Расчет и проектирование механической части автотормозов

9.1. Автотормозное оборудование вагонов должно соответствовать установленным нормам безопасности движения и управляемости тормозов в эксплуатации, устойчиво работать при температурах от +55oC до -55oС и сохранять работоспособность при кратковремен­ных повышениях температуры до +80oС.

9.2. В поездах массой, указанной в п. 1.6, эксплуатируемых со ско-ростями движения до максимальных согласно п. 1.7 при произ­воль-ном состоянии зазоров автосцепок продольные усилия при эк­стрен-ных торможениях автоматическими пневматическими тормозами по-езда не дол­жны превышать расчетных величин квазистатических сил, приведенных в Табл. 2.1 для I режима. Конкретные требования к характеристикам тормозных устройств устанавливаются техническим заданием на проектирование.

9.3. В тормозных системах вагонов должны использоваться следу­ющие виды фрикционных тормозов:

* в грузовых вагонах - колодоч­ные,

* в пассажирских ­колодочные, дисковые или колодочно-диско­вые.

При использовании колодочного тормоза рекомендуется, по воз­можности, применять двустороннее нажатие колодок на колеса. В те-лежках грузовых и изотермических вагонов при конструкционной ско-рости до 33 м/с (120 км/ч) допускается применение односто­роннего нажатия колодок. В необходимых случаях могут приме­няться секцион-ные тормозные колодки как для двустороннего, так и для односторон-него нажатия.

Для грузовых и изотермических вагонов, предназначенных для ре-гулярной эксплуатации с максимальными скоростями более 120 км/ч допускается применение дисковых тормозов на тележках.

Фрикционные тормоза вагонов должны иметь автоматический пне-вматический привод, а пассажирских вагонов дополнительно электро-пневматический привод. Кроме того, все вагоны должны иметь ручной привод для затормаживания стоящего вагона.

 

9.4. Тормозные системы грузовых вагонов в общем случае должны проектироваться с автоматическим регулятором изменения величи­ны давления сжатого воздуха в тормозном цилиндре в зависимости от загрузки вагона (авторежимом).

Для грузовых вагонов, эксплуатирующихся в порожнем состоянии и с загрузкой, превышающей 70% от полной расчетной, допускает­ся применение автоматического переключателя "порожний/груженый" по давлению воздуха в тормозном цилиндре.

По согласованию с заказчиком допускается ограничиваться возду­хораспределителем, имеющим не менее трех грузовых режимов тор-можения с ручным переключением. В этом случае должны быть пре-дусмотрены доступные с любой боковой стороны вагона устрой­ства для переключения воздухораспределителя на соответствующий ре-жим действия.

Для вагонов пассажирского парка, если величина расчетной по-лезной нагрузки не превышает 15% от проектной мас­сы тары вагона, при конструкционной скорости до 45 м/с (160 км/ч) допускается применять однорежимные тормозные системы без регулирования тормозной силы в зависимости от загрузки ваго­на.

9.5. При проектировании колодочных фрикционных тормозов сле­дует исходить из величины расчетного коэффициента силы нажа­тия тормозных колодок р, определяемого по формуле:

, (9.1)

K р- расчетная сила нажатия тормозной колодки;

n - число тормозных колодок на вагоне;

T - сила тяжести порожнего вагона;

Q - сила тяжести груза;

[р] - минимально-допускаемая по условиям безопасности движения вели­чина коэффициента нажатия.

Расчет тормозов вагонов общего назначения проводится как для чугунных, так и для композиционных тормозных колодок.

Рекомендуемые минимальные величины [р] при расчете эффек­тивности тормозов приведены для грузовых и изотермических ва­гонов с композиционными тормозными колодками в Таблице 9.1, для пас-сажирских - в Таблице 9.2. Для грузовых вагонов с чугунными тормоз-ными колодками определяется расчетная сила нажатия колодок на ось вагона, которая должна быть не менее 35 кН на порожнем, 50 кН на среднем и 70 кН на груженом режимах воздухораспределителя.

Расчетная загрузка вагонов Q принимается в соответствии с техни­ческим заданием и п. 2.2.

