Теория подвижного состава. Тягово-скоростные свойства

Грузоподъемность ПС mгр определяется по формуле:

mгр nэmэ zпас mпас mб ,

где nэ – количество членов экипажа (водитель, кондуктор и др.); mэ – масса члена экипажа:

mпас – масса пассажира;

mб – масса ручной клади (багажа одного пассажира). Принимаются следующие значения параметров масс:

–масса члена экипажа 75 кг;

–масса пассажира 68 кг;

–масса ручной клади 3 кг.

Методика определения вместимости пассажиров в автобусе изложена в Правилах ЕЭК ООН №№ 36, 52 и 107. При определении номинальной пассажировместимости учитывается количество мест для сидения zпас.сид и для проезда пассажиров стоя zпас.ст стоя. Общее количество мест вычисляется по формуле:

zпас zпас.сид zпас.ст zпас.сид Аст / ст,

где Аст – площадь, предназначенная для перевозки пассажиров стоя;ст – норма площади на одного пассажира.

Норма площади ст в городском ПС при номинальной вместимости – 0,2 м2/пас. (5 чел/м2); в часы пик – 0,125 м2/пас. (8 чел/м2).

Приближенно пассажировместимость в городском подвижном составе можно оценить, воспользовавшись табл. 3.3 [13].

Таким образом, различают полную и снаряженную массы подвижного состава, величины которых зависят от класса подвижного состава. Снаряженную массу подвижного состава можно приближенно

151

определить, воспользовавшись формулой, которая связывает базу подвижного состава с его снаряженной массой, или формулами, в которых снаряженная масса является функцией его пассажировместимости. Полная масса подвижного состава включает в себя массу членов экипажа и массу перевозимых пассажиров с их ручной кладью.

3.4. Определение числа мостов, колесной формулы и геометрических параметров подвижного состава

Число мостов троллейбусов определяется из условия рационального распределения между ними полной массы троллейбуса (электробуса) с учетом допустимой нагрузки на дорогу.

Директивами ЕС 85/3, 86/360, 88/212, 89/338 установлены предельные нормы осевых и габаритных параметров автомобилей. Эти же нормы распространяются и на троллейбусы. Предельные значения осевых нагрузок зависят от конструктивного исполнения мостов и количества колес на каждом мосту. Нагрузки на ведущие мосты не должны превышать следующих значений: для мостов со сдвоенными колесами – 115 кН; для мостов с одинарными колесами – 92 кН. Предельные нагрузки на ведомые мосты: со сдвоенными колесами – 101,7 кН; с одинарными управляемыми колесами – 71,2 кН.

Предельные полные массы транспортных средств установлены в зависимости от количества мостов. Для двухосных одиночных транспортных средств предельно допустимая масса составляет 18 т; трехосных одиночных – 25 т; для трехосных седельных транспортных поездов (сочлененных троллейбусов) – 28 т.

Всоответствии с действующими строительными нормами и правилами СНиП 2.05.02-95 все дороги общего пользования транспортной сети стран СНГ делятся на пять категорий. Технические показатели дорожных условий, по которым относят дорогу к определенной категории являются: расчетная интенсивность движения транспорта в сутки; расчетная скорость; число полос движения; ширина полосы; наибольшие продольные уклоны; наибольшая продольная видимость до остановки и до встречного ТС; наименьшие радиусы кривых в плане.

Встранах СНГ для дорожных транспортных средств установлены два предела допустимой нагрузки на одиночный мост, в соответствии

152

с которой они подразделяются на две группы: группу А с осевой нагрузкой до 98,1 кН и группу Б с осевой нагрузкой до 58,8 кН.

У автобусов и троллейбусов обычно передние управляемые мосты выполняются с одинарными шинами (мост имеет два колеса), а задний – со сдвоенными шинами (мост имеет четыре колеса). Принимая условие одинаковой нагруженности всех шин, количество мостов можно определить по следующим формулам:

– при n1 мостах с одинарными шинами и n2 мостах со сдвоен-

на дорогу.

