Классификация, назначение и особенности конструкций тележек
Классификация и особенности устройства колесных пар
Принцип устройства. Технические характеристики.
Лекция 4 Устройство полувагонов
1.1. Наименование:
Железнодоро́жный ваго́н (фр. wagon, от англ. waggon — повозка) — несамоходный рельсовый экипаж, предназначенный для тяги локомотивом.
Полувагон является единицей подвижного состава железных дорог .
1.2. Назначение:Полувагоны предназначены для перевозки каменного угля, руды, лесоматериалов, проката металлов, а также других сыпучих и штучных грузов, не требующих защиты от воздействия атмосферной среды.
Полувагон бывает с разгрузочными люками в полу или в бортах, а также с глухим кузовом.
Используя современные механизированные средства и методы производства погрузочно-разгрузочных операций, а также гравитационные свойства сыпучих грузов, специализированные полувагоны с глухим кузовом обеспечивают в эксплуатации значительный технико-экономический и социальный эффект. В табл. 4.6 приведены основные технические характеристики специализированных полувагонов.
Специализированный четырехосный полувагон модели 12-1592 грузоподъемностью 71 т имеет цельнометаллический сварной кузов, боковые стенки которого состоят из каркаса и обшивки из гнутого листа с периодическими гофрами. Торцевые стены состоят из верхней обвязки гнутого профиля, двух боковых швеллеров № 14, двух горизонтальных поясов жесткости омегообразного профиля 110 х 135 х 55 х 6 из гладкой листовой стали толщиной 5 мм. Специализированный четырехосный полувагон модели 12-1505 (рис. 4.15) разработан на базе универсального полувагона, у которого разгрузочные люки в полу заменены сплошным металлическим настилом 1, а торцевых дверей нет. Для стока воды и зачистки кузова при подготовке полувагона под погрузку в полу предусмотрены два люка 2, расположенные по диагонали и открывающиеся внутрь кузова. Рама 3 кузова 4 вагона отличается от рамы универсального полувагона тем, что в ней для поддержания металлического настила пола между хребтовой балкой и нижними обвязками боковых стен кузова установлено по дополнительной продольной балке из двутавра № 18. Остальные элементы кузова мало отличаются от элементов кузова универсального полувагона.
Более современную конструкцию кузова и лучшие технические характеристики имеет специализированный четырехосный полувагон модели 12М580 грузоподъемностью 71 т с глухим кузовом. Внутренняя высота кузова объемом до 83 м³ увеличена за счет отсутствия двутавра на хребтовой балке. Специализированный четырехосный полувагон модели 12-4004 (рис. 4.16) для перевозки технологической щепы от мест ее производства к предприятиям целюлозно-бумажной промышленности по магистральным железным дорогам и по путям промышленного транспорта имеет цельнометаллический сварной кузов.
Боковая стена кузова состоит из каркаса, обшитого металлическими листами двух типов толщиной 3 и 4 мм из гнутых профилей с периодически повторяющимися гофрами. Верхняя составная обвязка замкнутого поперечного сечения сделана из гнутого профиля и уголка. Нижняя обвязка изготовлена из прокатного уголка сечением 160 х 100 х 10 мм. Рама кузова состоит из хребтовой балки, из двух зетов № 31 и двутавра № 19; шкворневых балок коробчатого поперечного сечения из листов толщиной 10 мм; двух концевых балок коробчатого поперечного сечения из двух швеллеров № 27. Верхняя обвязка торцевых стен изготовлена из замкнутого прямоугольного профиля сечением 60 х 80 х 8 мм, а нижняя обвязка — из гнутого уголка сечением 180 х 100 х 8 мм. Поперечные пояса торцевой стены кузова изготовлены из специального