6. Динамическое вписывание тепловоза в кривые

При динамическом вписывании определяются горизонтальные усилия, передаваемые колесами локомотивного экипажа (тележки) на головки рельсов для наихудшего сочетания действующих нагрузок – положения наибольшего перекоса. При этом учитываются следующие силы:

1. Горизонтальные составляющие силы трения бандажей колесных пар о рельсы F₁-F₆;

2. Центробежная сила С;

3. Горизонтальная составляющая центробежной силы С₁, возникающая от веса локомотива при движении локомотива в кривой с возвышением наружного рельса;

4. Боковые реакции со стороны рельсов от воздействия на них колес (направляющие усилия) Y₁-Y₆;

5. Боковые давления колес на головки рельсов Y'₁-Y'₆, представляющие собой разности между направляющими усилиями и силами трения бандажей о рельсы;

6. Возвращающие силы и их моменты при наличии в экипаже возвращающих устройств, а также моменты сил трения в опорах.

Для оценки динамических качеств локомотива необходимо определить внешние силы (направляющие усилия Y₁ и Y₃), уравновешивающие силы и моменты приложенные к передней тележке локомотива по ходу движения.

6.1. Порядок вписывания.

Вычерчиваем схему тележки тепловоза (см. приложение 4). Центр поворота  наносится на схему из условия, что тележка находится в положении наибольшего перекоса. В данном случае полюсное расстояние первой (направляющей) колесной пары определяется из выражения, м:

,

где R_Д = 400 м – радиус кривой для динамического вписывания.

.

Полюсные расстояния второй и третьей колесных пар находятся согласно расчетной схеме.

По результатам построения:

₁ = 8,22, ₂ = 13,5, ₃ = 35,11;

sin₁ = 0,143, sin₂ = 0,233, sin₃ = 0,575;

cos₁ = 0,989, cos₂ = 0,972, cos₃ = 0,818;

r₁ = 5434, r₂ = 3352, r₃ = 1389.

Составим уравнения равновесия:

,

.

Определим силы, входящие в уравнения равновесия.

Силы трения в опорных точках:

,

кН,

где 2П – максимальная нагрузка на ось (по заданию), кН;

= 0,25 – коэффициент трения между рельсами и бандажами.

Центробежная сила, приходящаяся на тележку:

,

,

где v – скорость движения локомотива, км/ч;

G – часть подрессоренного веса тепловоза, приходящаяся на тележку, кН; примем G = 12 , где – статическая нагрузка на пружину, кН.

Составляющая центробежной силы, возникающая при движении локомотива в кривой с возвышением:

,

кН,

где h = 0,115 – возвышение наружного рельса в кривой, м.

Угол поворота тележки для положения ее наибольшего перекоса определяется по формулам для передней тележки:

,

.

где L – база тепловоза, м;

 – угол поворота передней тележки, рад.

Суммарный момент М определим по графику [1, рис. 10]. М=12 кНм.

Отклонения тележки:

,

где d = 20 мм – максимальный поперечный ход шкворня.

По отклонениям с помощью графика [1, рис. 11] определим возвращающие силы: В_Р1 = 16 кН, В_Р2 = 14 кН.

Возвращающий момент М_В, появляющийся вследствие разности возвращающих сил В_Р, создаваемых передними и задними опорами (В_Р1 и В_Р2 соответственно) определяется по формуле:

,

кНм.

Момент М_ТР определяется по формуле:

М_ТР = М – М_ВР,

М_ТР = 12 – 10,66 = 1,34 кНм.

Выразим аналитически Y₁ и Y₃ в виде функций от v:

;

;

.

Подставим выражение для Y₃ в выражение для Y₁:

;

После этого наоборот, подставим выражение Y₁ в выражение для Y₃:

;

;

.

Допускаемая скорость движения локомотива в кривой определяется из условия комфортабельности по наибольшей величине непогашенного ускорения a_Н = 0,7 м/с²:

,

км/ч,

где h – возвышение наружного рельса в кривой, мм.

Коэффициент горизонтальной динамики:

К_ГД = 1 + 0,002v.

Боковое давление колеса на рельс:

.

Рамное давление:

.

График четырех зависимостей Y₁=f(v), Y₃=f(v), Y_1д=f(v), Y_Р=f(v) будет представлять из себя горизонтально-динамический паспорт спроектированного тепловоза, см. рис. 1.

В соответствии с техническими требованиями на проектируемые локомотивы расчетное значение бокового давления Y_1д не должно превышать 100 кН, что и выполняется в нашем случае.

Рис.2. Динамический паспорт тепловоза.