1.1.3. Расчет оси от действия инерционных нагрузок при экстренном торможении.

В результате экстренного торможения колесная пара получает дополнительную вертикальную и горизонтальную нагрузку за счет инерционных сил, действующих на вагон (рис. 3).

Горизонтальные нагрузки колесной пары, связанные с действием инерционных сил, рассматриваются и учитываются в комплексе нагрузок колесной пары от действия тормозных сил. Вертикальные нагрузки колесной пары от действия инерционных сил связаны с перераспределением веса кузова между тележками и веса тележек между колесными парами благодаря тому, что центры тяжести кузова и тележек расположены выше плоскости осей колесных пар.

Инерционная сила от массы кузова определяется по формуле

(1.9)

где G_K – вес кузова с пассажирами; G_K=G–2·G_ТЕЛ;

G – полный вес вагона;

G_ТЕЛ – вес тележки;

dυ∕dt – замедление.

Замедление для вагонов, оборудованных рельсовым электромагнитным тормозом, можно принять равным 3÷3,5 м/с².

Вертикальная нагрузка на шейку оси колесной пары от инерционных сил кузова составит

(1.10)

где h_C – координата центра тяжести кузова вагона до плоскости пятников;

h_T – расстояние от плоскости пятников до оси колесной пары;

n_OT – число осей тележки;

Б – база вагона;

Б_Т – база тележки.

Шейки осей колесной пары будут догружаться также инерционными силами от массы тележки. Инерционная сила, действующая на тележку, может быть определена по формуле

(1.11)

Схема нагружения тележки представлена на рис. 3,б. Вертикальная составляющая, действующая на шейку оси от силы инерции тележки, равна

(1.12)

где h_T´ – расстояние от центра тяжести тележки до плоскости осей колесных пар.

Суммарная нагрузка на шейку оси колесной пары от действия инерционных сил равна

(1.13)

Горизонтальная составляющая сил инерции реализуется за счет сил сцепления Т_И.

Расчетная схема и эпюра моментов от инерционных нагрузок изображены на рис. 3,в. Максимальный момент в вертикальной плоскости определяется аналогично формуле (1.4).

1.1.4. Расчет оси от действия механических тормозных устройств

Величина, место и направление действия сил на колесную пару при механическом торможении зависит от вида тормоза, применяемого на вагоне. Рассмотрим расчет оси при различных тормозных устройствах.

а) Колесно-колодочный тормоз с односторонним нажатием тормозных колодок

Схема действия сил изображена на рис. 4.

Здесь Х_К – сила нажатия колодки на бандаж колеса; Х – реакция направляющих устройств в буксовом узле на силу нажатия;

В_Т – тормозная сила; В_К – реакция направляющих устройств на эту силу; Т_К – сила трения между колодкой и колесом; Z_K – реакция рельса на силу Т_К; В_СЦ – сила сцепления колеса с рельсом; В_Т´ – касательная тормозная сила.

Сила нажатия Х_К определяется из формулы

(1.14)

где φ_К – коэффициент трения между колодкой и поверхностью качения колеса.

Так как Т_К=В_К=В_СЦ, а сила сцепления может быть определена по формуле

(1.15)

то

(1.16)

где ψ – коэффициент сцепления колеса с рельсом. В расчетах может быть принят равным 0,25÷0,3. Коэффициент трения φ_К для чугунных колодок может быть принят 0,2 для пластмассовых колодок – 0,28.

Эпюры изгибающих моментов оси от действия тормозных сил показаны на рис. 4.

Преобладающими будут изгибающие моменты от сил Х_К. При колесно-колодочном тормозе с двусторонним нажатием, ось колесной пары будет подвергаться изгибу в горизонтальной плоскости только от тормозных сил В_Т, т.к. силы нажатия колодок в этом случае компенсируют друг друга.

б) Дисковый осевой тормоз с односторонним нажатием тормозных колодок.

Схема действия сил и возможного расположения тормозного диска на оси показана на рис. 5,а.

Обозначения силовых нагрузок и реакций приняты теми же, что и на рис. 4. Расстояние от оси до центра приложения равнодействующей сил трения обозначено через r_B.

Ось колесной пары подвергается деформациям изгиба в вертикальной плоскости от сосредоточенной силы Т_К, деформациям изгиба в горизонтальной плоскости от действия тормозной силы В_Т и кручению от момента М_Т. Эпюры изгибающих и крутящих моментов изображены на рис. 5,б.

Сила Т_К определяется по формуле

(1.17)

Максимальный момент

(1.18)

Крутящий момент

(1.19)

При дисковом осевом тормозе двусторонним нажатием ось колесной пары подвергается изгибу в горизонтальной плоскости от тормозной силы В_Т и кручению от момента.

в) Дисковый колесный тормоз с односторонним нажатием колодок.

Схема приложения сил изображена на рис. 6.

Ось колесной пары подвергается изгибу в горизонтальной плоскости от тормозных сил В_Т. Аналогичной деформации ось будет подвергаться при дисковом колесном тормозе с двусторонним нажатием.

г) Центральный тормоз

Тормоз, расположенный в цепи тяговой передачи, называется центральным. Тормозной момент М_Т от центрального тормоза через тяговую передачу передается на колесную пару, вызывая соответствующие деформации оси (рис. 7).

Тормозной момент, передаваемый на ось колесной пары, может быть подсчитан через передаточное число

(1.20)

где i - передаточное число редуктора.

Обозначим через Z_Ш – силу, действующую в зацеплении шестерен редуктора, через D_ZШ – диаметр большой шестерни. Схема сил, возникающих при торможении, показана на рис. 7,а, б.

Ось колесной пары при действии центрального тормоза будет подвергаться тем же деформациям, что и при установке дискового осевого тормоза с односторонним нажатием.

Расчетные нагрузки определяются исходя из следующих соотношений. Тормозной момент на оси колесной пары при расчете по сцеплению равен

(1.21)

Момент на колесе будет равен

(1.22)

Откуда усилие в зацеплении равно

(1.23)

Определив реакции от вертикальных нагрузок в рельсе можно подсчитать максимальный изгибающий момент вертикальной плоскости.