Проектирование тормозной схемы электровоза

Автоматические тормоза подвижного состава должны обеспечивать безопасность движения поездов, обладать высокой надежностью и безопасностью действия. Обеспечение этих условий позволяет повысить скорость движения и вес поездов, что приводит к увеличению провозной и пропускной способности железнодорожного транспорта.

Данный курсовой проект позволяет овладеть теоретическими и практическими знаниями проектирования автотормозной техники, изучить устройство и работу тормозных систем подвижного состава, ознакомиться с методами расчетов тормозного оборудования вагонов.

На железнодорожном транспорте применяется автоматический пневматический тормоз. Автоматическими называются тормоза, которые при разрыве поезда или тормозной магистрали, а также при открытии стоп-крана из любого вагона автоматически приходят в действие вследствие снижения давления воздуха в магистрали. Данный вагон также оборудуется авторежимом. Схема тормозного оборудования представлена на рисунке 2.1.

3. Расчет давления воздуха в тормозном цилиндре, при торможении

Давление в тормозных цилиндрах при торможении зависит от типа воздухораспределителя, величины снижения давления в тормозной магистрали, режима торможения у грузовых воздухораспределителей и загрузки вагона при наличии авторежима.

Для воздухораспределителей грузового типа давление в тормозных цилиндрах при полном служебном и экстренном торможении зависит от установленного режима. При порожнем режиме - 0,14 ~ 0,16 МПа; при среднем - 0,28 ~ 0,33 МПа; при груженом - 0,39 ~ 0,43 МПа.

При ступенчатом торможении давление определяется из условия равновесия уравнительного поршня

Ртц = (Fу·Ро + Ру + Жу·li)/ Fу,(3.2)

где Fу- площадь уравнительного поршня, 20·10-4 м2;

Ро- атмосферное давление, Па;

Ру- усилие предварительного сжатия режимных пружин, 185 Н;

Жу- суммарная жесткость режимных пружин, на порожнем режиме Жу = 8400 Н/м, на среднем - Жу = 8400 ~ 0,5·32700 Н/м; на груженом - Жу = 8400 ~ 32700 Н/м;

li - перемещения уравнительного поршня после i-й ступени торможения, м; li = hi - 0,0065;

hi - перемещения главного поршня после i-й ступени торможения, м.

Условие равновесия главного поршня

рркi·Fг = рзкi·(Fг - Fш) + Рг + Жгhi.(3.3)

Давление в рабочей камере после ступени торможения

рркi = (ррк Vр)/(Vр + Fгhi),(3.4)

где рзкi, рмi - абсолютное давление в золотниковой камере и тормозной магистрали при i-й ступени торможения, Па;

Fг - площадь главного поршня, 95·10-3, м2;

Fш - площадь штока главного поршня, 4,15·10-4, м2;

Рг - усилие предварительного сжатия пружины главного поршня, 200 Н;

Жг - жесткость пружины главного поршня, 28000 Н/м;

Vр - объем рабочей камеры, 6·10-3 м3;

ррк - абсолютное зарядное давление рабочей камеры, Па, ррк = рм;

рзкi = рмi.

В результате совместного решения уравнений (3.3) и (3.4) получается квадратное уравнение относительно hi.

Аhi2 + Вhi + C = 0,(3.5)

А = Жг·Fг,(3.6)

В = Жг·Vр + Fг·рмi(Fг - Fш) + Рг·Fг,(3.7)

С = Vр[(Fг - Fш)рмi + Рг - Fг·рм].(3.8)

Таблица 3.1 - Расчет давлений в тормозном цилиндре при ступенях торможений и полном служебном

Наличие на вагоне авторежима устанавливает зависимость давления воздуха в тормозном цилиндре от загрузки вагона, которая выражается формулой

где fпр - величина предварительного подъема опорной плиты, м;

где fi - величина статического прогиба рессор, м;

Рцп - давление в тормозном цилиндре порожнего вагона, МПа;

fi = 0,01 Q fo Qi ,(3.11)

fo - гибкость центрального рессорного подвешивания вагона, 0,0006225 м/т;

Qi - загрузка вагона в процентном соотношении от полной;

Q - грузоподъемность вагона, т;

Рвр - давление на выходе из воздухораспределителя при полном служебном торможении, МПа.

Результаты расчета представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Расчет давлений в тормозном цилиндре при наличии авторежима

Принимаем максимальное давление Рмтц = 0,43МПа.

4. Качественная оценка правильности выбора воздушной части тормоза

На основании закона Бойля - Мариотта состояние сжатого воздуха в выбранных емкостях воздушной части тормозной системы до торможения и при торможении аналитически выражается равенством

РзVзр + РоVо = РзрVзр + Рмтц (Vо + рd2тцL/4) ,(4.12)

где Рз - максимальное абсолютное зарядное давление воздухопроводной магистрали, МПа;

Vзр - объем запасного резервуара, м3;

Vо - объем вредного пространства тормозного цилиндра,м3;

Рзр - абсолютное давление воздуха в запасном резервуаре при торможении, МПа;

Рмтц - максимальное абсолютное давление воздуха в тормозном цилиндре, МПа;

dтц - диаметр тормозного цилиндра, м;

L - допустимый ход поршня тормозного цилиндра при торможении, м.

