3418

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электрический железнодорожный транспорт»

ОСНОВЫ ДИНАМИКИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 190300 «Подвижной состав железных дорог»

специализаций «Электрический транспорт железных дорог», «Высокоскоростной наземный транспорт»

очной и заочной форм обучения

Составители: Н.А. Ефимов В.А. Силаев Н.Н. Капранов С.И. Карягин А.С. Тычков Н.Ф. Лукин

Самара

2014

1

УДК 629.423.1

Основы динамики подвижного состава : методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 190300 «Подвижной состав железных дорог» специализаций «Электрический транспорт железных дорог», «Высокоскоростной наземный транспорт» очной и заочной форм обучения. – Самара : СамГУПС, 2014. – 56 с.

Цикл лабораторных работ связан с изучением физической сущности динамических процессов, возникающих в элементах механического оборудования подвижного состава, и приобретением навыков моделирования и проведения эксперимента в указанной предметной области.

Утверждены на заседании кафедры 27 марта 2014 года, протокол № 7. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Составители: Ефимов Николай Николаевич Силаев Валерий Алексеевич Капранов Николай Николаевич Карягин Сергей Иванович Тычков Александр Сергеевич Лукин Николай Федорович

Рецензенты: к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Локомотивы» СамГУПС А.Ю. Балакин; доцент кафедры «Безопасность перевозок пассажиров и грузов» СамГУПС Г.Г. Киселев

Под редакцией составителей

Подписано в печать 30.04.2014. Формат 60x90 116 . Усл. печ. л. 3,5. Тираж 100 экз. Заказ 91.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2014

2

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение провозной и пропускной способности железных дорог невозможно достигнуть без улучшения динамических качеств подвижного состава (ПС). В дисциплине «Основы динамики подвижного состава» изучаются динамические явления, возникающие в ПС и рельсовом пути при движении ПС. Изучение данных явлений необходимо для правильного выбора схемы и параметров оборудования ПС, в частности, виброзащитных устройств (рессорное подвешивание, горизонтальные, продольные и поперечные связи колесных пар с рамой тележки и тележки с кузовом, подвешивание тягового двигателя, тягового редуктора и т. д.), а также для снижения динамических сил, действующих на несущие элементы механической части и железнодорожный путь, на оборудование ПС и находящихся в нем людей.

Цикл лабораторных работ, выполняемых в ходе изучения дисциплины «Основы динамики подвижного состава», позволяет овладеть знаниями, умениями и навыками, предусмотренными в федеральном государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования по направлению подготовки (специальности) 190300 Подвижной состав железных дорог (квалификация (степень) «специалист»), утвержденном приказом Министерства образования и науки РФ от 17 января 2011 г. N 71, согласно которому студент должен:

знать – основные динамические характеристики системы «подвижной состав – путь»; методы исследования колебаний и устойчивости движения подвижного состава;

уметь – исследовать динамику элементов подвижного состава и оценивать динамические качества и безопасность подвижного состава;

владеть – методами оценки динамических сил в элементах подвижного состава, методами оценки напряженного и деформированного состояния элементов подвижного состава, методами моделирования динамики и прочности.

Результатом освоения лабораторного курса должно стать обладание (частичное) студентом следующих компетенций:

ПК-7 – способность применять методы расчета и оценки прочности сооружений и конструкций на основе знаний законов статики и динамики твердых тел; исследовать динамику и прочность элементов подвижного состава, оценивать его динамические качества и безопасность;

ПК-33 – способность выполнять расчеты типовых элементов технологических машин и подвижного состава на прочность, жесткость и устойчивость, оценить динамические силы, действующие на детали и узлы подвижного состава; формировать нормативные требования к показателям безопасности; выполнять расчеты динамики подвижного состава и термодинамический анализ теплотехнических устройств и кузовов подвижного состава;

3

ПК-37 – способность выполнять математическое моделирование процессов и объектов на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований;

ПК-38 – умение составлять описания проводимых исследований и разрабатываемых проектов, собирать данные для составления отчетов, обзоров и другой технической документации.

Информация, получаемая на лабораторных занятиях, весьма важна для успешного прохождения производственной практики и освоения специальных дисциплин, изучаемых на последующих курсах. Следовательно, лабораторные работы являются важной составной частью курса и требуют соответствующего отношения со стороны студентов.