Полученное значение количества мостов округляется в большую сторону и рассчитывается распределение массы подвижного состава между мостами (устанавливаются продольные координаты центра масс). Наиболее рациональное распределение полной массы машины достигается при условии равенства нагрузок на всех шинах.

Вэтом случае масса троллейбуса, приходящаяся на одну шину mш,

инормальная нагрузка Fz на шину определяются по формулам:

где nс.ш – суммарное количество шин на всех мостах троллейбуса. Распределение полной массы троллейбуса между мостами при

одинаковой нагрузке всех колес определяется по формулам:

где m1 – масса, приходящаяся на передний мост; m2 – масса, приходящаяся на задний мост; nш1 – количество шин переднего моста;

nш2 – количество шин заднего моста.

Равномерное распределение нагрузок между шинами позволяет повысить эксплуатационную эффективность троллейбуса. Обычно

153

масса, приходящаяся на ведущий мост, колеса которого имеют сдвоенные шины, как указывалось выше, принимается равной 0,67–0,70 полной массы троллейбуса. Масса пассажирского полуприцепа составляет 0,4–0,6 массы первого звена сочлененного троллейбуса.

После установления нормальных нагрузок на мосты троллейбуса производится выбор шин. Тип шины выбирается в зависимости от назначения троллейбуса с учетом предъявляемых к нему требований. Размер шины зависит от нагрузки, приходящейся на наиболее нагруженные колеса проектируемыго троллейбуса. Они оказывают влияние на параметры, характеризующие приемистость троллейбуса. Поэтому предпочтительней использовать шину минимально возможного размера. Ограничением является допускаемая нагрузка на шину, указанная в стандартах. Там же приводится информация о статическом радиусе rст шины при номинальных значениях давления воздуха рв и нормальной нагрузке Fz = Gк.

При этом необходимо обеспечить возможность нормального трогания троллейбуса с места и движение без существенного буксования ведущих колес. Проходимость троллейбуса в данных дорож-

ных условиях, характеризуемых коэффициентами сцепления и суммарного дорожного сопротивления , обеспечивается при выполнении условия:

Динамический радиус ведущего колеса rд на дорогах с твердым покрытием можно принимать равным статическому радиусу rст. Радиус колеса в ведомом режиме для шин грузовых автомобилей и троллейбусов равен rк0 = 1,03 rд. Радиус качения ведущего колеса rк определяется по формулам с учетом буксования колеса, согласно которым он зависит от вращающего момента Мк, подводимого к ведущему колесу. Однако при решении проектных задач по определению основных параметров троллейбуса обычно эту зависимость не

учитывают и принимают rк = rд = rст.

Одним из показателей проходимости троллейбуса является коэф-

фициент сцепной массы :

154

Из выражений (3.1) и (3.2) следует, что увеличение сцепной массы mсц приводит к повышению проходимости троллейбуса, т. е. к улучшению тягово-скоростных свойств.

Минимально допустимое значение коэффициента сцепной массыmin определяют из условия надежного трогания с места и движения

по скользкой дороге с коэффициентом сцепления х = 0,2 и коэффициентом сопротивления качению f = 0,008–0,012 на подъеме с наибольшим допустимым для дорог с капитальным покрытием уклоном i = 0,05. Используя формулы (3.1) и (3.2), находим:

Однозвенные трамвайные вагоны, как указывалось выше, выполняются с двумя ведущими тележками, каждая из которых имеет две ведущие колесные пары. При этом рекомендуется равномерное распределение массы трамвая по осям. Из сочлененных трамваев наибольшее распространение получили трехзвенные трамвайные вагоны. Они имеют 6 колесных пар, их которых 4 колесные пары явля-

ются ведущими, следовательно, они имеют колесную формулу 6 4 (по две ведущие колесные пары на крайних звеньях, среднее звено имеет две поддерживающие колесные пары).

