Введение. Железнодорожный транспорт России выполняет 18% мирового грузооборота и 9% пассажирооборота, при протяженности сети 7% от общей длины сети железных дорог мира

Железнодорожный транспорт России выполняет 18 % мирового грузооборота и 9 % пассажирооборота, при протяженности сети 7 % от общей длины сети железных дорог мира. В транспортной системе России железнодорожный транспорт занимает ведущее место, обеспечивая 86,7 % общего грузооборота всех видов транспорта (без учета трубопроводного) и 43,2 % пассажирооборота.

Эксплуатационная длина сети железных дорог по состоянию на 01.01.2001 г. составляет 86 тыс. км, в том числе протяженность участков, имеющих два и более пути 36,3 тыс. км. Общее протяжение железнодорожных линий, обслуживаемых электрической тягой составляет 40,8 тыс. км (47,4 % от эксплуатационной длины), на которых выполняется 78,3 % всего грузооборота сети железных дорог.

На железные дороги России приходится более 95 % объёма перевозок руды, чёрных металлов, леса, угля, стройматериалов; треть – на нефтепродукты. Российские пассажиры предпочитают рельсовый транспорт другим видам транспорта.

Инвестиционная программа РАО «РЖД» (в основном за счёт собственных ресурсов) предусматривает повышение эффективности работы железнодорожного транспорта от внедрения новой эксплуатационной модели информационных систем управления (прокладка 48 тыс. км оптико-волоконного кабеля с выходом на 18 зарубежных стран и 290 городов), создание подвижного состава нового поколения, перевооружение путевого комплекса и модернизация электрифицированной сети железных дорог.

Среди крупных инвестиционных проектов – создание международных транспортных коридоров «Азия-Европа» и «Север-Юг» (железнодорожная ветка Россия – Азербайджан – Иран длиной 1760 км), модернизация Транскорейской магистрали (930 км), связывающая Южную и Северную Корею с Транссибом, создание глобального азиатско-тихоокеанского транспортного узла (сооружение перехода Сахалин – остров Хоккайдо, Япония), продление Транссибирской магистрали на запад до станции Богумин (Чехия), где предусмотрено строительство контейнерного терминала и Катовица (Польша).

Среди приоритетов инвестиционной программы – создание существенно усовершенствованных тепловозов с широким использованием микропроцессорных систем контроля и управления, позволяющих повысить надёжность работы, увеличить коэффициент использования сцепной массы, повысить топливную экономичность ДВС.

Немаловажную роль в реализации программы является наращивание мощности предприятий по ремонту локомотивов, предприятий, выпускающих запчасти, а также совершенствование технологии ремонта локомотивов, находящихся в эксплуатации.

Решение этих задач связано с подготовкой специалистов в областях проектирования и расчета локомотивов.

1. Выбор основных параметров тепловоза

К основным параметрам локомотива, характеризующим его как тяговую единицу подвижного состава, относят мощность по дизелю, касательную мощность и силу тяги на ободе колёс и на автосцепке, служебную массу, сцепной вес, нагрузку от колёсной пары на рельсы, конструкционную и расчётные скорости, линейные, базовые и габаритные размеры.

Выбор основных параметров магистральных локомотивов зависит от масс и скоростей движения поездов, обеспечивающих минимальные годовые затраты на освоение заданного объема перевозок. При выборе основных параметров необходимо учитывать несущую способность пути и путевых сооружений, габарит подвижного состава, технический уровень локомотивостроения и смежных отраслей. Для реализации основных параметров следует широко использовать стандартизацию и размерные ряды локомотивов по видам тяги и назначению.

Расчётную касательную мощность локомотива, реализуемую на ободе его колёс при установившемся движении, находят из выражения

, (1), где

- эффективная мощность, кВт;

- КПД передачи;

- коэффициент свободной мощности;

Принимают для локомотивов с электрической передачей , .

.(2)

Находят касательную силу тяги на расчётном режиме, равную сопротивлению движения поезда заданной массы на расчётном подъёме

(3),где

- расчётная скорость движения (установившаяся скорость движения на расчётном режиме), .