профиля, а боковые стойки стены — из швеллера № 12. Обшивка торцевой стены из гладких листов толщиной 5 мм. В полу кузова 22 разгрузочных люка, закрываемые унифицированными крышками. На Уралвагонзаводе разработаны и построены образцы большегрузных специализированных восьмиосных полувагонов с глухим кузовом габарита 1-Т грузоподъемностью 131 т (модель 12-538) и габарита Т грузоподъемностью 132 т (модель 12-538), в котором впервые в вагоностроении применена более совершенная и надежная шпангоутная заделка боковых стен кузова в раму полувагона. Кузова этих полувагонов изготовлены с наклонными внутрь вагона стенами для облегчения выгрузки сыпучих грузов. Для перевозки крупнокусковой медной руды от мест ее добычи до металлургических предприятий применяются восьмиосные специализированные полувагоны модели 22-4024 грузоподъемностью 115 т. Погрузка руды в полувагоны производится экскаваторами с ков¬шами объемом 6—8 м³, а выгрузка — с помощью вагоноопрокидывателей. Цельнометаллический сварной кузов полувагона изготовлен как одна целая конструкция. Рама кузова состоит из двух усиленных зетов № 31 (у), двух концевых, двух шкворневых балок из прокатных металлических листов толщиной 10, 12, 14 мм и промежуточных поперечных балок из гнутого профиля 200 х 120 х 10 мм. Настил пола сделан из стальных листов толщиной 10 мм, каркас боковой стены кузова — из стоек гнутого профиля сечением 160 х 80 х 7 мм, нижняя обвязка — из специального гнутого профиля. Каркас торцевой стены состоит из двух угловых стоек из уголка 125 х 125 х 10, двух вертикальных стоек корытообразного профиля с толщиной стенок 8 мм, верхней обвязки замкнутого профиля 160 х 80 х 7 м и концевой балки рамы полувагона, являющейся также нижней обвязкой. Каркас кузова внутри покрыт обшивкой из металлических листов толщиной 10 мм.
Технические характеристики универсальных четырехосных и восьмиосных полувагонов приведены в табл. 4.2
Кузов полувагона не имеет крыши, что обеспечивает удобства для использования различных средств механизации при погрузке и выгрузке грузов (мостовые и козловые краны, вагоноопрокидыватели и др.). Все универсальные полувагоны имеют люки в металлическом полу для разгрузки сыпучих грузов гравитационным способом.
Четырехосный полувагон модели 12-119 имеет кузов с глухими торцевыми стенами, обладает большой прочностью, так как в нем прочно связаны между собой боковые стены по концам вагона. Кроме того, это позволяет увеличить внутреннюю полезную длину без изменения продольных размеров рамы и повысить объем кузова на 2,0 м³. Однако перевозка пило- и лесоматериалов в таких полувагонах является нерациональной вследствие недоиспользования грузоподъемности полувагона. Крышки люков — типовые с литыми, косо расположенными кронштейнами и имеют двухпрутковые торсионные элементы, служащие для облегчения закрывания крышек. Кузов универсального четырехосного полувагона модели 12-753 отличается от кузова полувагона модели 12-119 лишь наличием торцевых двухстворчатых дверей, которые открываются внутрь и закрепляются вдоль боковых стен кузова при перевозке длинномерных грузов. На Великолукском локомотиворемонтном заводе были построены 90 опытных четырехосных полувагонов с боковыми разгрузочными люками.
Особенности конструкции кузова полувагона.
На примере вагона повышенной до 125 т грузоподъемности рассмотрим конструкцию кузова универсального восьмиосного полувагона модели 12-124 (рис. 3.3) Уральского вагоностроительного завода. Он не имеет крыши, но снабжен разгрузочными люками в полу. По концам кузов оборудован двухстворчатыми открывающимися внутрь дверями.
