Розділ 2. Класифікація і типи основних вузлів , елементів та пристроїв локомотивів.

Главная рама электровоза ВЛ80 (рис. 2.2) охватывающего типа, состоит из двух боковин 7, двух буферных брусьев 1, двух шкворневых балок 2 и двух балок 5 под трансформатор. К лобовому листу буферного бруса приварена розетка 9 автосцепки; внизу буферный брус имеет коробчатый проем для поглощающего аппарата автосцепки и кронштейн для нагружающего цилиндра. К нижнему листу буферного бруса прикрепляют путеочиститель.

Буферный брус сварен из листовой стали (толщина заднего листа 20 мм, лобового 16 мм и горизонтальных 10 мм) и усилен накладками. Шкворневая балка коробчатого сечения сварена из четырех листов толщиной 10—12 мм. К средней части ее приварена коническая обечайка 14 с литым фланцем 13, а вверху вварена цилиндрическая втулка 10. Шкворень 12 запрессовывают во фланец 13 и затягивают во втулке 10 гайкой 11. На концах шкворневой балки вварены четыре стакана 8 под боковые опоры.

Боковины рамы кузова сварены из полос (900x8 мм) и двух швеллеров — нижнего швеллера № 30с осью, расположенной приблизительно по оси автосцепки, и верхнего швеллера № 16. При этом боковина рамы кузова закрывает верхнюю часть тележки на 240мм.

Все несущие элементы рамы кузова изготовлены из стали Ст3 или стали М16С.

Кроме основных элементов, жесткость рамы обеспечивают продольные 3, поперечные 4 элементы (уголки № 5 и гнутые профили в виде швеллера толщиной 4 мм и высотой 120 мм) и настил пола толщиной 2—3 мм. Шкворневые балки рамы коробчатого сечения сварены из четырех листов. К нижнему и верхнему листам шкворневых балок приварены упорные кронштейны качающихся опор.

Главная рама тепловоза ТГМ23(рис. 2.3).Ее основой служат две боковины 4 в виде вертикальных листов толщиной 25 мм. В листах имеются три выреза для букс колесных пар и один для отбойного вала. Буксовые вырезы скреплены подбуксовыми струнками 3.

Вертикальные листы связаны передним 7 и задним 20 стяжным ящиком, а также поперечными креплениями. Стяжные ящики состоят из буферных листов толщиной 25 мм, горизонтальных и вертикальных листов для крепления фрикционного аппарата автосцепки.

К поперечным креплениям относятся три корытообразных крепления 9,13,16 буксовых вырезов и горизонтальные листовые крепления 8,10,11,14,18. Горизонтальные крепления связывают боковины в нижней части со стяжными ящиками и корытообразными креплениями. В верхней части боковины скрепляют съемными деталями — сварной опорой топливного бака и чугунной опорой дизеля. С внутренней стороны боковин, над вторым буксовым вырезом, приварены усиливающие накладки.

Рама тепловоза сверху по всей длине имеет настил 17 из ромбической рифленой стали. По обе стороны от боковин расположены боковые площадки, которые крепят к боковинам кронштейнами. По бокам снаружи верхнего настила и кронштейнов рама укреплена обводными листами 1. Между передними и задними частями этих листов, загнутых внутрь в поперечном направлении, и буферными листами вварены лестницы 21.

Для установки гидропередачи внутри рамы имеются три опоры^: одна 19 в виде листа, приваренного к вертикальному листу заднего стяжного ящика, и две 15 в виде кронштейнов, приваренных к боковинам между вторым и третьим буксовым вырезами. Два кронштейна 12 предназначены для крепления реверс-режимного редуктора.

По сторонам буксовых вырезов к боковинам прикреплены при- зонными болтами буксовые направляющие 2 из стали 25Л-ІІ, к плоскостям которых крепят накладки из высокомарганцовистой стали Г13Л.

Главная рама тепловоза 2ТЭ10В (рис. 2.4) сварена из стального проката. Хребтовые балки 4 выполнены из двутаврового проката № 45а, верхняя и нижняя полки которых усилены приваренными полосами (18x340 мм) и соединены между собой поперечными перегородками 10 из листа толщиной 10—12 мм. Торцы хребтовых балок приварены к лобовым листам 7, а литые стяжные ящики 6 приклепаны к концам балок снизу.

