Proiectarea unui vagon de marfa descoperit pe 4 osii pentru transport huila

Date initiale

-sarcina pe osie 2Q=20 tf

-tara vagonului T=14,5 t

-ampatamentul vagonului  a=13,6 m

-categoria liniei pe care circula C4

-ecartamentul caii e=1435

-viteza maxima de circulatie V=100 km/h

Continutul proiectului:

Alegerea tipului de boghiu si descrierea solutiei constructive

Calculul dimensiunilor principale ale vagonului

Verificarea inscrierii in gabarit

Calculul de verificare la oboseala a osiei montate

Calculul de verificare la sasiului

Alegerea tipului de boghiu si descrierea solutiei constructive

Pentru acest tip de vagon alegem un boghiu Y-25 Cs. Acest tip de boghiu este reprezentat in figura urmatoare:

Cadrul boghiului este rigid fiind compus din longeroanele 1 si longrinele intermediare 2, asamblate, prin sudura de traversa principala 3 (pe care se afla crapodina 4 si glisierele 5) si de doua treverse frontale 6. longeroanele Profil dublu T) si traversa crapodinei (sectiune inchisa) au inaltimea variabila si sunt din platbande de otel cu si , in constructie sudata, la care nu se face detensionare sau normalizare. Cutiile de osie 7, din otel turnat sunt prevazute cu consolele 8, pe care reazama arcurile elicoidale 9, suspensia din grupuri de cate doua arcuri elicoidale concentrice si de inaltimi diferite are elasticitatea pana la sarcina de si peste aceasta. Fiecare cutie e prevazuta cu amortizor cu frictiune 10, cu amortizare variabila cu sarcina (de tip LENOIR). Jocurile longitudinale sunt practic nule, iar jocurile laterale de 10 mm.

Forta orizontala anuleaza jocul longitudinal al cutiei de osie intre falci si ghiare. In acest fel prin rigidizarea osiilor fata de longeron, se micsoreaza lungimea de unda a miscarii de serpuire si se poate asigura o buna stabilitate a circulatiei pana la viteza de 110 [KM/h].

Masa boghiului este de cca. 4400 [kg].

Boghiul poate fi utilizat si la vagoanele cu cupla automata si este apt de a primi osii pentru ecartament larg.

Calculul dimensiunilor principale ale vagonului

a) Calculul sarcinii utile

n-numarul de osii

b) Verificarea coeficientului tehnic de tara

-este cuprins intre 0.370.48 pentru vagoanele cu 4 osii

c) Lungimea minima peste tampoane

m- este greutatea pe metru liniar de cale

Pentru liniile de tip C4, m=8tf/m

-este distanta in consola si in general este 1.9 m

-lungimea tamponului este 0.6 m

-12.05 m

-grosimea peretelui frontal    pana la 0.45 m

2.4 Calculul volumului specific

coeficientul de utilizarea vagonului

greutatea specifica a incarcaturii ( pentru cereale 0.8; huila =0.9; cocs=0.5; carbune=0.2; sare=1; nisip=1.8 )

Calculul volumului geometric al cutiei V

2.6 Lungimea peste tampoane

2.7 Lungimea interioara a cutiei

unde: V-volumul geometric

H-inaltimea interioara a cutiei vagonului

2.8 Inaltimea de incarcare utila

Verificarea inscrierii in gabarit

3.1 Cazul circulatiei in curbe situata in plan orizontal

-deplasarea interioara care este deplasarea vehiculului inspre interiorul curbei

-deplasarea exterioara la capetele acestuia

3.1.1 Calculul deplasarii interioare

R-raza curbei si se pot lua urmatoarele valori: 35, 70, 200, 250, 350, 400, 700

-este supralargirea

e=1435    S=25 mm

q-jocul dintre fus si lagar   q=0.03 m

k-depasirea maxima admisa fata de gabaritul

k=0.075 m pentru partile situate mai sus decat cota sinei cu 430 mm

k=0.025 m pentru partile situate mai jod de 430 mm

p-reprezinta ampatamentul boghiului 1800 mm

W=0.03 m -jocul admis in traversa dansanta

d-distanta dintre suprafatele exterioare ale buzelor bandajelor. La curbe uzual 1425 mm