Рама кузова имеет хребтовую балку 9, состоящую из двух сваренных между собой продольным швом Z-образных профилей, перекрытых в месте соединения двутавром. На двутаврах укреплены кронштейны 8 петель для шарнирного навешивания крышек разгрузочных люков 6. Люки в открытом положении располагаются на специальных упорах 11. В консольной части хребтовой балки установлены передние и задние упоры автосцепки. Передний упор отлит как одно целое с ударной розеткой 18. Шкворневые балки 10 замкнутого коробчатого сечения снизу имеют пятники и скользуны. Надпятниковые зоны опорных узлов усилены коробками, а над скользунами установлены усиливающие ребра. Сверху к балкам 75 рамы приварены пороги 17, ограничивающие открывание створок дверей наружу кузова. На торцовых поверхностях концевой балки укреплены рычаг расцепного привода 20 автосцепки и поручень составителя 16. Поперечные балки 13 рамы — двутаврового сечения, верхние их полки имеют гофры, выступающие над уровнем пола, что предупреждает непосредственное опирание длинномерных грузов на крышки разгрузочных люков и предохраняет их от деформации. Подобные выступающие части имеют шкворневые балки 10. Крышки 6 люков гофрированные, снабжены специальными запорами 5, удерживающими их в горизонтальном положении. Крышки также оборудованы торсионными устройствами, облегчающими их подъем при закрывании. Для обеспечения плотного прижатия с помощью рычага крышек на нижней обвязке 7 имеются скобы 4. Боковые стены кузова имеют металлическую обшивку 30 с корытообразными выштамповками, подкрепленную каркасом, состоящим из верхней 31 и нижней 7 обвязок, а также угловых 14, шкворневых 3 и промежуточных 12 стоек. Шкворневые и промежуточные стойки замкнутого поперечного сечения сварены из Ω-образных профилей. Угловые стойки 14 (замкнутого поперечного сечения) сварены из двух Z-образных элементов, укрепленных к верхней обвязке накладками 27. Верхняя обвязка 31 между стойками усилена накладками 32. Обшивка 30 укреплена к каркасу точечной сваркой. Двухстворчатые двери шарнирно соединены с угловыми стойками кузова при помощи петель 26. Каждая створка двери состоит из металлической гофрированной обшивки 21, подкрепленной каркасом, состоящим из верхней 23 и нижней обвязок, а также вертикальных элементов 22 замкнутого поперечного сечения, сваренных из Ω- и Z-образных профилей. В закрытом положении дверь удерживается запорами — нижним 19 и верхним, состоящим из клина 24 и направляющих с упорами 25 для клина, приваренных соответственно к правой и левой створкам двери. В открытом положении двери располагаются вдоль боковых стен и удерживаются специальными поворачивающимися скобами 28, вставляемыми в отверстия 29 на верхних обвязках кузова. По концам кузов оборудован наружными 1 и внутренними лестницами, а также подножками 2 и поручнями, предназначенными для обслуживающего персонала.
Колесные пары относятся к ходовым частям и являются одним из ответственных элементов вагона. Они предназначены для направления движения вагона по рельсовому пути и восприятия всех нагрузок, передающихся от вагона на рельсы при их вращении. Работая в сложных условиях загружения, колесные пары должны обеспечивать высокую надежность, так как от них во многом зависит безопасность движения поездов. Поэтому к колесным парам предъявляются особые, повышенные требования Госстандартами, Правилами технической эксплуатации железных дорог, Инструкцией по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар, а также другими нормативными документами при проектировании, изготовлении и содержании в эксплуатации. Конструкция и техническое состояние колесных пар оказывают влияние на плавность хода, величину сил, возникающих при взаимодействии вагона и пути, и сопротивление движению. Работая в современных режимах эксплуатации железных дорог и экстремальных условиях окружающей среды, колесная пара вагона должна удовлетворять следующим оновным требованиям: обладать достаточной прочностью, имея при этом минимальную необрессоренную массу (с целью снижения тары подвижного состава и уменьшения непосредственного воздействия на рельсовый путь и элементы вагона при прохождении неровностей рельсовой колеи); обладать некоторой упругостью, обеспечивающей снижение уровня шума и смягчение толчков, возникающих при движении вагона по рельсовому пути; совместно с буксовыми узлами обеспечивать возможно меньшее сопротивление при движении вагона и возможно большее сопротивление износу элементов, подвергающихся изнашиванию в эксплуатации.
Колесная пара (рис. 3.6) состоит из оси 1 и двух укрепленных на ней колес 2. Тип колесной пары определяется типом оси и диаметром колес, а также конструкцией подшипника и способом крепления его на оси (табл. 3.1). Типы вагонных осей различают по размерам и форме шейки — для роликовых подшипников качения и подшипников скольжения. Размеры оси устанавливают в зависимости от величины расчетной нагрузки, воспринимаемой ею при эксплуатации.