Геометрические параметры подвижного состава зависят от на-

значения ПС и от принятой компановки, определяющей его общий вид. На этапе функционального проектирования разрабатыватся макет общего вида подвижного состава. При этом используется информация о существующих аналогах.

Предельные значения габаритных размеров транспортных стедств регламентированы Директивами ЕС 58/3, 86/360, 88/212, 89/338. Согласно этим документам, предельно допустимые габаритные размеры автомобилей и троллейбусов не должны превышать следующих значений (рис. 3.1, а): ширина – 2,55 м; габаритная высота – 4 м; полная длина одиночного троллейбуса – 12 м; сочлененного двухзвенного троллейбуса – 18 м.

Предельно допустимые габаритные размеры трамвайных вагонов (рис. 3.1, б): ширина – 2,50 м; габаритная высота (по опущенному токоприемнику) – 4 м; габаритная длина кузова одиночного четы-

155

рехосного трамвая – 15,27 м (по выступающим бамперам – 15,80 м); габаритная длина кузова сочлененного трехзвенного трамвайного вагона – 26,0 м.

Рис. 3.1. Расчетные схемы для определения габаритных и весовых показателей однозвенного подвижного состава:

а – троллейбус; б – трамвай

Колея В и база L подвижного состава выбираются по аналогам. Отношение длины Lпс троллейбусов и трамвайных вагонов к базе L по соображениям плавности хода и вписывания в коридор движения минимальной ширины должно составлять:

Для вагонов метрополитена:

k LLпc 1,55.

Величину заднего свеса l2 троллейбуса и нормальные реакции дороги следует определять, исходя из условия несущей способности шин ходовых колес. Так как несущая способность шин колес ведомого и ведущего мостов троллейбуса обычно одинакова, то статическая нагрузка троллейбуса распределяется между мостами пропорционально количеству ходовых колес (рис. 3.1, а):

156

где n1 и n2 – количество ходовых колес ведомого и ведущего мостов; n – общее количество колес троллейбуса:

l2 L2пс k1L.

Полагая распределение статической нормальной нагрузки на ходовые части вагонов трамвая и метрополитена одинаковым (к чему необходимо стремиться), можно определить длину переднего l1 и заднего l2 свесов, а также реакции путевой структуры RZ (рис. 3.1, б):

При вписывании в габарит трамвайных вагонов стремятся получить максимальную длину вагона при сохранении его полной ширины в средней части кузова. Из условия равенства выносов Yвын кузова вагона внутрь и наружу при вписывании в кривую (рис. 3.2, а)

соотношение между длиной прямоугольной части кузова Lпс и его базой L определяется выражением:

аб

Рис. 3.2. Схема расчета выноса и сноса трамвая при движении в кривой (а) и габарит четырехосного трамвая в плане (б)

157

При увеличении длины кузова трамвайного вагона до 15,3 м контур основания вагона выполняется со срезами боковых стенок кузова по концам с шириной торцов Вт < Bпс. Ширина торцовых стенок трамвайных вагонов колеи (1524 мм) сужается до размера Bт = 1,8–1,1 м (рис. 3.1, б).

Шарнирно-сочлененный ПС наземного ГЭТ может иметь две кузовные секции, две кузовные секции и укороченную межкузовную вставку или три кузовные секции.

При проектировании двухзвенного шарнирно сочлененного подвижного состава соотношение длин головной секции кузова Lгол и второй Lпр определяют из условия вписывания в кривые с минимальной шириной дорожного коридора. Обычно принимают наименьшее увеличение ширины полосы движения на поворотах. Наилучшую маневренность имеют сочлененные троллейбусы, у которых отношение длин второй и головной секции Lпр / Lгол = 0,75. При проектировании двух- и трехзвенного рельсового подвижного состава целесообразным с точки зрения повышения маневренности сочлененного трамвая может оказаться применение двух кабин водителя (трамвай АКСМ 843).

После определения габаритных размеров кузова ПС, размещения ходовых частей, выбора типа и количества дверей приступают к планировке салона. В окончательном варианте вместимость спроектированного подвижного состава не должна отличаться от задания больше чем на +5 пассажиров.

После чего определяются координаты центра масс подвижного состава с номинальным числом пассажиров – продольные координаты а и b и высота hc. Для однозвенного троллейбуса при выбранном значении базы L и принятых значениях масс m1 и m2, относящихся соответственно к переднему и заднему мостам, вычисляют продольные координаты центра масс:

Вертикальную координату центра масс hc однозвенного низкопольного троллейбуса при номинальной загрузке салона приблизительно можно определить из соотношения:

hc 0,125 0,135 L.

158

При расчетах, если отсутствуют массово-геометрические характеристики узлов подвижного состава, используют данные по серийным аналогам подвижного состава.

Диапазон максимальных скоростей подвижного состава определяется условиями обеспечения надежного токосъема с контактного провода, безопасностью движения, действующими нормативными документами, скоростными показателями подвижного состава аналога, тенденциями развития троллейбусо- и трамваестроения. Он находится в пределах 55–70 км/ч при движении по горизонтальной дороге и не менее 30–40 км/ч при движении на подъем с уклоном дороги 3 %.

3.5. Определение передаточного числа трансмиссии

При проектировании нового подвижного состава передаточное число трансмиссии uтр (ведущего моста троллейбуса или редуктора трамвая) обычно неизвестно. Для рассчета требуемого передаточного числа трансмиссии uтр (ведущего моста или редуктора) подвижного состава отсутствуют соответствующие формулы. В теории мобильных машин изветны несколько формул, в которые входит передаточное число трансмиссии:

– момент на ведщих колесах:

Mк.в Мдвuтр тр;

– угловая скорость ведущих колес:

к.в дв . uтр

Однако из приведенных формул невозможно непосредственно определить передаточное число трансмиссии, так как число неизвестных больше числа уравнений.

Передаточное число трансмиссии uтр выбирается из условия обеспечения максимальной кинематической скорости подвижного соста-

ва к.max. Кинематическая скорость – это установившаяся скорость,

159

соответствующая максимальной частоте вращения вала электродвигателя nр, при которой подвижной состав способен преодолевать сопротивление движению с заданной скоростью max. Значение кинематической скорости к.max обычно принимают равной максимальной скорости max, при которой определяется мощность электродвигателя Р . Следует иметь в виду, что скорости к.max и max

различны. Из формулы (2.4) видно, что к.max зависит от принятых постоянных параметров электродвигателя и трансмиссии, следова-

тельно, кинематическая скорость величина постоянная ( к.max = const).

Скорость же max переменна, так как ее значение еще зависит от состояния опорной поверхности и массы подвижного состава.

При установившемся движении (а = 0) сила тяги ведущих колес Fк равна силе сопротивления Ff движению, т. е. Fк = Ff. Силу тяги ведущих колес рассчитывают по формуле:

Fк Mдвuтр тр / rк,

где Мдв – вращающий момент, развиваемый электродвигателем в заданных условиях движения;

uтр – передаточное число трансмиссии;

тр – КПД трансмиссии;

rк – кинематический радиус ведущих колес.

Скорость движения подвижного состава рассчитывается по формуле:

В зависимости от принятого при разработке подвижного состава

радиуса ведущих колес rк.в передаточного числа uтр и КПД тр трансмиссии можно получить при выбранной мощности тягового

электродвигателя Рном = Fк различные значения силы тяги ведущих колес подвижного состава и скорости его движения. Для пассажирского подвижного состава, чтобы достигнуть высоких скоростей движения, выбирают по возможности меньшие значения передаточных чисел трансмиссии. Однако при этом должны быть обеспечены

160