3.1.2 Calculul deplasarii exterioare

3.2 Latimea maxima peste tampoane

G=3150mm

4. Calculul de verificare la oboseala a osiei montate

4.1. Fortele care actioneaza asupra osiei montate. Forte generate de masa vehiculului.

Asupra osiei actioneaza , in primul rand, forte generate de masa vehiculului care pot fi forte verticale statice si dinamice , forte orinzontale (laterale) date de fortele de inertie la circulatia in curbe , la care se pot adauga cele produse de presiunea vantului. In afara de acestea , in exploatare intervin fortele si momentele care iau nastere la franarea sau cele dezvoltate de motorul de tractiune.

Aceste forte actioneaza pe fusurile osiei si in suprafetele de contact dintre roti si sine , precum si la periferia coroanei dintate si pe fusurile lagarelor motoarelor de tractiune ale osiilor motoarelor.

Masa vehicului poate exercita asupra osiei , prin intermediul fusurilor si rotilor orizontale si verticale care sunt prezentate in figura urmatoare:

4.1.1 Sarcina statica verticala Ps[daN]

Aceasta este sarcina verticala care actioneaza asupra ambelor fusuri ale osiei in timpul stationarii vehiculului pe o linie in palier si alianiament ; in majoritatea cazurilor aceasta se imparte egal pe cele doua fusuri , dar poate fi si inegal repartizata.

Sarcina statica ce revine fiecarui fus in parte se poate stabilii cu relatia :

unde : - reprezinta sarcina verticala trasmisa osiei prin intermediul suspensiei osiei.

unde : - reprezinta greutatea osiei montate si a boghiului.

- greutatea boghiului

4.1.2 Suprasarcina verticala dinamica

Acesta apare in timpul mersului datorita oscilatiilor verticale ale vehiculului si care depind de nereguralitatiile caii si de caracteristicile suspensiei:

- coeficientul dinamic conform raportului ORE B 136 RP11

4.1.3 Sarcinile orizontale transversale

a) Forta centrifuga necompensata Cs [daN]

v - viteza in regim S

Rc - raza curbei

Hs - supraincarcarea sinei adoptam

2S - distanta dintre planele cercurilor de rulare

b)    Forta data de presiunea vantului Ws [daN]

-actioneaza pe suprafata laterala a partii suspendate si este data de relatia:

- aria suprafeteilaterale

- presiunea vantului

c) Forta orinzontala H [daN]

reprezinta rezultanta fortelor de la punctul a) si b) reduse la centrul de greutate a vehiculului.

unde - coeficientul pentru osiile vehiculelor din convoi.

4.1.4 Reactiunile y1 si y2 ale sinei exterioare

Aceasta la circulatia in curba , actioneaza la buza bandajului si sunt date de relatiile:

   

unde si - reprezinta sagetiile suspensiilor pentru osiile vehiculelor din convoi.

4.1.5 Reactiunile verticale ale sinelor Q1 si Q2

Cunoscand Ps , H , y1 , y2 avem urmatoarele expresii ale sarciniilor pe fusuri.

b = 1m = 1000 mm

- reprezinta distanta de le axa osiei la centrul de greutate a cutiei.

a = 0,25 - coeficientul dinamic

Reactiuniile verticale ale sinelor sunt:

unde  S = 750 mm

- raza rotii pe cercul de rulare.

4.2 Alegerea osiei boghiului

Osia are forma unei bare drepte cu sectiunea circulara , cu portiuni de diametre diferite corespunzatoare solicitarilor la care sunt supuse si destinasiei acestora.

Principalele parti ale osiei sunt:

corpul osiei care reprezinta partea centrala cuprinsa intre roti

portiunile de calare pe care se preseaza cele 2 roti

fusurile pe care se monteaza cutiile de osie.