Колесные пары Ш-950 предназначены для эксплуатации с подшипниками скольжения, а колесные пары РУ1-950, РУ1Ш-950, РУ-950 и РУ-1050 — с роликовыми подшипниками (РУ — роликовая унифицированная, Ш — торцевое крепление внутренних колец подшипников приставной шайбой). Исходя из расчетной нагрузки, определяются диаметры шеек 3, 4, 5 (см. рис. 3.6), подступичной 7 и средней 8 частей оси. Предподступичная часть 6 является ступенью перехода от шейки к подступичной части оси и служит для установки уплотняющих устройств буксы. На подступичных частях 6 прочно закрепляются колеса 2. В настоящее время в эксплуатации находятся еще небольшое количество колесных пар с осями III типа с подшипниками скольжения, которые заменяются на роликовые. На торцах их шеек 5 имеются буртики б, ограничивающие продольные перемещения подшипников скольжения, располагающихся в верхних частях. Типы колесных пар в зависимости от применяемых типов осей и подшипников, приведены в табл. 3.1. Колесные пары с осями, предназначенными для эксплуатации с роликовыми подшипниками, различают между собой по конструкции торцевого крепления внутренних колец роликовых подшипников на шейке: 3 — с нарезной частью а для навинчивания корончатой гайки; 4 — при помощи приставной шайбы, для чего на торцах делаются отверстия с нарезкой для болтов крепления. Такое крепление выполнено в двух вариантах: тремя или четырьмя болтами. Колесные пары с формой шейки 3 обозначаются РУ1-950, а с формой 4 — РУ1Ш-950. В эксплуатации еще находится небольшое количество колесных пар с осями типа РУ с диаметром шеек 135 мм, которые в настоящее время заменяются более современными. Основным типом колесных пар являются конструкции с цельнокатаными стальными колесами с диаметром по кругу катания 950 мм. В старотипных пассажирских вагонах осталось малое количество колесных пар с диаметром 1050 мм. Для безопасного движения вагона по рельсовому пути на ось 1 прочно закрепляются колеса 2 (рис. 3.7) с соблюдением строго определенных размеров (табл. 3.2). Расстояние между внутренними гранями колес L составляет: для новых колесных пар, предназначенных для вагонов, обращающихся со скоростями до 120 км/ч — (1440 ± 3), свыше 120, но не более 160 км/ч (1440-1+3). Во избежание неравномерной передачи нагрузки на колеса и рельсы разность размеров от торца оси до внутренней грани обода допускается для колесной пары не более 3 мм. Колеса, укрепленные на одной оси, не должны иметь разность по диаметру D более 1 мм, что предотвращает односторонний износ гребней и не допускает повышения сопротивления движению. С целью снижения инерционных усилий, колесные пары скоростных вагонов подвергаются динамической балансировке: для скоростей 140—160 км/ч допускается дисбаланс не более 6 Н*м; для скоростей 160—200 км/ч — не более 3 Н*м.
Кроме колесных пар, изготавливаемых в соответствии ГОСТ 4835-80, поставляются конструкции, выполненные по специальным чертежам и техническим условиям для вагонов промышленного транспорта, для вагонов электропоездов и дизель-поездов, а также с раздвижными на оси колесами для эксплуатации на железных дорогах с различной шириной колеи и др. В вагонах, оснащенных дисковыми тормозами, на оси 1 (рис. 3.8), кроме двух колес 2, прочно укреплены диски 3.