Качественная оценка правильности выбора воздушной части в грузовых поездах производится по условию их неистощимости

Рзр ? Рз - ДРтм ,(4.13)

где ДРтм = 0,15 МПа - разрядка тормозной магистрали при полном служебном торможении.

0,59 > 0,7 - 0,15 = 0,55.

Так как условие выполняется, то делаем вывод о неистощимости пневматического тормоза.

5. Выбор схемы тормозной рычажной передачи

Рисунок 5.1 - Схема рычажной передачи 8ми-осного грузового вагона: 1 - Горизонтальный рычаг; 2 - Затяжка горизонтальных рычагов; 3 - Тяги; 4 - Горизонтальный балансир; 5 - Вертикальный рычаг; 6 - Затяжка вертикальных рычагов; 7 - Траверса; 8 - Подвески башмака

В рефрижераторных вагонах применяется колодочный тормоз с двухсторонним нажатием. Данная схема эффективна при скоростях движения до 160 км/ч. При более высоких скоростях схема неэффективна. Основным ее недостатком является интенсивный износ колесных пар по профилю катания, а также навары при торможении.

6. Определение допускаемого нажатия тормозной колодки

С целью создания эффективной тормозной системы величина нажатия тормозной колодки на колесо должна обеспечивать реализацию максимальной тормозной силы. Вместе с тем необходимо исключить возможность появления юза при торможении. При условиях сухих и чистых рельсов это положение для колодочного тормоза аналитически выражается уравнением

К·цк = 0,9·Рк·шк ,(6.1)

где К - допускаемая сила нажатия колодки на колесо, кН;

цк - коэффициент трения тормозной колодки;

0,9 - коэффициент разгрузки задней колесной пары;

Рк - статическая нагрузка на колесо, отнесенная к одной тормозной колодке, кН;

шк - коэффициент сцепления колеса с рельсом при торможении.

Значения коэффициента трения для стандартных чугунных колодок определяются по следующей эмпирической формуле

где V - расчетная скорость движения поезда, исключающая появление юза, м/с. Для композиционных колодок принимаем V=28 м/с.

Коэффициент сцепления зависит от состояния поверхности рельсов и колес, от нагрузки колеса на рельс и скорости движения. Для его определения можно воспользоваться расчетной формулой

шк = [0,17 - 0,00015 (q - 50)]·ш(V),(6.3)

где q - статическая осевая нагрузка, кН;

ш(V) - функция скорости, значение которой в зависимости от типа подвижного состава находят по графику [1].

Статическая осевая нагрузка определяется

q = (T + Q)/m,(6.4)

где T,Q - тара и грузоподъемность вагона, кН;

m - число осей вагона.

Статическая нагрузка на колесо

Рк = (T + Q)/mв ,(6.5)

где mв - число тормозных колодок на вагоне

Рк = (32 + 50)/16 = 51,25 кН,

q = (32 + 50)/4 = 205 кН,

ш(V) = 0,54

шк = [0,17 - 0,00015 (205 - 50)]·0,54 = 0,08

Из (6.14) находим

цк = 0,9·51,25·0,08/К = 3,64/К

Решая полученное выражение совместно с (6.5) получим

К = 5 кН.

Полученную допускаемую силу нажатия тормозной колодки проверяем исходя из требований теплового режима трущихся пар

К/Fk <= [ДРу],(6.6)

где Fk - номинальная площадь трения тормозной колодки, м2;

[ДРу] - допустимое удельное давление на тормозную колодку, кН/м2;

5/0,029 = 172 кН/м2 < 900 кН/м2

Кдоп = [ДРу]·Fк(6.20)

Кдоп = 900·0,029 = 26,1 кН.

7. Расчет передаточного числа рычажной передачи вагона

Передаточным числом рычажной передачи называется отношение теоретической величины суммы сил нажатия тормозных колодок вагона к силе давления сжатого воздуха на поршень тормозного цилиндра

n = (Kдоп·mв)/(Ршт·зрп),(7.1)

где Ршт - усилие по штоку тормозного цилиндра, кН;

зрп - КПД рычажной передачи, принимаем 0,80.

Величина усилий по штоку тормозного цилиндра определяется

Ршт = рd2тцPтц·зтц /4 - (F1 + F2 + Lшт·Ж),(7.2)

где зтц - коэффициент, учитывающий потери на трение поршня о стенки тормозного цилиндра, который равен 0,98;

F1 - усилие оттормаживающей пружины в отпущенном состоянии, 1500-1590 Н, принимаем 1580 Н;

F2 - усилие пружины бескулисного автоматического регулятора рычажной передачи, приведенное к штоку тормозного цилиндра, которое принимается равным 300 - 1500 Н при рычажном приводе и 2000 - 2500 Н при стержневом;

Ж - жесткость отпускаемой пружины тормозного цилиндра, 6540 Н/м.