 

Таблица 1

Рекомендуемые массы поездов и скорости движения

 

Вид движения	Масса поезда, т (не более)	Скорость,
Расчётная,	Максимальная,
Грузовой на однопутных участках с малым грузооборотом наибольшим грузооборотом Пассажирский	2000-3000   5000-6000   800-1200	19-24   23-26   70-90	140-200

 

Для расчёта касательной силы тяги принимают расчётную скорость движения согласно табл.1.

Принимаем =

(4)

Находим максимальную (конструкционную) скорость .

Для этого воспользуемся графиком (рис.1).

Для определения массы поезда и воспользуемся графиком (рис.1).

Для этого задаёмся массой поезда . согласно рекомендациям табл.1.

(5)

Для определения скорости воспользуемся графиком (рис.1)

= .(6)

= .

Сцепной вес является суммарной нагрузкой на движущие колёсные пары локомотива и характеризуют его способность развивать необходимую силу тяги без проскальзывания колёс по рельсам.

Сцепной вес пассажирского локомотива , кН, из условия обеспечения заданного ускорения при разгоне поезда, определяют по формуле:

(7), где

- полное удельное сопротивление движению поезда в момент трогания с условной скоростью 5-8 на уклоне (‰), ;

( - ускорение поезда после трогания с места в зависимости от категории поезда, равное ;

-ускорение поезда, , при действии удельной ускоряющей силы 1 );

– коэффициент использование сцепного веса (значение для локомотивов с индивидуальным приводом);

Для расчёта можно принять . Значения для пассажирских поездов равны .

Расчётный коэффициент сцепления определим по формуле:

(8)

Принимаем ,тогда

,

Принимаем

Служебная масса - это масса экипированного локомотива с 2/3 запаса топлива и песка.

Служебную массу определяют количеством материалов, вложенных в конструкцию машины. У тележечных локомотивов, у которых все колёсные пары движущие, служебная масса равна . Служебная масса магистральных пассажирских локомотивов, особенно скоростных, обеспечивает действительный сцепной вес, превосходящий расчётный. У таких локомотивов можно снизить служебную массу при их изготовлении уменьшением расхода материалов.

(9)

На этапе проектирования масса определяется как сумма масс несущих элементов, агрегатов, приборов, узлов, систем, балласта и т.д., образующих конструкцию локомотива. Все оборудование локомотива необходимо разместить таким образом, чтобы нагрузка от колёсных пар от кузова на тележки и от колёсных пар на рельсы были одинаковыми (в пределах заданного допуска). Для этих целей при проектировании рассчитывается развеска локомотива. Для выполнения развески вычерчивают схему расположения оборудования с указанием расположения центров масс всех элементов, например, от вертикальной оси, проходящей через центр головки автосцепки, и составляют ведомость развески с учётом экипировочных запасов и веса локомотивной бригады. Окончательно служебную массу и распределение нагрузок от колёсных пар на рельсы построенных локомотивов определяют взвешиванием на специальных электрических весах.

Количество колёсных пар зависит от массы локомотива и нагрузки от колёсной пары на рельсы. Если в расчёте использовать служебную массу, то будет определено общее количество колёсных пар, если сцепной вес – общее количество движущих колёсных пар. Для одной секции локомотива может быть равно 2,3,4,6 и 8. Если больше, то локомотив формируют из двух секций.

Наметив для проектируемого локомотива общее количество колёсных пар, проверяют статическую нагрузку на рельсы по выражению

, (10)

где - допускаемая статическая нагрузка от колёсной пары на рельсы,

Допускаемая нагрузка зависит от конструкции и состояния верхнего строения пути и устанавливается техническими требованиями железнодорожного ведомства. На дорогах с рельсами Р50 и Р65, уложенными на деревянных шпалах и щебёночном балласте, допускаются следующие значения : 211 кН для пассажирских тепловозов. На реконструированных участках с рельсами Р65 с железобетонными шпалами допускаемая нагрузка от колёсной пары на рельс равна 221 кН для пассажирских тепловозов.

Для расчёта принимаем , .

Диаметр движущих колёс локомотивов зависит от многих факторов, из которых надёжность и минимальная неподрессоренная масса являются основными.

