Структура и содержание курсовой работы на тему «Основы механики подвижного состава»

Введение в проблематику исследования

Тяговый привод является одним из ключевых узлов любого подвижного состава, напрямую отвечающим за реализацию силы тяги и, следовательно, за эффективность и безопасность перевозочного процесса. В процессе эксплуатации элементы привода подвергаются сложным динамическим нагрузкам, которые особенно возрастают при движении по пути с волнообразными неровностями. Эти неровности, являясь характерным возмущающим фактором, вызывают колебания подрессоренных и неподрессоренных масс, что приводит к возникновению дополнительных динамических сил. Такие нагрузки существенно влияют на долговечность и надежность работы тяговых двигателей, редукторов и ходовой части в целом.

Актуальность данной курсовой работы заключается в необходимости комплексного анализа и расчета элементов тягового привода для обеспечения его прочности, виброзащиты и минимального динамического воздействия на железнодорожный путь. Глубокое понимание этих процессов позволяет проектировать более совершенные и надежные конструкции.

Целью настоящей работы является изучение и расчет основных элементов тягового привода для комплексной оценки его динамических качеств и эксплуатационной нагруженности. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Проанализировать и систематизировать исходные данные для проектирования.
• Определить основные геометрические размеры тяговой передачи.
• Разработать компоновочную схему и описать принцип работы привода.
• Выполнить пересчет тяговой характеристики и выбрать расчетные режимы.
• Рассчитать статические и динамические силы, возникающие в элементах привода.
• Определить критическую скорость движения и амплитуды колебаний.
• Выполнить прочностные расчеты ключевых элементов (зубчатой передачи, узла подвески).
• Дать итоговую оценку динамических качеств привода и его воздействия на путь.

1. Анализ и систематизация исходных данных для проектирования

Основой для выполнения любого инженерного расчета служат исходные данные, которые определяют условия и параметры будущей конструкции. Точность и полнота этих данных напрямую влияют на корректность всех последующих вычислений и, в конечном счете, на работоспособность проектируемого узла. В данной работе используются параметры, соответствующие заданному варианту.

Основные входные параметры для проектирования тягового привода сведены в таблицу для наглядности и удобства использования.

Исходные данные для расчета (Пример)

Параметр	Обозначение	Значение	Ед. изм.
Тип базового локомотива	—	Электровоз ВЛ80с	—
Мощность тягового двигателя (часовая)	Pдв	790	кВт
Диаметр нового колеса по кругу катания	Dк	1,25	м
Передаточное число редуктора	i	4,41	—

В качестве базовой конструкции рассматривается индивидуальный тяговый привод, в котором каждая колесная пара приводится в движение собственным тяговым электродвигателем через одноступенчатый цилиндрический редуктор. Ключевыми компонентами, подлежащими расчету, являются ведущая шестерня и ведомое зубчатое колесо, составляющие тяговый редуктор, а также элементы подвески двигателя к раме тележки.

2. Определение основных геометрических размеров тяговой передачи

Первым шагом в проектировании является определение ключевых геометрических параметров, которые формируют облик и кинематику будущей системы. Для тягового редуктора, состоящего из ведущей шестерни и ведомого зубчатого колеса, основным параметром является межосевое расстояние.

Расчет начинается с определения модуля зацепления m, который выбирается конструктивно или на основе предварительных прочностных расчетов. Зная модуль и число зубьев шестерни (z₁) и колеса (z₂), можно определить все остальные размеры. Делительные диаметры рассчитываются по формулам:

• Диаметр шестерни: d₁ = m · z₁
• Диаметр колеса: d₂ = m · z₂

Межосевое расстояние a_w для прямозубой передачи определяется как половина суммы делительных диаметров:

a_w = (d₁ + d₂) / 2 = m · (z₁ + z₂) / 2

Подставляя числовые значения, получаем конкретные размеры передачи, выраженные в системе СИ (метрах). Например, для грузового локомотива передаточное число будет выше (например, i = 4,41), что соответствует большему диаметру ведомого колеса по сравнению с пассажирским локомотивом (например, i = 3,12). Полученное межосевое расстояние должно соответствовать типовым конструкциям для данного класса локомотивов и обеспечивать возможность компоновки привода в пространстве тележки.

3. Компоновка тягового привода и описание принципов его работы

После определения геометрических размеров необходимо визуализировать их пространственное расположение и взаимную связь. Для этого выполняется компоновочная схема тягового привода. Данная схема представляет собой чертеж в разрезе, на котором показаны все основные элементы: тяговый электродвигатель, тяговый редуктор (шестерня и колесо), колесная пара, ось колесной пары, а также элементы подвески двигателя и редуктора к раме тележки.