 

9.6. Расчетная сила нажатия на тормозную колодку определяется по формулам:

для чугунных стандартных колодок

, кН (9..2)

для композиционных тормозных колодок

, кН (9.3)

где:

K - действительная сила нажатия на одну колодку, кН.

Таблица 9.1

Минимальные, допускаемые по эффективности торможения, значения расчетных коэффициентов силы нажатия компози-ционных тормозных колодок грузовых и изотермических вагонов

Тип вагона	Наличие авторежима на вагоне	Режимы воздухораспределителя по загрузке вагона	Величина [dp ]
Грузовой вагон	Нет	Порожний Средний Груженый	0,22 0,14 0,18
Грузовой вагон	Есть	Средний (Порожний вагон) (Полная загрузка вагона)	0,22 0,14
Изотерми-ческий вагон	Нет	При установленном режиме, соответствующем загрузке вагона	0,22 ^*0,24

Примечание:

*) в числителе для скоростей движения до 100 км/ч, в знаменателе - до 120 км/ч.

 

Таблица 9.2

Минимальные допускаемые значения коэффициентов нажатия тормозных колодок или накладок дисковых тормозов пассажирских вагонов при максимальных скоростях до 160 км/ч

 

	Величина [р]
Тип тормоза	чугунные стандартные колодки	композиционные колодки или накладки
Электропневматический	0,80	0,28
Пневматический	0,85	0,30

Примечание:

1) для вагонов с конструкционной скоростью более 160 км/ч величины [р] уточняются в техническом задании;

2) коэффициент [р] для накладок дисковых тормозов приведен к радиусу круга катания колеса.

9.7. Действительная сила нажатия на одну колодку определяется по формуле:

, (9.4)

где:

m - число тормозных колодок вагона, на которые действует усилие от одного тормозного цилиндра;

d ц- диаметр тормозного цилиндра;

p ц- расчетное давление воздуха в тормозном цилиндре, принимается для соответствующего режима торможения минимальное - при определении эф­фективности тормоза и максимальное - при проверке возможности юза.

Ве­личины расчетных давлений воздуха в тормозных цилиндрах грузовых и изотермических вагонов, осна­щенных типовыми автотормозными приборами, приведены в Таблице 9.3.

Для грузовых вагонов с массой тары более 26-27 т, оборудованных авторежимом и композиционными колодками, расчетные давления в тормоз-ных цилиндрах устанавливаются отдельным указанием МПС:

_ц- к.п.д. тормозного цилиндра, рекомендуется принимать _ц= 0,98;

F ₁- усилие сжатия внутренней отпускной пружины тормозного цилиндра;

F ₂- усилие сжатия наружной отпускной пружины, приведенное к штоку тормозного цилиндра;

F ₃- усилие пружины авторегулятора рычажной передачи, приведенное к штоку тормозного цилиндра (при проверке возможности юза не учитывается);

n - передаточное число рычажной передачи;

h _п- к.п.д. рычажной передачи, рекомендуется принимать:

для передачи с одним тормозным цилиндром -

4-осного грузового вагона _п= 0,95,

4-осного грузового вагона с несимметричной рычажной передачей _п= 0,85;

6-осного грузового вагона _п= 0,80-0,90,

8-осного грузового вагона _п= 0,80,

4-осного рефрижераторного вагона _п= 0,90,

4-осного пассажирского вагона _п= 0,90,

для рычажной передачи грузовых вагонов с двумя и более тормозными цилиндрами: 4-осного - 0.95; 6-и и 8-осного - 0,90.

Величина _п уточняется по результатам испытаний опытных ваго­нов.

Усилия пружин определяются по формулам:

внутренней пружины тормозного цилиндра

, (9.5)

наружной пружины тормозного цилиндра, приведенное к его штоку

, (9.6)

пружины авторегулятора, приведенное к штоку тормозного ци­линдра

, (9.7)

Обозначения в формулах (9.5) - (9.7) следующие:

P ц, P н, P р- соответственно усилия предварительного сжатия внутренней и наружной пружины тормозного цилиндра и пружины авторегулятора;

Ж ц, Ж н, Ж р- жесткости соответствующих пружин;

l шт- расчетный выход штока тормозного цилиндра;

а при а шт- расстояние от мертвой точки соответственно до наружной пру­жины и штока тормозного цилиндра;

l р- величина сжатия пружин авторегулятора при торможении;

n р- передаточное число привода авторегулятора.