Тележки вагонов относятся к ходовым частям. Они предназначены для обеспечения безопасного движения вагона по рельсовому пути с необходимой скоростью, плавностью хода и наименьшим сопротивлением движению. Конструкции тележек включают в себя колесные пары, буксы, рессорное подвешивание, возвращающие и стабилизирующие устройства. Кроме перечисленных выше элементов тележка имеет раму, на которой крепятся детали рессорного подвешивания и тормозного оборудования, а также надрессорные и иные балки с подпятниками и скользунами, непосредственно воспринимающими нагрузки от рамы кузова вагона. Высокая эффективность большегрузных вагонов и повышенной населенности пассажирского подвижного состава вызвала необходимость увеличения числа колесных пар, так как ограничена норма максимальной нагрузки от каждой колесной пары на рельсы. Однако, имея увеличенные продольные размеры, многоосные бестележечные вагоны не обеспечивали свободного прохода кривых участков железнодорожного пути малого радиуса. Это обстоятельство привело к необходимости объединения колесных пар в самостоятельные группы, то есть в тележки. В результате при современных условиях эксплуатации железных дорог широкое распространение получили тележечные вагоны, которые по сравнению с нетележечными конструкциями, обеспечивают хорошее вписывание в кривые участки пути и меньшие вертикальные перемещения при передвижении по неровностям рельсов. Кроме того, в конструкциях тележек более рационально размещаются система упругих элементов, гасители колебаний, стабилизирующие устройства и исполнительные органы тормозного оборудования, что позволяет проектировать вагоны с хорошей плавностью хода и устойчивым положением кузова при движении поездов с высокими скоростями. В эксплуатации используется огромный и весьма разнообразный парк тележек, имеющий многочисленные конструктивные особенности. Однако, несмотря на большое разнообразие существующих конструкций, тележки вагонов можно объединить по следующим основным признакам. По назначению тележки бывают грузовые (для грузовых вагонов) и пассажирские (для пассажирских вагонов). По количеству колесных пар тележки подразделяют на одноосные, двух-, трех-, четырех- и многоосные. По системе подвешивания наиболее распространены тележки с одинарным (центральным или буксовым) и двойным, а иногда и с тройным, и даже с четверным рессорным подвешиванием. По способу передачи нагрузки от кузова применяют тележки с пятниковым устройством (пятник—подпятник) и с опиранием на скользуны (полным или частичным — с подпружиниванием). По схеме передачи нагрузки от. надрессорной (шкворневой) балки на раму и буксовые узлы колесных пар тележки бывают: с не¬посредственной передачей от шкворневой балки на боковые балки рамы без подрессоривания, но с буксовым подвешиванием (рис. 3.32, а); от надрессорной балки на две боковые балки рамы через комплекты центрального подвешивания безлюлечной конструкции (рис. 3.32, б); от надрессорной балки через две системы последовательно расположенных упругих элементов, включая люлечное устройство центрального подвешивания (рис. 3.32, в); через упругие элементы безлюлечного центрального подвешивания на рычажные конструкции буксовых узлов (рис. 3.32, г).
По способу связи рамы с буксовыми узлами колесных пар существуют конструкции: с опиранием рамы тележки без подрессоривания (рис. 3.33, а); с упруго-челюстной балансирной связью (рис. 3.33, б); шпинтонно-пружинной бесчелюстной связью (рис. 3.33, в); поводково-бесчелюстной связью (рис. 3.33, г); рычажно-бесчелюстной связью (рис. 3.33, д).
По технологии изготовления тележки бывают с литыми, штампованными или штампосварными боковыми рамами, надрессорными и соединительными балками или сварными рамами. Кроме того, тележки различают по системе взаимодействия отдельных элементов сборочных единиц и деталей, а также другим конструктивным особенностям. Основными технико-экономическими параметрами тележек вагонов являются: собственная масса (тара); база — расстояние между центрами осей крайних колес (у двух- и трехосных тележек) и между серединами рессорных комплектов сочлененных тележек (у четырехосной конструкции); тип и параметры рессорного подвешивания; высота от уровня головок рельсов до плоскости опорного узла тележки; рессорная база — расстояние между серединами упругих элементов, расположенных в продольном направлении; тип и конструкция тормоза; конструкционная скорость. В соответствии с техническими требованиями и назначением тележек они должны иметь необходимые ходовые качества для обеспечения безопасности движения: устойчивость против схода с рельсов, плавность при вписывании в кривые участки пути, минимальную величину вертикальных и горизонтальных динамических сил и ускорений при конструкционной скорости движения, требуемые показатели плавности хода вагона, гарантированную прочность и надежность в эксплуатации.