Принцип работы индивидуального тягового привода заключается в следующей последовательности передачи мощности:

1. Крутящий момент, вырабатываемый тяговым электродвигателем, передается на его вал.
2. На валу двигателя жестко закреплена ведущая шестерня тягового редуктора.
3. Шестерня входит в зацепление с ведомым зубчатым колесом, которое напрессовано на ось колесной пары.
4. За счет этого зацепления крутящий момент передается на колесную пару, преобразуя вращательное движение в поступательное движение локомотива.

Подвеска двигателя к раме тележки выполняется, как правило, через специальные упругие элементы (амортизаторы, сайлентблоки). Это позволяет не только передавать реактивные моменты, но и обеспечивать эффективную виброзащиту, снижая передачу колебаний от пути к двигателю и наоборот. Такой анализ конструкций является неотъемлемой частью проектирования.

4. Пересчет тяговой характеристики и выбор расчетных режимов

Тяговая характеристика локомотива — это зависимость силы тяги на ободе колеса от скорости движения F(v). Поскольку в нашем проекте были заданы новое передаточное число редуктора и диаметр колеса, стандартная характеристика базового локомотива становится неактуальной. Необходимо выполнить ее пересчет.

Пересчет выполняется на основе следующих зависимостей. Сила тяги изменяется прямо пропорционально изменению передаточного числа, а скорость — обратно пропорционально. Формулы для пересчета каждой точки характеристики имеют вид:

• Новая сила тяги: F_нов = F_баз · (i_нов / i_баз) · (D_баз / D_нов)
• Новая скорость: v_нов = v_баз · (i_баз / i_нов) · (D_нов / D_баз)

Выполнив пересчет для ряда ключевых точек, строят новую тяговую характеристику в виде графика. На основе этого графика и с учетом профиля пути выбираются расчетные режимы — наиболее характерные или наиболее нагруженные точки работы привода, для которых будут проводиться дальнейшие силовые и прочностные расчеты. Обычно в качестве таких режимов выбирают:

• Режим максимальной силы тяги (при трогании и разгоне).
• Режим движения с конструкционной скоростью.
• Режим максимальной мощности.

Обоснованный выбор этих режимов критически важен, так как он определяет спектр нагрузок, на которые будет рассчитана вся конструкция.

5. Определение сил, возникающих в элементах тягового привода

На данном этапе проводится силовой анализ системы для определения нагрузок, действующих на компоненты привода в ранее выбранных расчетных режимах. Расчет выполняется на основе общих теорем динамики, в частности, теоремы об изменении кинетического момента.

Составляются расчетные схемы для колесной пары и тягового двигателя, на которых изображаются все действующие силы и моменты: крутящий момент от двигателя, сила тяги, силы в зацеплении зубчатой передачи (окружная и радиальная), реакции в опорах двигателя и на ось колесной пары. Расчет позволяет определить численные значения этих сил для каждого режима.

При защите работы следует быть готовым ответить на вопрос о влиянии мощности двигателя на реакции подвеса, так как эти параметры напрямую связаны.

Результаты расчетов удобно свести в таблицу для наглядного сравнения нагрузок в разных режимах работы.

Пример таблицы сил в элементах привода

Сила	Режим макс. тяги, кН	Режим констр. скорости, кН
Окружная сила в зацеплении	[Значение 1]	[Значение 2]
Вертикальная реакция в опоре двигателя	[Значение 3]	[Значение 4]

Эти значения являются основой для всех последующих прочностных расчетов.

6. Определение критической скорости и установившейся амплитуды колебаний

Движение локомотива по реальному пути неизбежно сопровождается колебаниями, вызванными волнообразными неровностями рельсовой колеи. Когда частота внешнего возмущения совпадает с собственной частотой колебаний системы «рама тележки – тяговый привод», наступает явление резонанса. Скорость, при которой это происходит, называется критической.

Для определения этой скорости необходимо составить дифференциальное уравнение колебаний подрессоренной части. Это можно сделать, например, с помощью уравнений Лагранжа второго рода. Решив это уравнение, находят собственную частоту колебаний системы (ω₀). Критическая скорость (v_кр) рассчитывается по формуле:

v_кр = (ω₀ · L) / (2π), где L — длина неровности пути.

Движение на критической скорости крайне нежелательно из-за резкого роста амплитуд колебаний и динамических нагрузок. Также в рамках этого раздела определяется установившаяся амплитуда колебаний на этой скорости, которая показывает максимальное отклонение системы от положения равновесия. Эти расчеты имеют первостепенное значение для обеспечения виброзащиты электроподвижного состава.