Ршт = 3,14·0,3562·0,43·106·0,98 /4 - (1545 + 1000 + 0,175·6540) = 20 кН

n = (26,1·16)/(0,95·20) = 23,5

8. Определение размеров плеч рычагов рычажной передачи

Для принятой схемы рычажной передачи передаточное число определяется из соотношения ведущих и ведомых плеч рычагов

n = m·(а·б/в·г)cosб, (8.1)

где б - угол действия силы нажатия тормозной колодки на колесо, принимается равным 10о.

а, б, в, г - размеры плеч рычагов, в = г = 230 мм, а + б = 650 мм.

23,5 = 8а/(650 -а)·(230/230)·0,985

а = 487 мм б = 163 мм

Рисунок 8.1 - Схема рычажного привода авторегулятора

Расстояние между упором привода и корпусом регулятора

А = n·к·(б-с/d-c) - mг(8.2)

где к - величина зазора между колесом и колодкой, к = 0,01м;

mг - величина конструктивных зазоров между деталями рычажной передачи,

mг = 0,009 м.

Размер с определяется из соотношения

F2 = (Fp + Жр·Lp)·(б/а - с/а·(l + d)/а)(8.3)

где F2 - усилие предварительного натяга пружины авторегулятора, Н

(Fp = 2000 Н);

Жр - жесткость пружины регулятора, Н/м (Жр = 1500 Н/м);

Lр - величина сжатия пружины регулятора при торможении, м

(для 8ми-осных вагонов при чугунных колодках Lр = 0,015 м);

а, б, с, d, l - размеры плеч горизонтального рычага и рычажного привода регулятора, м.

1000 = (2000 + 1500·0,015)·(0,163/0,487 - (с/0,487)·(0,65/0,487)),

с = 0,055 м = 55 мм ,

d = 542 мм ,

l = 108 мм.

А = 23,5·0,01·(0,163 - 0,055)/(0,542 + 0,055) - 0,009 = 34 мм

9. Определение размеров поперечных сечений элементов рычажной передачи

Усилие на штоке поршня тормозного цилиндра определяется

Ршт = рd2тцPтц·зтц /4 - (F1 + Lшт·Ж),(9.1)

Ршт = 19,7 кН

Определяем силы действующие на рычажную передачу

Ршт = Р1 ,

Р2 = Р1(а +б) /б = 19,7·(487 + 163)/163 = 78,6 кН(2.27)

Р3 = Р1 (а / б) = 19,7 (487 / 163) = 58,9 кН, (9.2)

Р4 = Р3 (m / 2m) = 29,45 кН(9.3)

Р5 = Р4(в + г / г) = 58,9 кН(9.4)

Р6 = Р4 = 29,45 кН(9.5)

Определив значения сил, действующих на шарнирные соединения, рассчитываем валики на изгиб.

Валики шарнирных соединений рычажной передачи рассчитываем на изгиб по формуле

у = P1/(0,4·d3·103)·(b - a/2) < [у] ,(9.6)

где Р - расчетная нагрузка на валик, кН;

d - диаметр валика, м. Принимаем d = 0,04 м;

b - расстояние между серединами опор, м;

а - длина поверхности передающей нагрузку, м;

Так как данная затяжка выполнена без изгиба, то расчет производится только на сжатие. Напряжение при сжатии

усж = Р1/(Н·h) ,(9.16)

где Н - ширина затяжки, м;

h - толщина затяжки, м;

Р - сила, действующая на затяжку, Н;

усж = 57/(0,1·0,025) = 23 МПа < [усж] = 160 МПа.

Прочность затяжки горизонтальных рычагов обеспечена.

10. Расчет обеспеченности поезда тормозными средствами

Все поезда, отправляемые со станции, должны быть обеспеченны тормозами с гарантированным нажатием тормозных колодок в соответствии с нормативами по тормозам, утвержденным МПС.

Потребное нажатие тормозных колодок для заданного поезда определяется по формуле

УКр = УQ/100·N(10.1)

где УQ - вес состава поезда, тс;

N - единое наименьшее тормозное нажатие, тс; N = 33 тс.

УКр = 3440/100·33 = 1135,2 тс.

Расчетное фактическое тормозное нажатие колодок заданного поезда определяется

УКрф = Уnj·mj·Kpj ,(10.2)

где nj - число единиц подвижного состава;

mj - осность единицы подвижного состава;

Kpj - расчетное нажатие тормозных колодок на ось вагонов или локомотивов данного типа, тс; для локомотива Kpj = 12 тс, для грузового вагона с чугунными колодками на груженном режиме Kpj = 7,0 тс, на порожнем Kpj = 3,5 тс, для вагонов рефрижераторного подвижного состава с чугунными колодками на груженом режиме Kpj = 9,0 тс.

УКрф = 35·4·7 + 15·4·9 = 1400 тс

Поезд считается обеспеченным тормозами, если выполняется условие

УКр < УКрф ,(10.3)

1135,2 < 1400

Так как условие выполняется, то считаем что поезд обеспечен тормозами.

Расчетный коэффициент силы нажатия тормозных колодок определяется по формуле

др = УКрф/ УQ,(10.4)

др = 1400/3440 = 0,41