Spre a micsora efectul de concentrare a tensiunilor intre diferitele sectiuni ale osiei sunt prevazute racordari cu raze de 15-75 mm , iar intre fus si portiunea de calare s-a prevazut o zona intermediara numita umarul osiei.

In cazul vagonului de proiectat se va folosi tipul de osie pentru lagare cu rulmenti cu simbolul OR1 care este reprezentat schematic in figura urmatoare.

4.3 Calculul osiilor

Osia este solicitata la incovoierea in principal de sarcinilor generate de masele suspendate dar si de fortele de tractiune si franare , fortele de reactiunilor de la sistemul de antrenare , fortelor de conducere de la buza bandajului. In plus osia este solicitata la torsiune , in special datorita sistemului de antrenare , dar si alte cauze cum sunt diametrele inegale ale cercurilor de rualre , lungimile inegale ale sinelor in curbe forte de franare inegale pe cele doua roti. Solicitarile suplimentare apar datorita socurile primite de la sine , care sunt dependente de viteza.

La proiectare , pentru un calcul cat mai mai exact se determina pentru fiecare caz de incarcare considerat diagramele momentelor Mv de incovoiere in plan vertical si Mh in plan orizontal , produse de fortele incovoietoare Mi rezultate si a momentelor de torsiune Mt.

La calculul de verificare la oboseala a osiei montate adoptate se vor urmari etapele metodei de calculul recomandata de ORE.

Metoda de calcul recomandata de ORE cuprinde:

determinarea fortelor aplicate

calculul momentelor si tensiunilor de incovoiere si rasucire

stabilirea rezistentelor admisibile in diferite sectiuni ale osiilor

inventarierea celor mai bune solutii privind forma osiei.

4.3.1 Fortelor care trebuie luate in considerate la calcului osiei

Aceasta metoda recomandata sa se ia in considerare atat fortele generate de masa vehiculului cat si cele produse de masa vehiculului.

P1 = 7545,6 daN

P2 = 5554,4 daN

Fortele trasversale

H = 1572 daN

y1 = 3144 daN

y2 = 1572 daN

Reactiunile sinelor

Q1 = 8375,26 daN

Q2 = 7379,66 daN

b) Fortele produse in regim de franare.

La franare asupra osiei montate actioneaza fortele de aderenta dintre roti si sine precum si fortele orizontale de inertie trasmise prin cutiile de osie de la sasiul boghiului.

Forta de aderenta dintre raota si sina este

- coeficient de frecare

Valorile fortelor Ph care actioneaza asupra fusurilor depind de dizpozitivul de franare. In cazul franarii simetrice cu doi saboti pe fiecare roata , avem:

4.3.2 Sectiunile de calcul

Sunt recomandate cinci sectiuni de calcul S1 . .S5 care sunt prezentate in figura urmatoarele , fiind plasate la urmatoarele distante fata de planul de aplicare a sarcinii P1:

Sectiunile S1 , S2 , S4 sunt situate la inceputul racordarile.

In aceste cazuri coeficienti de concentrare vor fi:

4.3.3 Momentele rezultante de calcul

a) Momente de incovoiere in plan vertical Mvi [daNmm]

b)    Momentele de incovoiere in plan verticla Mvi

Pentru ca sabotii de frana sunt considerati ca situati in planul orizontal de simetrie al osiilor rezulta ca

c) Momentele in plan orizontal

Pentru

d)    Momentele de torsiune

intre planul de rulare si cel de incarcare I=1,2.

e) Momentul echivalent Mechi [daN]

Momentul echivalent este dat de relatia:

4.3.4 Calculul tensiunilor maxime

Pentru otelul A1 are conform fisei UIC 881-0 o rezistenta de rupere de 55-65 daN/se recomanda urmatoarele rezistente admisibile.