Хребтовые балки связаны между собой также и горизонтальными листами 9, приваренными к усиливающим полосам сверху и снизу. Толщина листов настила снизу 6—8 мм, а сверху 8— 14 мм.

Для увеличения ширины рамы и размещения на ней кузова с внешней стороны имеются поперечные кронштейны 12, штампованные из листа толщиной 6 мм и связанные обносным поясом 5 из швеллера №16 с приваренными к нему четырьмя опорами 1 для подъема тепловоза.

Внутри рамы между хребтовыми балками на нижних листах настила укреплены кондуиты 11, предназначенные для электрических кабелей. Кроме того, между балками проходят каналы охлаждения тяговых электродвигателей. В середине рамы выполнен поддон для установки дизель-генератора. В нижней части рамы на специальных утолщениях приварены два шкворня, на которые надеты и приварены прерывистым швом сменные шкворневые коль-ца. Около каждого шкворня имеются четыре шаровые опоры 3, расположенные по окружности диаметром 2730 мм. С их помощью рама опирается на тележки. В местах расположения опор рама имеет жесткие коробчатые усиления.

Все литые детали тепловоза (стяжные ящики, шкворни, домкратные опоры) изготовлены из стали 25Л-II. Сменные шкворневые кольца изготовлены из стали 50 и термообработаны до твердости НВ 225—305. Двутавровые балки и усиливающие полосы выполнены из стали Ст3сп, все остальные детали из стали Ст3кп.

Главные рамы маневровых локомотивов как с электро-, так и с гидропередачей, а также тепловозов ТЭ1, ТЭ2, ТЭЗ имеют подобную конструкцию.

Путеочистители. Для предохранения от повреждений элементов конструкции тележек и другого низко расположенного оборудования, а также для удаления с путей посторонних предметов на рамы передней и задней тор-цовых частей локомотива устанавливают путеочистители. Путеочиститель имеет сложную форму. Его отливают из стали или выполняют сварным и крепят к стяжному ящику. У путеочистителя имеются кронштейны для крепления свободных концов шлангов тормозной магистрали и индуктивных катушек автоматической локомотивной сигнализации.

Ударно-тяговые приборы. Для сцепления локомотива с поездом, одиночными локомотивами или вагонами в стяжных ящиках рамы устанавливают ударно-тяговые приборы. Их основными элементами являются автосцепка и поглощающий аппарат. Поглощающий аппарат снижает продольные усилия, передаваемые на раму, и представляет собой чаще всего стальной корпус, в котором размещают фрикционные клинья. Энергия удара в авто-

сцепку поглощается силами трения, возникающими между фрикционными клиньями и корпусом аппарата. Применяют в поглощающих аппаратах рабочие элементы и других типов (резиновые, гидравлические, пневматические).

В настоящее время локомотивы оборудуются поглощающими аппаратами энергоемкостью 55 000—65 000 Н·м. В связи с увеличением скоростей при маневровой и сортировочной работах, а также повышением требований к безопасности работы локомотивной бригады и сохранности оборудования при аварийных соударениях разработаны более энергоемкие поглощающие аппараты: фрикционные — Ш-2-В энергоемкостью 65 000—78 000 Н·м, Ш-4-Г энергоемкостью 104 000 Н·м при полном ходе 160 мм; гидрогазовые поглощающие аппараты ГА-100м энергоемкостью 100 000 Н·м.

Локомотивы магистральных железных дорог Советского Союза оборудуют типовой автоматической сцепкой СА-3.

§2.3. Кузова ненесущего типа.

Ненесущие кузова могут быть капотного или вагонного (закрытого) типа.

Кузов капотного типа имеют тепловозы ТЭМ1 и ТЭМ2 (рис. 2.5).

Он состоит из кузовов холодильной камеры, двигателя, высоковольтной камеры, аккумуляторного отсека и кабины машиниста.

На тепловозе ТЭМ1 кузова двигателя и высоковольтной камеры съемные, на ТЭМ2 съемным является только кузов двигателя. Съемные кузова крепят к главной раме болтами, а к другим кузовам болтами (ТЭМ1) или с помощью клинового крепления (ТЭМ2). Для удобства обслуживания и доступа к агрегатам и узлам тепловоза в кузове имеются боковые двери, а также съемные листы и люки на крыше.