Сети Петри используются для моделирования асинхронных систем, функционирующих как совокупность параллельных взаимодействующих процессов. Анализ сетей Петри позволяет получить информацию о структуре и динамическом поведении моделируемой системы.
Причинно-следственная связь событий в асинхронных системах задается множеством отношений вида "условия-события".
Построение моделей систем в виде сетей Петри заключается в следующем:
1. Моделируемые процессы описываются множеством событий (действий) и условий определяющих возможность наступления этих событий, а также причинно-следственными отношениями, устанавливаемыми на множестве пар "события-условия".
2. Определяются события-действия, последовательность выполнения которых управляется состояниями системы. Состояния системы задаются множеством условий, формируемых в виде предикатов. Количественно условия характеризуются величиной которая выражается числами натурального ряда.
3. Условия, в зависимости от значений их количественных характеристик, могут выполняться или нет. Выполнение условий обеспечивает возможность реализации событий. Условия, с фактом выполнения которых связывается возможность реализации событий, называются предусловиями. Реализация события обеспечивает возможность выполнения других условий, находящихся с предусловиями в причинно-следственной связи. Эти условия называются постусловиями.
В сетях Петри условия - это позиции, а события - переходы. В соответствии с этим граф сети Петри является двудольным ориентированным мультиграфом. Изображение позиции и перехода на графе показано на рисунке 5.1.
а) б)
Рис 5.1. а) − изображение позиции; б) − изображение перехода.
Ориентированные дуги могут соединять только позиции и переходы в прямом и обратном направлении (свойство двудольности). Сеть Петри является мультиграфом, так как допускается кратность дуг между позициями и переходами (вершинами графа). Пример графа сети Петри приведен на рис.5.2.
B графах сети Петри количественные характеристики условий (числа натурального ряда) принято изображать числом меток в соответствующих позициях (см. рис.5.2).
Рис.5.2. Пример графа сети Петри.
Последовательности событий отображаются срабатываниями переходов. Выполнение какого-либо условия связано с появлением одной или нескольких меток в соответствующей этому условию позиции. Соглашения о правилах срабатывания переходов является способом выражения причинно-следственных связей между условиями и событиями в системе.
При моделировании гибких производственных систем позиции отражают отдельные операции производственного процесса (например: транспортировка заготовки к конвейеру, передвижение заготовки к станку конвейером, обработку детали) или состояния компонентов гибкой производственной системы (например: робота, конвейера, станка). Наличие метки в одной из позиций соответствует состоянию выполнения некоторой из технологических операций либо состояние, в котором пребывают некоторые из компонентов гибкой производственной системы.
Переходы соответствуют событиям, отображающим начало или завершение моделируемых операций. Например, переход интерпретируется как событие, связанное с завершением операции транспортирования заготовки роботом и ее установки на конвейере, а также с началом операции перемещения заготовки конвейером к станку.
Присвоение меток позициям сети Петри называют маркировкой сети. Динамика сетей Петри связана с механизмом изменения маркировок позиций и соглашениями о правилах срабатывания переходов. Переход срабатывает, если в каждой входной позиции (предусловии) число меток не меньше числа дуг, исходящих из позиции в данный переход. Такие переходы называют возбужденными, их срабатывание может наступить через любой конечный промежуток времени после возбуждения. В результате срабатывания из всех входных позиций перехода исключается число меток равное числу дуг, выходящих из соответствующей позиции в переход, а в выходные позиции данного перехода добавляется число меток равное числу дуг» исходящих из перехода в соответствующую выходную позицию. На рис. 5.3 а показан возбужденный переход, а перехода на рис.5.3 б невозбужден.
а) б)
Рис.5.3, а − возбужденный переход, б) − невозбужденный переход.
Причем маркировка на рис.5.3 б получена в результате срабатывания возбужденного перехода на рис.5.3 а. Заметим, что срабатывание перехода предполагается неделимым актом, то есть изменение маркировок всех связанных с данным переходом входных и выходных позиций осуществляется мгновенно.
а) б)
а) б)