В настоящее время для тягового подвижного состава отечественных железных дорог применяют три типоразмера колёс: диаметром 1050 и 1220 мм для тепловозов, 950 мм для дизель-поездов и электропоездов и 1220 мм и 1250 мм для электровозов. Для унификации ходовых частей экипажей тепловозов и электровозов рекомендуется использовать колёса диаметром 1220 мм и 1250 мм, что снизит эксплуатационные и ремонтные расходы, увеличит пробег между обточками бандажей, понизит контактные напряжения в рельсах. Однако при применении колёс с большим диаметром возрастает масса колёсной пары и увеличивается эксцентриситет главной рамы относительно автосцепки

Требуемый диаметр колеса (мм) подсчитывают по формуле:

, (11)

где - допускаемая нагрузка на 1 мм диаметра колеса, равная 0,2 – 0,27 .

Диаметр колеса округляем в большую сторону до стандартного значения по ГОСТ 11018-76 принимаем диаметр колеса равным исходя из рекомендаций тепловоза - прототипа. Выбираем бандаж с толщиной 75 мм, т.к. осевая нагрузка не превышает .

Длину локомотива по осям автосцепок устанавливают в процессе компоновки оборудования. На начальной стадии проектирования длина рассчитывается по формуле [1, стр. 43]:

, (12)

где – рекомендуемая длина, приходящаяся на единицу мощности, .

Для тепловоза ТЭП80 .

С учётом тенденций развития локомотивостроения и рекомендаций принимаем длину локомотива равную длине тепловоза-прототипа ТЭП80.

Максимальная длина локомотива ограничена техническими требованиями на ремонтные стойла депо, минимальная – прочностью путевых сооружений. Для проверки используется уравнение [1, стр. 43]:

, (13)

где – допускаемая нагрузка на единицу длины пути, равная 88,5 кН/м для проектируемых локомотивов [1. стр. 43].

База локомотива – это расстояние между шкворнями или геометрическими центрами тележек одной секции тепловоза. Она определяет условия компоновки экипажной части «по низу» и надежность сцепляемости автосцепки локомотива и вагона. Предварительно база локомотива рассчитывается по формуле [1, стр. 43]:

, (14)

где – числовой коэффициент, равный 0,55-0,6 для экипажной части с длиной больше 20 м [1, стр. 43].

База тележки зависит от размеров тягового привода, тяговых электродвигателей и других элементов, размещаемых на тележках.

, (15)

где – расстояние между смежными колесными парами у современных тележечных локомотивов равно 1,85 – 2,3 м. Меньшие относятся к тележкам с групповым приводом, большие – с индивидуальным; – общее число колесных пар тележки.

Статический прогиб рессорного подвешивания (мм) при двухступенчатом подвешивании:

. (16)

Высота локомотива (мм):

, (17)

где – высота соответствующего габарита подвижного состава; – разница диаметров колеса при возможной реконструкции ходовой части

В соответствии с ГОСТ 9238-83 для подвижного состава, предназначенного к обращению только по железным дорогам Российской Федерации колеи 1520 (1524) мм используют габарит 1-Т.

(18)

Длина топливного бака локомотива равна:

, (19)

где – вылет передней и задний автосцепок ( = 2300 мм).

мм. (20)

мм.

В процессе проектирования основные параметры локомотивов могут уточняться с учетом требований перспективного развития и возможностей их осуществления.

2.Определение размеров строительного очертания локомотива

 

 

Строительным очертанием называется замкнутый контур, лежащей в плоскости перпендикулярной оси пути, в пределах которого должны быть размещены все элементы вновь проектируемого локомотива. Этот контур строят по габариту подвижного состава путем уменьшения его размеров на величину максимальных смещений экипажной части, создающихся в результате его конструктивных боковых перемещений, осадки рессор, прогибов рамы и износов ходовой части. Смещения локомотива, вызываемые состоянием отдельных участков пути и колебаниями на рессорах, не учитывают.

Для нахождения точек строительного очертания по высоте, контур его поперечного сечения разделим на верхнюю и нижнюю часть. Точки верхней части строительного очертания определяются размером габарита минус , а точки нижней части очертания плюс .

 

Максимальные вертикальные размеры верхнего строительного очертания (мм) (рис. 2.1, а) определяют из выражения:

, (21)

где – размер верхнего очертания габарита, мм; – возможное возвышение кузова.

, (22)

где – увеличение радиуса колеса, предусмотренное последующей реконструкцией локомотива (при переходе подвижного состава на тележку с большим диаметром колес), =0 мм; – суммарный статический прогиб рессорного подвешивания локомотива.

Разделим на две составляющие: -статический прогиб буксовой степени рессорного подвешивания и статический прогиб кузовной ступени рессорного подвешивания вследствие применения на проектном тепловозе двухступенчатого рессорного подвешивания таким образом, что:

мм. (23)

мм. (24)

Минимальные размеры нижнего очертания необрессоренных частей тележки (рис. 2.1, б) [1. стр. 268]:

, (25)

где – размер нижнего очертания габарита для необрессоренных частей тележки, мм;

– параллельное статическое понижение необрессоренной массы за счет износа бандажей и уменьшение радиуса колесного центра, мм. Для бандажа толщиной 75 мм .

. (26)

Минимальные размеры нижнего очертания обрессоренных частей тележки:

, (27)

где – нижнее очертание габарита для обрессоренной части тележки, мм;

– понижение обрессоренной массы тележки, мм

, (28)

где – число последовательно расположенных шарниров и опорных поверхностей надбуксового строения.

. (29)

(30)

 

Минимальные размеры обрессоренной массы кузова [1. стр. 268]:

, (31)

где – размер нижнего очертания габарита для обрессоренной массы кузова, мм;

– понижение обрессоренной массы кузова, мм.

, (32)

где 6 – шесть миллиметров прогиб кузова;

– число последовательно расположенных шарниров или опорных поверхностей подвески кузова; – статический прогиб кузова рессорного подвешивания, мм.

. (33)

(34)

Максимальные горизонтальные размеры строительного очертания:

, (35)

где – полуширина соответствующего габарита подвижного состава (); – ограничение полуширины в любом поперечном сечении по длине локомотива.

Вычисление связано с оценкой возможного поперечного смещения рамы тележки относительно колесной пары (q) и кузова относительно рамы тележки (ω;) при вписывании локомотива в кривую.

a) направляющие сечение (сечение проходящие через шкворень ):

, (36)

где S – максимальная ширина колеи в кривой расчетного радиуса (S = 1542 мм);

d – минимальное расстояние между наружными гранями предельно изношенными гребней бандажа (d = 1487 мм);

– наибольшее возможное поперечное перемещение в направлении сечения в одну сторону из центрального положения рамы тележки относительно колесной пары вследствие зазора при максимальном износе и деформации упругих элементов в буксовом узле и узле сочленения рамы тележки в буксе;

– смещение кузова относительно рамы тележки вследствие зазоров при максимальных износах и упругих колебаний в узле сочленения кузова и рамы тележки;

– величина дополнительного поперечного смещения в кривых участках пути расчётного радиуса

(37), где

р – база тележки;

– коэффициент размерности, зависящий от величины расчетного радиуса кривой;

– величина, на которую допускается выход подвижного состава;

– для габарита 1-Т.

.

.

b) ограничение по среднему сечению :

2В_в=2(В₀- Е_в), (38)

Е_в=0,5(S-d)+g+w+[k₂(l-n)n+(k₁-k₃) ]-k+α, (39), где

a - дополнительные ограничения внутренних и наружных сечений, мм;

– расстояние рассматриваемого сечения от направляющего сечения;

.

[k₂(l-n)n+(k₁-k₃) ]= [2,5(8,6-4,3)4,3+3,3-180]<0→[k₂(l-n)n+(k₁-k₃) ]=0, (40)

Е_в=0,5(1542-1487)+18+35=80,5 мм

2В_в=2(В₀-Е_в)=2(1700-80,5)=3239 мм

c) ограничение по внешнему сечению :

2В_н=2(В₀- Е_n), (41)

Е_n=[0,5(S-d)+g+w](2n+l)/l+[k₂(l+n)n-k₁-k₃]-k+ β (42)

Е_н=[0,5·(1542-1487)+18+35]·(2·4,3+8,6)/8,6+[2,5·(8,6+4,3)·4,3-3,3-180]=116,4,мм

2В_н=2(В₀- Е_n)=2(1700-116,4)=3166мм

Заключение

В ходе расчётов в п.п. 1-2 были найдены основные параметры проектируемого тепловоза, геометрические размеры, ограничение размеров локомотива по строительному очертанию. Следует принимать во внимание, что расчёты являются предварительными, так как не было учтено, например, оборудование, которое будет использоваться в локомотиве. Уточнение размеров и параметров следует производить при выборе оборудования и развеске локомотива. В частности, если будет использовано оборудование аналогичное, установленному на тепловозе-прототипе, и будет использована похожая схема развески, то следует ориентироваться на размеры и параметры тепловоза-прототипа ТЭП80, для которого:

– мощность дизеля 4400 кВт;

– масса тепловоза 150 т;

– нагрузка на рельсы 196 кН;

3. Выбор экипажной части

 

Конструкция главной рамы и кузова локомотива определяется компоновкой оборудования, способом восприятия и передачи нагрузки, производственно-технологическими условиями изготовления, родом службы локомотива.

По способу восприятия и передачи нагрузок принято различать кузова двух типов – несущие и ненесущие. К ненесущим относят кузова, которые не воспринимают основных внешних нагрузок. Эту функцию выполняет главная несущая рама локомотива. Кузов несущего типа воспринимает и передает нагрузки совместно с главной рамой, которая имеет меньшую массу, так как ее выполняют не такой мощной, как у локомотива с ненесущим кузовом. При одинаковой несущей способности локомотив с несущим кузовом имеет меньшую массу металлоконструкций, чем локомотив с ненесущим кузовом. Так, масса современных локомотивов, приходящаяся на 1 м длины ненесущего кузова с рамой, составляет 1,1 – 1,25, а несущего с рамой – 0,86 – 1,0 т/м.

На локомотивах применяют кузова закрытого (вагонного) и капотного типа. В СССР кузова закрытого типа использовали преимущественно на магистральных локомотивах, капотные кузова - на маневровых. Это разделение вызвано тем, что кузова вагонного типа обладают меньшим аэродинамическим сопротивлением. Их боковые стенки размещают с учетом максимального использования ширины подвижного состава. Это позволяет защитить обслуживающий персонал от воздействия внешней среды при выполнении работ по обслуживанию агрегатов во время движения локомотива. Маневровые локомотивы имеют одну кабину машиниста. Капотный кузов при этом позволяет обеспечить лучший обзор из кабины во всех направлениях. Он технологичнее в изготовлении, чем кузов вагонного типа. Его легко снимать с рамы при необходимости демонтажа агрегатов локомотива и во время ремонта.

Повышение секционной мощности локомотивов, а также скорости их движения обусловливает увеличение массы агрегатов, причем нагрузка на ось не должна увеличиваться. Поэтому следует уменьшать массу узлов и агрегатов. Более металлоемкими узлами является главная рама и кузов локомотива, на долю которых приходится до 15 – 20 % общей массы. Применяя несущие кузова, удается существенно снизить суммарную массу главной рамы и кузова.

Экипажная часть проектируемого тепловоза состоит из:

1. кузова проектного тепловоза с несущей рамой [лист 1, 14], закрытого (вагонного) типа, со съёмной крышей блочного типа. Каркас кузова – сварная конструкция, включающая в себя две боковые стены; поперечные стенки и поперечные балки, связывающие боковые стены.

2. рамы тепловоза сварной конструкции, предназначенной для установки и крепления на ней основного и вспомогательного оборудования, а также для восприятия продольных усилий, приложенных к автосцепке при подходе к составу, тяге и торможении. Рама рассчитана на продольную статическую нагрузку 250 т и вертикальную нагрузку от веса всего размещённого на ней оборудования с учётом динамики.

3. двух четырёхосных бесчелюстных тележек [лист 1, 12]. Для каждого колеса тележки имеется индивидуальный тормозной цилиндр.

На тележке под кабиной машиниста установлен привод скоростемера, трубопровод песочной системы,также установлены путевые индукторы автоматической локомотивной сигнализации.