Кузов аккумуляторного отсека представляет собой металлическую конструкцию из уголкового сортового проката, гнутых профилей и наружной обшивки. Внутри имеются два яруса замкнутых элементов в виде рамок для установки поддонов с аккумуляторами и приварные элементы для крепления аккумуляторных батарей. С каждой стороны кузова предусмотрены двухстворчатые двери с просечками и люк для обслуживания и выемки аккуму-ляторных батарей. Вытяжной колпак люка предназначен для удаления образующихся в аккумуляторном помещении газов. На торцовой части кузова имеется дверь, ниша для установки прожектора. Корпус песочницы также крепят на торцовую часть кузова.

Каркас кузовов двигателя и высоковольтной камеры выполнен из швеллеров, угольников, гнутых профилей и обшит снаружи листами. Кузов двигателя теплоизолирован матами из стекловолокна, обшит изнутри металлической обшивкой. В нем имеются кронштейны для крепления оборудования. Двери этого кузова располагают с обеих сторон тепловоза. Они представляют собой металлические листы с просечками в верхней и нижней частях, среднюю часть между просечками изолируют стекловолокном и закрывают металлическим коробом. В местах расположения просечек дверь имеет съемные щиты с изоляцией. По контуру дверной проем уплотнен профильной резиной. Люки на крыше кузовов обеспечивают доступ к цилиндровым крышкам дизеля, турбокомпрессору, воздухоохладителю и водяному баку. Люки выполнены из штампованных листов, имеют тепловую изоляцию из стекловолокна и по контуру профильное уплотнение.

Каркас кузова холодильной камеры образован продольными нижними балками, задней стенкой, корпусом песочницы, опорой вентилятора и рамой под редуктор. Сваренные между собой, они образуют единую конструкцию, обшитую сверху и с боков металлическими листами. К этому кузову приварены рамки, угольники и кронштейны для установки и крепления оборудования. Входная дверь в холодильную камеру расположена в корпусе песочницы. В задней стенке, отделяющей холодильную камеру от дизельного помещения, имеются отверстия для труб и вала привода редуктора холодильника.

Кузова других маневровых тепловозовимеют подобную конструкцию и различаются лишь соотношением высот кабины и капота. Однако на тепловозах ТГМ1, ТГМ23 отсутствует кузов аккумуляторного отсека, но зато имеется кузов глушителя. На этих тепловозах к обшивочным листам изнутри крепят деревянный брусковый переплет, обшиваемый жестью толщиной 0,5 мм. Образованную полость заполняют минеральным войлоком на битумной связке.

На тепловозе ТГМЗ отсутствует кузов высоковольтной камеры. Кузов тепловоза ТУ7 устанавливают на раме тепловоза на резиновых амортизаторах, гасящих вибрации.

Кузова закрытого типа с несущей рамойшироко применяют в нашей стране на серийно выпускаемых магистральных тепловозах и электровозах. Это тепловозы ТЭ2, ТЭЗ, 2ТЭ10В, М62 и электровозы ВЛ60, ВЛ80.

Кузов тепловоза 2ТЭ10В (рис. 2.6) состоит из кабины машиниста 1, проставки 2, кузова 3 двигателя и холодильной камеры 4.

Каркас кузова выполнен в виде прямоугольной решетки из стальных профилей. К каркасу приварена наружная обшивка из стальных листов толщиной 2,5 и 1,5 мм. Внутренняя обшивка стальная, и ее крепят к деревянным брускам, укрепленным посредством шпилек на каркасе. В проставке 2 имеются двери для входа в тепловоз, установлены две высоковольтные камеры. На крыше проставки расположен люк.

Кузов двигателя состоит из двух частей. Верхняя часть съемная. Она включает часть боковых стенок с крышей. Нижняя — несъемная часть, ее приваривают к главной раме тепловоза. Горизонтальный разъем по боковой стенке расположен на высоте 1000 мм от главной рамы. При снятой верхней части кузова удобно монтировать дизель-генератор и другие узлы.

Съемная часть по концам окантована штампованными профилями, которые соединены с проставкой 2 и кузовом 4 холодильной камеры болтами. На крыше съемной части предусмотрено три люка для ремонта, монтажа и демонтажа узлов. На съемной части кузова над дизелем имеются окна, стекла которых крепят резиновой окантовкой. Имеются проемы для установки воздушных фильтров дизеля и главного генератора. Пол в дизельном помещении изготовлен из стальных рифленых листов.

Кузов холодильной камеры основанием приварен к раме тепловоза и состоит из шахты холодильника и части, образующей продолжение дизельного помещения в зоне между дизелем и шахтой холодильника. Кузов холодильной камеры и проставка служат для крепления и соединения кузова в целом и являются также основными частями, придающими ему жесткость.

В отличие от кузова тепловоза кузов электровоза закрытого типа с несущей рамой имеет меньшее число составных частей: это кабины и боковые стены. Крыши электровозов в основном несъемные, но имеют съемные люки.

§2.5. Несущие кузова и особенности их работы.

Повышение секционной мощности локомотивов, а также скорости их движения обусловливает увеличение массы агрегатов, причем нагрузка на оси не должна увеличиваться. Поэтому следует уменьшать массу узлов и агрегатов. Более металлоемкими узлами являются 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 (табл. 2.1). Причем в зависимости от компоновки и массы размещаемых в кузове агрегатов хребтовые балки можно располагать на всей длине кузова или только по его концам.

На тепловозах ТЭП60, ТЭП70 и ТЭП75 применены кузова с несущими раскосными фермами. Толщина обшивки стен 1,5— 2 мм. Обшивка воспринимает некоторую долю нагрузки.

На тепловозах ТЭ10, ТЭ109 основным несущим элементом является обшивка (оболочка) боковых стен толщиной 2—2,5 мм. Она подкреплена каркасом в виде прямоугольной решетки (безраскосная ферма). Безраскосные кузова обладают большей несущей способностью при одинаковой металлоемкости по сравнению с раскосными кузовами. Безраскосные кузова несколько легче раскосных, но последние проще и технологичнее в изготовлении.

Каркас может быть значительно облегчен при применении трехслойных оболочек, известных под названием «сэндвич». Они состоят из двух тонких внешних слоев из высокопрочного материала, связанных между собой слоем маложесткого и легкого заполнителя, который выполняет также роль шумо- и термоизоляции. Такие конструкции, как показала практика их применения, обеспечивают высокую устойчивость, жесткость и надежность при малой массе. Кроме того, они обладают способностью снижать вибрации. Элементы крыши кузова по возможности также включают в общую несущую систему. Для максимального использования несущей способности включают топливные баки в общую несущую систему кузова (тепловозы ТЭ109, ТЭП60, ТЭП70).

Кузов тепловоза ТЭП70 несущий, ферменно-раскосный со съемной крышей блочного типа (рис. 2.7, а). Конструкция кузова ТЭП70 является дальнейшим развитием и совершенствованием хорошо зарекомендовавшего себя кузова тепловоза ТЭП60. Конструктивно кузов можно разделить на пять основных частей: рама, бак для топлива, боковые стенки с обшивными листами, блоки крыши и кабины машиниста.

Рама кузова охватывающего типа образована двумя продольными балками коробчатого сечения, двумя лобовыми поперечными балками, образующими короба для установки сцепных приборов, и четырьмя поперечными шкворневыми балками. В силовую схему рамы включены топливный бак и каналы централизованной системы воздухоснабжения.

Концевые секции рамы воспринимают продольные силы, для чего в них устанавливают автосцепки СА-3 с поглощающими аппаратами пассажирского типа ЦНИИ-Н6. К ним же на болтах крепят путеочистители, нижняя часть которых регулируется по высоте.

Средняя секция рамы представляет собой основание для установки дизель-генератора. В нее входят также вварной топливный бак с нишами для размещения аккумуляторных батарей и два канала воздуховода системы охлаждения электрических машин. Промежуточные секции рамы устанавливают между концевыми и средней. В каждой промежуточной секции две поперечные шкворневые балки непосредственно воспринимают силу тяги от тележек и одновременно передают на них вес кузова.

Боковые стенки кузова имеют каркас раскосного типа из гнутых тонкостенных элементов, к которому заклепками крепят обшивку из дуралюминия Д16А толщиной 3 мм. Боковые стенки около концевых секций рамы соединяют нижний продольный силовой пояс рамы и верхний пояс боковых стенок с помощью раскосов. При таком решении происходит лучшее распределение сил по элементам кузова, и конструкция лобовой части кабины машиниста становится более жесткой и прочной.

Крышу кузова используют для размещения узлов вспомогательного оборудования. Конструктивно крыша с встроенными узлами состоит из пяти отдельных съемных секций, которые устанавливают над машинным помещением, и двух секций над кабинами машиниста.

В отличие от тепловоза ТЭП60, в котором рама и каркас боковых стенок выполнены из стали Ст3 или стали 20, на тепловозе ТЭП70 они изготовлены из низколегированной стали 09Г2, а слабонагруженные и некоторые силовые узлы — из алюминиевых сплавов.

Кузов тепловоза ТЭ109 несущий безраскосного типа (рис. 2.7, б). Боковые стенки, рама, кабины, топливный бак и несъемные секции крыши образуют единую пространственную систему, все элементы которой участвуют в передаче нагрузок. Крыша над холодильной и высоковольтной камерами, а также дизель-генератором состоит из съемных элементов. Главная рама кузова охватывающего типа образована двумя главными продольными балками замкнутого профиля сечением 320x210x5 мм, двумя шкворневыми балками, поперечными креплениями и топливным баком. Боковые стенки выполнены из тонкостенного набора продольных и вертикальных элементов и стальной гофрированной обшивки толщиной 2 мм.

В кузове широко использованы легкие алюминиево-магниевые сплавы АМГ-5, АМГ-6 и пластмассы, из которых изготовлены поперечные диафрагмы, двери, съемные секции крыши и другие слабонагруженные узлы.

Розрахунок рам і кузовів.

§2.6. Расчет рам и кузовов.

Общие сведения.Методика расчета кузовов, главных рам и рам тележек включает несколько последовательно выполняемых этапов. На каждом из этапов учитывают часть свойств несущей системы. При этом последовательно уточняют данные о напряжениях и деформациях отдельных элементов. Необходимость в таком комбинированном расчете обусловлена большой сложностью пространственных конструкций. Эта сложность повышается вследствие наличия больших и малых вырезов разнообразной формы, расположенных в различных местах несущей системы кузова, а также сложностью сочленения несущих элементов рам. Наряду со стержневой основой (каркасом, фермой) в работе участвуют пластины внешней обшивки кузова. Характерной особенностью таких конструкций является возможность потери устойчивости стержней и пластин. Это обстоятельство учитывают в расчетах введением редукционных коэффициентов при определении геометрических характеристик поперечных сечений.

В процессе проектирования, во-первых, проводят расчеты прочности с оценкой устойчивости отдельных элементов и узлов конструкции. Во-вторых, выполняют расчет главной рамы и кузова в целом, а также рам тележек. Расчетные схемы, используемые при этом на разных этапах проектирования одного и того же объекта, могут быть разными. Начинают, как правило, с простых схем, например раму или кузов рассматривают как плоскую балку, а заканчивают сложными пространственными схемами метода конечных элементов (МКЭ).

При проектировании локомотивов, предназначенных для эксплуатации на железных дорогах России и Украины, необходимо использовать порядок проектирования и расчетов, предусмотренный действующими на этот момент «Нормами» в данной стране.

Расчетам на прочность в процессе проектирования подвергаются: кузов, главная рама, шкворневой или иной узел для передачи силы тяги, рама тележки, колесная пара, буксовый узел, рессорное подвешивание, тяговый привод, тормозная передача и др.

Нормативная оценка несущей способности экипажной части локомотивов выполняется по допускаемым: а) напряжениям и коэффициентам запаса статической прочности; б) коэффициентам запаса сопротивления усталости; в) коэффициентам запаса устойчивости.

При оценке прочности по допускаемым напряжениям действующие напряжения сравниваются с допускаемыми. В случаях сложного напряженного состояния используются соответствующие теории прочности, предусматривающие расчет эквивалентных напряжений и сравнение их с допускаемыми. Нормы рекомендуют пользоваться следующими формулами для оценки эквивалентных напряжений.

Для пластинчатых материалов:

– при одноосном растяжении или сжатии (σ_х) и сдвиге (τ)

(2.1)

– при двухосном растяжении или сжатии (σ_х, σ_у) и сдвиге (τ)

(2.2)

Для хрупких материалов:

– при одноосном растяжении или сжатии (σ_х) и сдвиге (τ)

(2.3)

– при двухосном растяжении или сжатии (σ_х, σ_у) и сдвиге (τ)

(2.4)

где σ_В и σ'_В — абсолютные значения пределов прочности при растяжении и сжатии соответственно.