Таблица 9.3

Расчетные давления в тормозных цилиндрах грузовых и изотермических вагонов

Наличие авторежима	Режим включения воздухораспре-	Расчетная величина давления, кПа *)
на вагоне	делителя	Порожний вагон	Полная загрузка вагона
Есть	Средний	130/160	300/340
	Груженый	140/200	400/450
	Порожний	140/180
Нет	Средний	300/340
	Груженый	400/450

Примечание: *) в числителе - для определения эффективности тормоза, в знаменателе - для проверки возможности юза.

Для тормоза пассажирского вагона расчетное давление для оцен-ки эффективности составляет 380 кПа, а для проверки возможности юза - 420 кПа.

9.8. Величина расчетного коэффициента нажатия тормозных коло­док (и максимальная суммарная величина силы нажатия тормозных колодок вагона) должна проверяться на возможность возникнове­ния юза на всех режимах торможения при максимальных расчет­ных дав-лениях по п. 9.7 и минимально допускаемой для соответ­ствующего режима торможения нагрузке на ось. При неравномер­ном распреде-лении вертикальной нагрузки на тележки проверка юза производится для наименее нагруженной тележки.

Условие отсутствия юза:

, (9.8)

где:

[_к] - расчетный предельный коэффициент сцепления колес с рельсами при торможении;

_кр- расчетный коэффициент трения тормозных колодок, определяемый по формулам:

для чугунных стандартных колодок

, (9.9)

для композиционных колодок

, (9.10)

где:

V - скорость движения, м/с.

Расчетный предельный коэффициент сцепления колес с рельсами при торможении для проверки отсутствия юза определяется из выражения:

[y] = y(q₀)*y(v), (9.11)

y(q₀) = 0,17 - 0,000153 *(q₀ - 49), (9.12)

Для грузовых вагонов:

, (9,13)

для пассажирских и изотермических вагонов:

, (9.14)

где:

q₀ - нагрузка брутто на колесную пару (осевая нагрузка) вагона, кН;

v - скорость, м/с.

Указанная проверка на юз производится для следующих скоростей движения:

· грузовых вагонов - 20, 100 и 120 км/ч;

· пассажирских вагонов - 40, 120, 140, 160 и 200 км/ч;

· изотермических вагонов - 40, 120 и 140 км/ч.

· Рекомендуется выполнять условие:

Для пассажирских вагонов при реализации в пределах рекомендуется использовать противо­юзные устройства.

 

9.9. Необходимое количество тормозных колодок при проектирова­нии тормозной системы рекомендуется определять, исходя из cред-ней мощ­ности, приходящейся на одну колодку при экстренном торможе­нии:

, (9.15)

где:

q o- проектная осевая нагрузка вагона, кН;

V o- начальная скорость торможения, м/с;

S т- расчетный тормозной путь вагона в составе поезда на площадке, м;

m - число колодок, воздействующих на колесную пару;

g = 9,81 м/с2- ускорение свободного падения;

[ N ] - предельно допускаемая средняя мощность, приходящаяся на одну колодку при экстренном торможении.

Величину [ N ] рекомендуется принимать равной 70кВт для композицион­ных и 35 кВт для чугунных тормозных колодок.

9.10. Полный расчетный тормозной путь вагона в составе поезда при экстренном торможении на площадке определяется по форму­ле:

, (9.16)

где:

S п- подготовительный (предтормозной) путь;

S д- действительный тормозной путь.

Подготовительный путь определяется по формуле:

, (9.17)

где:

V н- скорость движения в начале торможения, м/с;

t _п- время подготовки тормозов к действию, с.

Время подготовки тормозов принимается:

для грузовых составов длиной до 200 осей (50 четырехосных вагонов) при автоматических (пневматических) тормозах t _п= 7с;

для пассажирских составов длиной до 20 вагонов при автома­тических (пневматических) тормозах t _п= 4с;

для пассажирских составов длиной до 20 вагонов при электро­пневматических тормозах t _п= 2с.