- pentru corpul osiei

- pentru celelante parti

5. Calculul sasiului

5.1 Rolul si clasificarea sasiurilor

Sasiul este acea parte a vehicului pe care se plaseaza incarcatura utila , dar care suporta si alte sarcini provenite din greutatea instalatiilor si diversificarea agregatelor cu care sunt inzestrate vehiculele , precum si din forta de tractiune si de franare , forta de inertie , tamponari , etc.

La sasiul si cutia vehiculului se distinge elemente principale de rezistenta , elementele auxiliare de rezistenta si elementele neportante care indeplinesc alte functii. Totalitatea elementelor care asigura rezistenta si rigiditatea la sarcinile care intervin in exploatare formeaza structura portanta sau de rezistenta; in functie de amplasarea elementelor de rezistenta , aceste structuri pot fi cu:

sasiu rigid sau portant ( vagon platforma )

sasiu cu pereti laterali purtatori (Vagoane descoperite)

cutie autoportanta (vagoane acoperite)

Sasiurile vagoanelor cu boghiuri reazama pe acestea prin intermediul crapodinelor superioare care sunt montate pe traverse puternice (veyi figura urmatoare) , denumite traverse ale crapodinei sau traversa principala (4). La aceste sasiuri , longeroanele principale (1) sunt plasate , in general , in planul peretilor laterali , iar longeroanele intermediare (2) se aseaza la o distanta de 1/3 -1/4 din latimea vagonului.

Sasiurile sunt astazi , aproape in exclusivitate constructii sudate realizate din profile laminalte sau ambutisate din OL 37 sau OL 52.

5.2 Calculul simplificat al sasiului

Sasiurile fiind alcatuite din bare longitudionale , transversale si diagonale , legate intre ele prin sudura , reprezinta structuri spatiale sattic nedeterminate. In schemle de calcul se considera in majoritatea cazurilor , ca barele , reprezentate prin axele lor , sunt situate in acelasi plan si sunt legate prin noduri rigide.

La proiectare , se folosesc initial scheme simplificate , in care se iau in considerare principalele elemente derezistenta , care se dimensioneaza prin calculul pentru sarcinile verticale si longitudionale , celelalte elemente se aleg constructiv.

5.2.1 Forte care actioneaza asuprea sasiului.

a) Forte verticale

G_b - greutatea bruta

G_v - greutatea cutiei

G_u - greutatea incarcaturii utile

b)    Sarcina dinamica verticala

- reprezinta fortele dinamice ce apar di cauza acceleratiilor , miscarilor oscilatorii pe verticala ale vehiculelor in mers.

- coeficient dinamic

c) Sarcini orizontale

sarcina statica de incarcare pe fiecare tampon G_Ht = 1000 kN

sarcina statica de tractiune pe vagon G_Hv = 1500 kN

d)    Fortele datorate franarii

In timpul franarii apar forte in elementele sistemului de frana si fortele de inertie pe directia longitudionala corespuzatoare fortei de franare maxime.

5.2.2 Calculul longeroanelor principale.

Longeroanele principale considerate ca grinzi simplu rezemate sr dimensioneaza pentru solicitarea de incovoiere produsa de sarcinile verticale.

La vagoane in general sarcina verticala este uniform repartizata pe toata lungimea longeronului principal rezultand pe unitatea de lungime incarcarea b care se calculeaza cu urmatoarea relatie:

2d* = 12,5 [m] - componentul vagonului

nc = 1,9 [m] - distanta in consola

Diagrama de forte taietoare si de momente incovoietoare se obtin in felul urmator:

Momentele in punctele A,Bsi C vor fi:

Rezulta ca momentul maxim se afla la mijlocul grinzii unde forta taietoare este nula.

Tensiunea admisibila la incovoiere este

Se alege pentru constructia sasiului un profil I 32 care are modulul de rezistenta

Elementele goemetrice ale profilului sunt urmatoarele:

Asezarea longeroanelor in numar de 6 este reprezentata in figura urmatoare.

Modulul de rezistenta a grinzi echivalente va fi: