слабо поглощают энергию ударяющихся вагонов, а также имеют большую обратную отдачу, вредно действующую на подвижной состав и перевозимый груз.

На подвижном составе железных дорог РФ широко применяются пружинно-фрикционные аппараты. Их действие основано на том, что энергия удара, возникающая при взаимодействии вагонов в поезде, а также при соударениях их во время маневров, поглощается главным образом за счет работы сил трения конусообразных фрикционных клиньев, продвигающихся по внутренним стенкам корпуса аппарата, и частично преобразуется в потенциальную энергию сжатия пружин. При этом работа сил трения расходуется на износ и нагревание деталей, т.е. является необратимой, а работа, затрачиваемая на сжатие пружин, обеспечивает расжатие их и возращение всех деталей в первоначальное положение после прекращения действия внешней силы.

Около 40 % четырехосных вагонов, находящихся в эксплуатации, оборудованы поглощающими аппаратами Ш-2-В.

Аппарат Ш-2-В состоит из литого корпуса, трех штампованных фрикционных клиньев, штампованного нажимного конуса, наружной и внутренней пружин, стяжного болта с гайкой. С целью увеличения пространства для пружинного комплекта в аппарате не предусмотрена нажимная шайба, поэтому фрикционные клинья опираются непосредственно на пружины.

В 2008 г. поглощающий аппарат Ш-2-В снят с производства как не отвечающий требованиям норм безопасности НБ ЖТ ЦВ-ЦЛ 022-2000 «Устройства автосцепные подвижного состава железных дорог» по энергоемкости для аппаратов класса Т0.

Пружинно-фрикционный аппарат типа Ш-6-ТО-4 для грузового четырехосного подвижного состава состоит из корпуса, выполненного за одно целое с тяговым хомутом, отъемного днища, нажимного конуса, трех фрикционных клиньев, опорной шайбы, наружной пружины, двух внутренних пружин, между которыми установлена промежуточная шайба, и стяжного болта с гайкой. Аппарат Ш-6-ТО-4 взаимозаменяем с аппаратом Ш-2-В по установочным размерам. Однако при установке данного аппарата в вагоны прежней постройки требуется модернизация упоров, обеспечивающих свободное размещение между ними съемного днища.

Пружинно-фрикционный поглощающий аппарат ПМК-110А с металлокерамическими элементами применяется в рефрижераторном подвижном составе, платформах для перевозки контейнеров и частично – восьмиосных вагонах. В целях повышения энергоемкости и стабильности характеристик в качестве фрикционных элементов здесь применены металлокерамические пластины.

Поглощающий аппарат ПМК-110А состоит из корпуса, в котором размещены наружная и внутренняя пружины, опорной пластины, фрикционных клиньев, нажимного конуса. Между боковыми стенками корпуса и неподвижными пластинами размещаются подвижные пластины. Детали аппарата фиксируются стяжным болтом с гайкой.

С 2004 года освоен серийный выпуск поглощающего аппарата РТ-120. В качестве упругого узла в нем применен комплект из пяти полимерных элементов, поджатых с помощью шайбы, трех фрикционных клиньев и нажимного конуса.

Особенностью фрикционного узла, в отличие от других аппаратов шестигранного типа (таких как Ш-2-В), является наличие на внутренних поверхностях корпуса в зоне работы клиньев бронзовых вставок. Они стабилизируют трение и позволяют снизить износы трущихся деталей. Кроме того, аппарат вместо стяжного болта имеет направляющий стержень, которвый служит для центрального сжатия упругого комплекта. Устройство поглощающего аппарата показано на рисунке 6.1.

Р Т-120 ПМКП-110

Рис. 6.1 Поглощающие аппараты класса Т1

Сам корпус поглощающего аппарата отливают из легированной стали, получившей название РИЦ-1. После литья он подвергается специальной термообработке с высокоточной закалкой и отпуском. Нажимной конус и фрикционные клинья, выполненные из другой легированной стали, также проходят специальную термообработку.

Несомненное достоинство данной модели – длительный ресурс. Однако процесс приработки данного аппарата занимает довольно большой промежуток времени. К недостаткам можно отнести общую проблему поглощающих фрикционных аппаратов – нестабильность силовой характеристики.

Поглощающий аппарат ПМКП-110 класса Т1 разработан на базе серийно выпускаемого поглощающего аппарата ПМК-110К-23. В нем вместо пружинного комплекта используется подпорно-возвратное устройство, представляющее собой набор упругих полимерных блоков.

Применение полимерных блоков повышает полноту и энергоемкость силовых характеристик амортизатора. Достигается это за счет повышения жесткости подпорного комплекта, что позволяет уменьшить управляющие углы клиновой системы и, соответственно, стабилизировать трение на вспомогательных поверхностях.

Габаритные размеры 570 320 230 мм соответствуют размерам заменяемых аппаратов Ш-1-ТМ, Ш-2-В, Ш-2-Т, ПМК-110К-23 и других, не затрудняют установку и ремонт.

Аппарат сохранил положительные черты своего прототипа. Он обладает достаточно стабильной силовой характеристикой и быстрой приработкой, фактически с первых дней работы, что обеспечивает необходимые эксплуатационные показатели.

К недостаткам данной конструкции можно отнести наличие стяжного болта. В эксплуатации отмечены случаи самораскручивания (самозакручивания) гайки. При этом повреждается резьба стяжного болта, аппарат при снятии с вагона разваливается и требует сборки.

Пружинно-фрикционные поглощающие аппараты не вполне удовлетворяют требованиям эксплуатации. Их низкая энергоемкость и скачкообразный характер изменения силы сопротивления при нагружении приводит к повышенному уровню сил и ускорений, действующих на конструкцию вагона и перевозимый груз. Усталостные и прочностные повреждения конструкции вагона могут привести к аварийной ситуации, что особенно недопустимо для вагонов перевозящих опасные грузы. Улучшения характеристик (особенно энергоемкости) пружинно-фрикционных аппаратов можно добиться только за счет увеличения хода и потери взаимозаменяемости. Резинометаллические и гидравлические поглощающие аппараты автосцепного устройства, наряду с некоторыми преимуществами, также обладают рядом недостатков, осложняющих их использование на грузовом подвижном составе. Наиболее перспективным амортизирующим устройством автосцепного устройства можно считать эластомерный поглощающий аппарат.

Использование объемносжимаемых жидкостей (эластомера) в качестве рабочего тела является новой ступенью развития амортизирующих устройств автосцепного оборудования. При этом кинетическая энергия соударяющихся масс рассеивается за счет перетекания жидкости через дросселирующее отверстие, а возвращение рабочего элемента в исходное положение осуществляется за счет потенциальной энергии, накопленной при объемном сжатии жидкости.

Уральским конструкторским бюро вагоностроения (УКБВ) была разработана конструктивная схема эластомерного поглощающего аппарата (рисунок 6.2). Предложенная схема позволяет реализовать рабочий ход аппарата 120 мм и более, уплотнять одно подвижное соединение, обеспечить две опоры скольжения подвижного элемента и др. Корпус 1, дно переднее 2 и дно заднее 3 образуют рабочую камеру, заполненную эластомером 8. Полый шток 4, имеющий поршневую часть 5, через втулку 9 опирается на направляющий стержень 6, закрепленный в дне заднем. Второй опорой скольжения для штока служит втулка 7, закрепленная в дне переднем.

Рис. 6.2 Конструктивная схема эластомерного поглощающего аппарата с направляющим стержнем

О наличии на вагоне поглощающего аппарата повышенной энергоемкости, на кузове вагона в непосредственной близости от места установки аппарата ставится трафарет с указанием типа аппарата, условным номером предприятия, производившего установку аппарата, датой следующего капитального ремонта, условным номером предприятия, проводившего регламентный осмотр, датой следующего осмотра.

Необходимость применения в эксплуатации поглощающих аппаратов автосцепного устройства с различными характеристиками обусловлена целым рядом объективных причин. Повышение энергоемкости, применение аппаратов нового поколения (гидравлических и эластомерных) требует больших затрат и поэтому должно быть экономически оправдано. Одним из факторов, определяющих целесообразность применения тех или иных аппаратов, является вид перевозимого груза. Этот фактор необходимо рассматривать в двух аспектах – стоимости и степени опасности груза.

Для грузов высокой стоимости и чувствительных к динамическим нагрузкам целесообразно обеспечить более надежную защиту вагона от действия продольных сил и ускорений. Однако это возможно только при условии узкой специализации такого подвижного состава, введения специального тарифа и организации специализированных транспортных структур, которые будут арендаторами или собственниками вагонов.

Выбор поглощающего аппарата для вагонов, предназначенных для перевозки опасных грузов, должен производиться с учетом степени опасности груза для окружающей среды, жизни людей и разрушения прилегающих к железнодорожным путям гражданских и промышленных сооружений.

Показатели находящихся в эксплуатации и наиболее перспективных на сегодняшний день аппаратов при продольной силе не более 2 НМ приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1

Поглощающие аппараты автосцепного устройства грузовых вагонов

Модель аппарата	Производитель	Класс аппарата	Номиналь-ная энергоем-кость, кДж	Ход, мм	Номиналь-ная скорость соударения вагонов, км/ч	Масса, кг
Ш-2-В	Снят с производства	Т0	50	90	7,3	134
ПМК-110А	ОАО «БСЗ»	Особые случаи	65	110	8,7	158
ПМК-110К-23	ОАО «БМЗ»	(при следовании	65	110	8,7	158
Ш-6-ТО-4у	ФГУП «ПО УВЗ»	в ремонт)	65	120	8,7	307
РТ-120	ООО «Вагонмаш»	Т1 Не опасные грузы	70	120	9,2	120
Модель аппарата	Производитель	Класс аппарата	Номиналь-ная энергоем-кость, кДж	Ход, мм	Номиналь-ная скорость соударения вагонов, км/ч	Масса, кг
ПМКП-110	ОАО «БСЗ»	Т1 Не опасные грузы	70	120	9,2	150
73ZWу	ООО «ЛЛМЗ-КАМАХ»	Т2	110	90	10,5	214
АПЭ-95-УВЗ	ФГУП «ПО УВЗ»	Опасные грузы	108	95	10,5	170
АПЭ-90-А	ОАО «АВИААГРЕГАТ»	(нефте-продукты)	100	90	10,5	160
73ZW12	ООО «ЛЛМЗ-КАМАХ»	Т3 Опасные грузы (сжиженные	140	120	12,5	200
АПЭ-120-И	ОАО «АВИААГРЕГАТ»	газы, ядовитые вещества)	157	120	13,5	155