Действительный тормозной путь определяется по формуле:

, м (9.18)

где:

к - число интервалов скоростей;

V н, V н+1- начальная и конечная скорости в принятом интервале скоростей, м/ с;

b т, w o- удельная тормозная сила и основное удельное сопротивление движе­нию вагона при средней скорости интервала , Н/кН.

Удельная тормозная сила вагона определяется по формуле:

, (9.19)

Величины кропределяются по формулам (9.9) и (9.10).

Величина ропределяется при максимальном давлении в тормозном цилиндре по Табл. 9.3 при полной расчетной нагруз­ке вагона на соответствующем режиме включения тормоза.

9.11. Расчет ручных и стояночных тормозов прово­дится, исходя из условия удержания вагона с полной расчетной за­грузкой на уклоне крутизной не менее 30 o/ooпри усилии, прикладываемом на рукоятке тормоза, равном 300 Н. При этом к.п.д. механизма ручного и стоя-ночного тормозов принимается не более 50% к.п.д. автомати­ческого тормоза.

При расчетах на прочность деталей ручного и стояночного тормо­зов к.п.д. рычажной передачи от винта до колодки принимается равным единице.

9.12. При расчете механической части тормозов вагонов на проч­ность максимальное усилие на штоке поршня тормозного цилиндра определяется по формуле:

, (9.20)

где:

p цmax- максимальное расчетное давление воздуха в тормозном цилиндре, p цmax= 450 кПа;

d_ц- диаметр тормозного цилиндра;

При этом коэффициент полезного действия для тормозного цилин­дра принимается равным единице.

9.13. Тяги рычажной передачи рассчитываются на растяжение, ры­чаги - на изгиб от сосредоточенных сил, затяжки и стержневые при-воды регуляторов рычажной передачи - на сжатие с проверкой на продольный изгиб. Диаметр тяг тормозной системы должен быть не менее 22 мм. Для тяг длиной менее 2,0 м допускается прини­мать диа-метр меньше 22 мм (но не менее 16 мм) при условии под­тверждения расчетом достаточной прочности и жесткости.

Проушины тяг и рычагов рассчитываются на смятие, срез, а также на изгиб и растяжение. Напряжения смятия и среза (рис. 9.1 и 9.2) определяется по формуле:

, (9.21)

, (9.22)

где:

P - усилие на проушину;

t - толщина проушины;

d 1- диаметр отверстия проушины;

h - высота сечения проушины по линии среза, принимается

R - радиус наружного очертания проушины.

При расчете проушины напряжения изгиба и растяжения опреде­ляются как для криволинейного бруса с сосредоточенной нагруз­кой. В зависимости от кривизны этого бруса распределение напря­жений по сечению принимается либо по линейному, либо по ги­перболическому законам (при отношении среднего радиуса к вы­соте сечения проу-шины больше 5 рекомендуется принимать ли­нейный закон распре-деления напряжений).

Для проушин (см. рис. 9.1 и 9.2) наибольшие растягивающие на­пряжения вблизи точки "А" внутренней цилиндрической поверхно­сти отверстия проушины при соотношении размеров проушины и посадке валика в отверстие проушины или втулки с умеренным гарантированным зазором, равным (0,01-0,03) d ₁, опре-деляются по формулам:

, (9.23)

Максимальные растягивающие напряжения на внешнем контуре проушины в сечении по оси действия силы (точка В) определяются по
формуле:

, (9.24)

Максимальные контактные напряжения на внутренней поверхно­сти отверстия в сечении по оси действия силы (точка С) определя­ются по формуле (9.24) с заменой коэффициента k ' на k r.

В формулах (9.23), (9.24) k, k ', и k r- коэффициенты концентра­ции напряжений, определяемые по графикам на рис. 9.3 и 9.4. Остальные обозначения см. формулу (9.21).

 

Рис. 9.1

 

Рис. 9.2

 

 

Рис. 9.3

 

 

Рис. 9.4

При определении коэффициента k r(рис. 9.4) угол контакта ва­лика с отверстием проушины (втулки) 2 ₀рекомендуется опреде­лять по формуле:

, (9.25)

где:

- параметр проушины;

- радиальный зазор в шарнире, d - диаметр валика;

E - модуль упругости материала.

