5. Устойчивость колесной пары против схода с рельсов
Устойчивость колесной пары в рельсовой колее оценивается коэффициентом устойчивости колеса против схода с рельса, учитывающим соотношение вертикальных и горизонтальных составляющих сил, возникающих при движении вагона. При неблагоприятном сочетании вертикальных и горизонтальных сил, а также при нарушении условий загрузки и отклонении в состоянии вагона могут возникнуть случаи вползания гребня колеса на головку рельса, что приводит к сходу вагона с рельсов.
Определение коэффициента устойчивости колеса против схода с рельса подробно изложено в [2, с.236-237].
6. Расчет оси колесной пары условным методом
Условный (приближенный) метод может быть применен в эксплуатации при выяснении причины и для предупреждения излома или деформации оси, если они не вызваны перегревом буксового узла или другими явно выраженными факторами. При условном методе расчета на прочность ось рассматривается в статическом состоянии, на нее действует система сил, состоящая из вертикальной силы, равной 1,25р0, и горизонтальной Н=0,5р0, где р0 - максимальная статическая расчетная или фактическая нагрузка от колесной пары на рельсы; 1,25 и 0,5 - коэффициенты, учитывающие динамическое действие сил соответственно в вертикальном и горизонтальном направлениях. Подробно данный упрощенный метод расчета оси колесной пары изложен в [1, с.41-43; 2, с.232-235]. Кроме того, данный раздел должен содержать схему действия сил при условном методе расчета оси колесной пары [1, рис.2.20; 2, рис.4.28].
7. Расчет двухрядной цилиндрической пружины
В качестве упругих элементов рессорного подвешивания вагонов в основном применяют винтовые цилиндрические пружины. Они позволяют получить необходимые упругие характеристики при небольших габаритах и массах. Пружины изготавливают в соответствии с требованиями ГОСТ 1452-69.
В эксплуатации пружины испытывают сложные переменные нагрузки. Поэтому, для точного определения целесообразных размеров пружины, необходимо иметь полную статистическую характеристику нагрузок, которые испытывает пружина за все время эксплуатации. Если нет достаточного количества таких данных, выполняют приближенные расчеты, в которых косвенно учитывают факторы, влияющие на усталость рессор. Распространенным является расчет, при котором учитывается коэффициент конструктивного запаса прогиба.
Если при расчете пружины на заданную нагрузку ее размеры получаются очень большими, то однорядную пружину целесообразно заменить многорядной с меньшими диаметрами прутков и пружины, что особенно выгодно, когда пружины воспринимают длительную переменную нагрузку и могут разрушаться от усталости (предел выносливости пружин малого диаметра выше предела выносливости пружин большого диаметра). В вагонах часто применяют двухрядные пружины, вставленные одна в другую, что обеспечивает малые габаритные размеры комплекта пружин.
При известной нагрузке на пружину необходимо сначала выбрать марку стали для изготовления пружины, чтобы принять допускаемые напряжения. Далее определить геометрические характеристики эквивалентной однорядной пружины и только потом перейти к расчету двухрядной.
Наибольший расчетный прогиб упругого элемента определяется по формуле
,
(7.1)
где fст – статический прогиб рессорного подвешивания, мм;
kзп – коэффициент конструктивного запаса прогиба, величина которого должна быть не менее: для грузовых вагонов – при fст 50 мм kзп=1,8, при fст 50 мм kзп=1,7.
Наибольшую расчетную вертикальную силу определяют из выражения
, (7.2)
где P – статическая нагрузка, действующая на двухрядную пружину, кН;
kдвmax – максимальное значение коэффициента вертикальной динамики, определяется по формуле
,
(7.3)
где
– среднее вероятное значение коэффициент
вертикальной динамики.
Диаметр прутка эквивалентной однорядной пружины определяется по формуле
,
(7.4)
где Рр – расчетная сила, кН;
m – индекс пружины;
- допускаемое
касательное напряжение, МПа;
- поправочный
коэффициент, зависящий от индекса
пружины, определяется по формуле
.
(7.5)
Средний диаметр эквивалентной пружины определяется по формуле
.
(7.6)
Число рабочих витков эквивалентной пружины определяется по формуле
,
(7.7)
где G
– модуль сдвига,
Па.
Высота пружины в сжатом состоянии определяется по формуле, м
.
(7.8)
Высота пружины в свободном состоянии определяется по формуле, м
.
(7.9)
Диаметры прутков наружной и внутренней пружины определяются по формулам, мм
(7.10)
где d – диаметр прутка эквивалентной пружины, мм;
s3 – зазор между витками внутренней и наружной пружин, s3=3…5 мм;
m1=m2+1.
(7.11)
Средние диаметры наружной и внутренней пружины определяются по формулам, мм:
,
(7.12)
.
Число рабочих витков наружной и внутренней пружины определяются по формулам:
,
(7.13)
.
Высота пружин соответственно в сжатом и свободном состоянии, м:
,
(7.14)
,
,
(7.15)
.
Жесткости пружин наружной и внутренней определяются по формулам, МН/м:
,
(7.16)
.
Жесткость комплекта определяется по формуле, МН/м
.
(7.17)
Нагрузки на наружную и внутреннюю пружину определяются по формулам, кН:
,
(7.18)
.
В качестве проверки правильности расчетов необходимо определить касательные напряжения для наружной и внутренней пружин, которые должны получиться равными допускаемому напряжению выбранной марки стали, по формулам:
,
(7.19)
.
Полученные значения касательных напряжений необходимо сравнить с допускаемыми:
,
(7.20)
.
Если условие выполняется, значит, расчет был выполнен верно.