7. Расчет вертикальных перемещений элементов тягового привода

Зная установившуюся амплитуду колебаний системы, можно перейти к определению конкретных вертикальных перемещений ключевых элементов привода. Этот шаг необходим для оценки условий работы узлов и проверки конструктивных зазоров.

На основе рассчитанной в предыдущем разделе амплитуды и с учетом геометрии подвески (точек крепления двигателя и редуктора) определяются максимальные вертикальные перемещения тягового двигателя и редуктора относительно рамы тележки. Полученные значения анализируются с точки зрения:

• Допустимых зазоров: Необходимо убедиться, что при максимальных колебаниях элементы привода не будут соударяться с другими частями тележки или рамой локомотива.
• Работы упругих элементов: Перемещения определяют требуемый рабочий ход амортизаторов и других упругих компонентов подвески.

Этот расчет конкретизирует общие данные о колебаниях, переводя их в практическую плоскость инженерного проектирования и проверки работоспособности конструкции.

8. Расчет узла подвески двигателя или редуктора к раме тележки

Узел подвески — критически важный компонент, который не только передает реактивный момент от тягового привода на раму тележки, но и выполняет функцию виброгасителя (амортизатора). Расчет этого узла на прочность и жесткость является обязательным этапом проектирования.

Процесс расчета включает следующие шаги:

1. Выбор конструкции: На основе анализа существующих решений выбирается тип упругого элемента, например, резинометаллический сайлентблок или пружинный амортизатор.
2. Расчет жесткости: Определяются жесткостные характеристики выбранного элемента, которые должны соответствовать требованиям по собственной частоте колебаний системы.
3. Прочностной расчет: Используя значения сил и перемещений, найденные в предыдущих разделах, выполняется расчет на прочность. Для резинометаллических элементов это, как правило, расчет на сжатие и сдвиг.
4. Сравнение с допускаемыми значениями: Рассчитанные напряжения сравниваются с допускаемыми напряжениями для выбранного материала (например, резины и стали).

Успешное выполнение этого расчета гарантирует, что узел подвески выдержит эксплуатационные нагрузки и будет эффективно выполнять свои функции в течение всего срока службы.

9. Построение профиля зуба зубчатой передачи

Точность геометрии зубьев напрямую влияет на плавность работы, шумность и долговечность зубчатой передачи. Поэтому важной частью курсовой работы является демонстрация умения строить точный профиль эвольвентного зацепления.

Построение начинается с расчета ключевых геометрических параметров зуба на основе ранее выбранного модуля m и чисел зубьев z₁ и z₂:

• Основная окружность: Диаметр, с которого начинается развертывание эвольвенты.
• Делительная окружность: Окружность, на которой толщина зуба равна ширине впадины.
• Окружность вершин: Внешний диаметр зубчатого колеса.
• Окружность впадин: Внутренний диаметр, ограничивающий высоту зуба.

Далее, используя графический или аналитический метод построения эвольвенты, вычерчивается профиль одной стороны зуба. Затем он зеркально отображается для получения второй стороны. Выполняется графическое построение в заданном масштабе с обязательным указанием всех характерных окружностей и линий, что подтверждает понимание основ геометрического расчета зубчатых передач.

10. Расчет зуба тяговой передачи на контактную прочность

Контактная прочность определяет способность рабочих поверхностей зубьев сопротивляться усталостному выкрашиванию (питтингу) под действием циклических контактных напряжений. Это один из двух основных критериев работоспособности зубчатой передачи.

Расчет ведется на основе теории Герца для контакта двух цилиндрических поверхностей. Расчетная формула для максимальных контактных напряжений (σ_H) учитывает множество факторов:

• Окружную силу в зацеплении, определенную ранее.
• Приведенный радиус кривизны эвольвентных профилей в точке контакта.
• Модули упругости материалов шестерни и колеса.
• Коэффициенты, учитывающие геометрию и условия работы передачи.

Полученное расчетное значение контактных напряжений сравнивается с допускаемым контактным напряжением [σ_H] для выбранной марки стали и типа термообработки (например, закалка или цементация).

σ_H ≤ [σ_H]

Выполнение этого условия означает, что передача обладает достаточным запасом прочности по критерию контактной выносливости.

11. Расчет зуба тяговой передачи на изгиб

Второй важнейший критерий работоспособности — прочность зуба на изгиб. Этот расчет направлен на предотвращение поломки зуба у его основания под действием окружной силы. Зуб в данном случае рассматривается как консольная балка, защемленная в теле колеса.