Для проушины с втулкой при определении m и вместо диаметра отверстия проушины d 1подставлять диаметр отверстия втулки d 1*. Остальные обозначения см. формулу (9.21). Если материалы валика и проушины (втулки) имеют различные модули упругости, то в выражении (9.25) вместо следует подставить , где E и E 1- соответственно моду­ли упругости материала валика и проушины (втулки).

Рекомендуется применять проушины с параметрами m =2,2 - 2,7, у проушин типа головки (рис. 9.1) предусматривать возможно бо­лее плавный переход к стержню.

Втулки шарнирных соединений рычажных передач тормоза и других механизмов при больших проектных зазорах (более 3-5% диаметра валика) рассчитываются на контактное давление (местное смя­тие) по формуле:

, (9.26)

где:

к- максимальные контактные напряжения на локальной площадке взаимо­действия валика и втулки;

R 1- номинальный внутренний радиус втулки;

R - номинальный радиус валика;

l - рабочая длина втулки;

P - усилие в шарнире;

- упругий параметр шарнира, определяемый по формуле

, E - коэффициент Пуассона и модуль упругости материала валика;

1, E 1- то же материала втулки.

В тормозных передачах максимальные напряжения кдля втулок из цементированной стали не должны превышать 400 МПа. Для втулок из спеченных материалов на основе железа по ТУ 32 ЦВ 2031 и подобных композиций, конструкция и размеры которых соответствуют ОСТ 24.151.07, рекомендуется ориентировочно при­нимать следующие значения расчетных механических характери­стик:

предел прочности при растяжении-сжатии - s_вр= 200 МПа;

коэффициент Пуассона - = 0,3;

модуль упругости - E =1*105МПа.

Допускаемые напряжения для предварительных расчетов принима­ются:

при расчете на сжатие и изгиб - [_сж] = 30 МПа;

при расчете на контактное давление (местное смятие) - [ксм] = 180 МПа. Для конкретных марок и типоразмеров втулок до­пускаемые напряжения уточняются на основании эксперимен­тальных данных.

9.14. Гладкие валики (оси) шарнирных соединений рычажной пе­редачи (рис. 9.5) рассчитываются на изгиб по формуле:

, (9.27)

где:

P - расчетная нагрузка на валик;

d - диаметр валика;

a - длина поверхности, передающей нагрузку;

b - расстояние между серединами опор.

 

Рис. 9.5

В ступенчатых валиках и цапфах при изгибе должна быть учтена концентрация напряжений.

9.15. Расчет триангелей на прочность рекомендуется выполнять ме­тодами строительной механики, с проверкой деформации прогиба, которая не должна превышать 2 мм..

9.16. Подвеска тормозного башмака, закрепленная на необрессо­ренной раме тележки грузового вагона, рассчитывается на действие возникающих при торможении вертикальных сил P ₁и инерцион­ных вертикальных сил P ₂. Эти силы определяются по формулам:

, (9.28)

, (9.29)

где:

K р- расчетная сила нажатия тормозной колодки на колесо при давлении в тормозном цилиндре Р_цmax=450кПа;

кр- расчетный коэффициент трения колодки по колесу, равный 0,27 - для чугунных тормозных колодок, 0,36 - для композиционных колодок;

m - масса подвешенного оборудования;

a zн- ускорение необрессоренной массы (определяется по п. 2.7).

Подвеска тормозного башмака, закрепленная на обрессоренной ра­ме тележки пассажирского вагона, рассчитывается на действие си­лы P ₁, а также на силы, указанные в п. 2.7.

При расчете подвески на действие указанных сил, расчетная схема принимается в виде рамы с шарнирно-закрепленными концами стержней.

9.17. Расчетные усилия в местах установки автоматических регуля­торов рычажных передач должны соответствовать прочности конст­рукции применяемых регуляторов.

9.18. Рычажная передача вагона должна обеспечивать гарантиро­ванный зазор между колесом и тормозной колодкой в отпущенном состоянии тормоза.

9.19 Крепление тормозного оборудования на кузове вагона должно рассчитываться с учетом максимальных продольных сил и ускорений, допускаемых для соответствующих вагонов по I-му режиму (Табл.2.1).