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЭЛЕМЕНТНОЙ И ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ЖЕСТКОСТИ РЕССОРНОГО ПОДВЕШИВАНИЯ

Цель работы: изучение физической сущности и основ расчета рессорного подвешивания.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД

Для определения статических характеристик элементов рессорного подвешивания в лабораторных работах применяется экспериментальный стенд, рис. 1.1.

Рис. 1.1. Стенд для статического исследования элементов рессорного подвешивания: 1 – плита; 2 – цифровое табло динамометра; 3 – силовая рама; 4 – динамометр; 5 – пневморессора; 6 – гайка;

7 – винт; 8 – манометр пневморессоры; 9 – манометр резервуара; 10 – блок питания; 11 – резервуар; 12 – компрессор; 13 – пульт управления; 14 – электропневматический клапан

Стенд представляет собой малогабаритный винтовой пресс и компрессорную установку, смонтированные на монтажной плите-столе 1. Основными частями стенда являются:

4

винтовой пресс 3, динамометр 4, компрессор 12, блок питания 10, резервуар 11, манометры пневморессоры 8 и резервуара 9 (либо датчики давления), электропневматический клапан 14, пульт управления компрессором и электропневматическим клапаном 13, учебная пневморессора 5 и другие элементы рессорного подвешивания.

Винтовой пресс установлен в левой части стенда и представляет собой сварной каркас с П-образной силовой рамой, в поперечной балке которой приварена гайка с квадратной резьбой для вертикального перемещения винта. На верхней части винта имеется рукоятка для вращения, на нижней части закреплен скользун. В основании пресса на металлическом листе установлен цифровой динамометр (до 1500 Н), который включается нажатием на угол корпуса в правом нижнем углу до щелчка.

В правой части стенда располагается малогабаритная компрессорная установка, состоящая из компрессора (12 В, 120 Вт), сетевого понижающего блока питания (220АС/12DC), резервуара (1,5 л), двух манометров и пульта управления. Резервуар накачивается напрямую компрессором до 2 атм (максимально до 10 атм), давление воздуха передается в пневморессору через электропневматический клапан. Сброс воздуха из пневморессоры осуществляется путем отворачивания подводящего штуцера, а резервуар сбрасывается путем удержания кнопки «клапан» на пульте управления. Цифровые манометры включаются однократным нажатием кнопки расположенной на их корпусе непосредственно перед накачиванием. Отключение динамометра и датчиков давления (вместо манометров) происходит автоматически по истечении 10–20 секунд.

Стенд предназначен для проведения лабораторных работ №1, №2 и №3.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. Расчет жесткости цилиндрической пружины

Основной характеристикой пружины является жесткость, которая численно равна нагрузке, вызывающей прогиб пружины на единицу длины. Жесткость каждой цилиндрической винтовой пружины для круглого сечения прутка (рис. 1.2) определяется по формуле, Н/м:

Gd 4

ж k 3 , (1.1)

8nЭ Dk

где k – индекс пружины (1 – внешняя, 2 – внутренняя); d – диаметр прутка, м;

D – диаметр навивки, м;

G – модуль упругости при сдвиге. Принимаем G = 8·104 МПа.

5

E – модуль упругости, принимаем Е = 21·104 МПа;

L, b, h – измеряют в метрах.

P

L

Рис. 1.3. Листовая рессора

За длину рессоры принимают расстояние L между центрами отверстий коренного листа. Стрелой прогиба рессоры называют расстояние от прямой, соединяющей центры отверстий в верхнем листе, до его поверхности в средней части рессоры. Разность стрел прогиба без нагрузки и под нагрузкой равна прогибу рессоры. Статическим fCT называют прогиб рессоры под статической нагрузкой Рст.

Относительный коэффициент трения рессоры

где P0 – сила трения от сжатия листов хомутом, Н; Z – прогиб рессоры, м;

j = 1 при нагрузке;

j = –1 при разгрузке.

Известно, что при расчете эквивалентной жесткости системы параллельно

где n – число пружин.

При последовательной работе пружин производится расчет эквивалентной гибкости суммированием составляющих гибкостей, м/Н:

n

где гn жn 1 – гибкость пружины, м/Н.

7

Порядок выполнения работы

1)Получить от преподавателя комплект элементов рессорного подвешивания.

2)Выполнить замеры конструктивных параметров рессорного подвешивания.

3)Произвести осевое нагружение – сжатие единичной цилиндрической пружины на лабораторном оборудовании. Замерить величину усилия сжатия и деформации пружины.

4)Выполнить п. 3 для двух цилиндрических пружин при параллельной работе.

5)Выполнить п. 4 при последовательной работе пружин.

6)Выполнить п. 3 для листовой рессоры.

7)Выполнить п. 3 для комплекта пружин и рессоры.

8)Построить опытные характеристики P = f(Z).

9)Из построенных характеристик получить экспериментальные значения жесткости пружин, рессоры и их комплекта, а также относительный коэффициент трения рессоры.

10)Найти теоретические значения жесткости и относительного коэффициента трения рессоры.

11)Сравнив полученные результаты, сделать выводы. Характер искомых зависимостей показан на рис. 1.4.

Р, Н

Рис. 1.4. Нагрузочные характеристики цилиндрической пружины, листовой рессоры и их последовательного соединения

Содержание отчета

1)Цель работы.

2)Эскизы цилиндрической пружины и листовой рессоры.

3)Результаты замеров сжатия упругих элементов рессорного подвешивания.

4)Опытные характеристики P = f(Z).

5)Экспериментальные и расчетные значения жесткостей опытных упругих элементов.

6)Выводы.

8

Контрольные вопросы

1)Объясните устройство стенда и порядок измерений.

2)Перечислите параметры цилиндрической пружины.

3) Как влияет соотношение диаметров прутков и навивки на распределение нагрузки

вдвухрядной пружине?

4)В чем физический смысл нагрузочной характеристики листовой рессоры?

5)Конструкция листовой рессоры, ее достоинства и недостатки.

6)Что такое длина, стрела прогиба рессоры?

7)Как рассчитать жесткость упругих элементов при последовательном и параллельном соединении?

8)Особенность нагрузочных характеристик рессоры и пружины с предварительным поджатием.

Лабораторная работа № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ РЕЗИНОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОВОДКОВ БУКСОВОГО УЗЛА

Цель работы: экспериментальное определение значения осевой жесткости резинометаллического шарнира, сравнение опытных и теоретических результатов.

Теоретические сведения

Применение в рессорном подвешивании подвижного состава резиновых деталей позволяет значительно улучшить его ходовые качества.

Благодаря сравнительно высоким допустимым относительным деформациям и наличию внутреннего трения удается создавать компактные упругие элементы, реализующие также рассеивание энергии, что позволяет, например, обходиться при их применении без гасителей колебаний в буксовой ступени рессорного подвешивания. Внутреннее трение в резине способствует поглощению колебаний звуковой частоты (шумов). Рассеивание энергии приводит к повышению температуры материала резины, что, в общем, нежелательно. Высокие допустимые относительные деформации сдвига позволяют создавать сферические и цилиндрические шарниры – сайлент-блоки, где опорные поверхности резины привулканизированы к арматуре, многослойные подвижные опоры и другие подвижные опоры, в которых не возникает поверхностное трение, а следовательно, не происходит изнашивание и нет необходимости в применении смазки. Деформация сжатия резинового амортизатора зависит не только от значений упругих постоянных (модуля упругости при растяжении-сжатии Е и модуля сдвига G), но и от формы и условий закрепления торцов резиновой детали на опорных поверхностях.

9

К недостаткам резины следует отнести зависимость физико-механических свойств от температуры окружающей среды, а ее прочность сильно снижается при нагревании. В рессорном подвешивании локомотивов применяют резиновые элементы, работающие на сдвиг, сжатие, а также сжатие и сдвиг одновременно.

Осевая жесткость резинометаллических шарниров поводков, состоящих из резиновых втулок – цилиндрических сайлент-блоков и торцовых резинометаллических шайб оказывает влияние на работоспособность подшипников буксы, а следовательно, на динамические качества локомотива. Шарнирно-поводковое буксовое подвешивание показано на рис. 2.1.

l

Рис. 2.1. Шарнирно-поводковый буксовый узел: 1 – торцовая шайба; 2 – резиновая втулка; 3 –поводок; 4 – валик, 5 – кронштейн рамы тележки; 6 – кронштейн буксы

Цилиндрические сайлент-блоки передают продольные силы, а резинометаллические шайбы-амортизаторы воспринимают преимущественно поперечные усилия.

Осевая жесткость резиновой втулки, Н/м:

где G – статический модуль упругости при сдвиге (МПа), равный:

10