Формула для расчета напряжений изгиба (σ_F) в опасном сечении у основания зуба включает:

• Окружную силу, приложенную к вершине зуба.
• Геометрические параметры зуба (модуль, ширина венца).
• Коэффициент формы зуба, который зависит от числа зубьев и учитывает концентрацию напряжений.

Рассчитанное напряжение изгиба сравнивается с допускаемым напряжением на изгиб [σ_F], которое определяется на основе предела выносливости материала при изгибе.

σ_F ≤ [σ_F]

Положительный результат этого расчета гарантирует, что зуб не сломается под действием максимальных эксплуатационных нагрузок, обеспечивая надежность всего редуктора.

12. Оценка динамических качеств тягового привода

Данный раздел представляет собой синтез результатов всех предыдущих динамических расчетов и дает комплексную оценку поведению спроектированной системы. Это не просто набор цифр, а аналитический вывод о качестве конструкции.

Анализ проводится по нескольким ключевым показателям:

• Критическая скорость: Оценивается, попадает ли резонансная скорость в рабочий диапазон скоростей локомотива. Желательно, чтобы она была либо значительно н��же, либо выше этого диапазона.
• Амплитуды колебаний: Значения вертикальных перемещений двигателя и редуктора сравниваются с типовыми значениями для существующих аналогов. Это позволяет оценить плавность хода и вибронагруженность.
• Динамические нагрузки: Анализируется, насколько динамические силы, возникающие при колебаниях, превышают статические. Это позволяет оценить эффективность системы подвески и ее способность гасить колебания.

На основе этого анализа делается общий вывод о том, соответствуют ли динамические качества спроектированного привода современным требованиям. Сравнение с существующими удачными решениями позволяет подтвердить правильность выбранных конструктивных параметров.

13. Оценка вертикального динамического воздействия на путь

Любой локомотив в движении воздействует на железнодорожный путь, вызывая его износ. Важной задачей при проектировании является минимизация этого воздействия. Основной вклад в динамическое воздействие вносят неподрессоренные массы (колесные пары, а также части тяговых двигателей и редукторов, которые жестко или упруго связаны с осью).

Расчет заключается в определении дополнительной динамической нагрузки на рельс, которая возникает из-за вертикальных ускорений этих масс при прохождении неровностей. Эта нагрузка рассчитывается по второму закону Ньютона:

F_дин = m_неподр · a_верт, где m_неподр — неподрессоренная масса, а a_верт — максимальное вертикальное ускорение.

Полученное значение суммируется со статической нагрузкой от колеса и сравнивается с нормативными требованиями, установленными для сохранения инфраструктуры. Вывод о соответствии или несоответствии конструкции современным требованиям по воздействию на путь является логическим завершением динамического анализа привода.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы был проведен комплексный расчет и анализ индивидуального тягового привода локомотива. Были последовательно решены все поставленные задачи, начиная от определения базовых геометрических размеров и заканчивая оценкой динамического воздействия на путь.

В результате расчетов были получены ключевые проектные параметры. Например, были определены основные размеры передачи, силы в зацеплении составили [X] кН в режиме максимальной тяги, а критическая скорость движения, представляющая резонансную опасность, — [Y] км/ч. Прочностные расчеты зубчатой передачи на контактную выносливость и изгиб подтвердили достаточный запас прочности выбранных материалов и геометрии.

Главный вывод работы заключается в том, что спроектированная конструкция тягового привода удовлетворяет основным требованиям прочности и динамики. Цель курсовой работы — изучение и расчет основных элементов тягового привода — полностью достигнута.

В качестве возможного направления для дальнейшего усовершенствования конструкции можно рассмотреть применение композитных материалов для изготовления кожуха редуктора или полых валов с целью снижения неподрессоренных масс и, как следствие, уменьшения динамического воздействия на железнодорожный путь.

Список использованной литературы

При выполнении работы использовалась научная, учебная и нормативная литература. Список оформляется в соответствии с требованиями ГОСТ или методическими указаниями учебного заведения.

• Иванов И.И. Расчет и конструирование тяговых приводов локомотивов: Учебник для вузов. — М.: Машиностроение, 2020. — 450 с.
• Петров П.П. Динамика и прочность подвижного состава: Учебное пособие. — СПб.: Изд-во ПГУПС, 2018. — 210 с.
• Сидоров С.В. Основы тяги поездов: Методические указания к курсовой работе. — Екатеринбург: УрГУПС, 2022. — 55 с.
• Конспект лекций по дисциплине «Механика подвижного состава».
• ГОСТ 2.105-95. Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам.