Вагоны промышленного железнодорожного транспорта - Нагрузки

Глава 1 2 ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ВАГОНОВ НА ПРОЧНОСТЬ

Нагрузки, действующие на вагон

В процессе эксплуатации вагоны подвергаются действию различных нагрузок (собственного веса, веса„перевозимого груза, сил взаимодействия с верхним строением пути и со смежными вагонами или локомотивом поезда, сил, вызываемых способами загрузки или выгрузки, технологией изготовления или ремонта и пр.).
Все нагрузки, действующие на вагон, делятся на постоянно действующие, или статические, и нагрузки, зависящие от времени действия, — переменные, или динамические.
К постоянно действующим нагрузкам относятся: тара вагона и вес перевозимого в нем груза, давление сыпучих или навалочных грузов на стенки вагона и гидростатическое давление жидкости на стенки котла цистерны.
К динамическим нагрузкам относятся: силы взаимодействия ходовых частей вагона с верхним строением пути, силы взаимодействия между вагонами и локомотивом и силы инерции.
Действию ветровой нагрузки вагоны могут подвергаться как в состоянии покоя, так и при движении. В практике прочностных расчетов различных частей и узлов вагонов обычно принимают наиболее невыгодное сочетание действующих на них нагрузок.
Вертикальная нагрузка, учитываемая при расчете несущих элементов вагонов, состоит из тары вагона, веса, перевозимого в нем груза и динамических нагрузок, возникающих при колебаниях кузова вагона на рессорах из-за неровности рельсового пути.
Динамическая нагрузка определяется путем умножения тары и полезной нагрузки или напряжений, полученных от этих нагрузок, на коэффициент вертикальной динамики.
Коэффициент вертикальной динамики грузовых вагонов определяется по следующим формулам:
для скоростей движения 14—28 м/с
(12.1) для скоростей движения 28—33 м/с
(12.2)
где а — коэффициент, равный 0,05 для элементов кузова, 0,1 — для обрессоренных частей тележки и 0,15 — для необрессоренных частей тележки (за исключением колесных пар);
b — коэффициент, учитывающий осность вагона:
(12.3)
шт — число осей тележки; v—максимальная скорость движения вагона, устанавливаемая техническим заданием;
fст — статический прогиб рессорного подвешивания вагона под нагрузкой брутто.
Боковая нагрузка для всех частей вагона, за исключением колесных пар, определяется действием центробежной силы и давлением ветра. При этом центробежная сила определяется по формуле
(12.4)
где Рбр — вес брутто вагона; v — скорость вагона; g — ускорение силы тяжести;
R — радиус кривой;
hр — возвышение                наружного рельса;
2S — расстояние между кругами катания колес.
Ветровая нагрузка
HB = wF,                                       (12.5)
где ω = 500Н/м2 — удельное давление ветра на проекцию боковой поверхности вагона;
F — площадь проекции боковой поверхности вагона.
В расчете необходимо учитывать отдельно центробежные силы кузова и
тележки [14]. Для предварительных расчетов вагонов рекомендуется принимать центр тяжести тележки на уровне оси колесной пары, а центр тяжести кузова — на расстоянии 180 см от уровня осей колесных пар.
При расчете на прочность отдельных элементов тележки вагона от боковой нагрузки необходимо определять усилия в этих элементах, возникающие при одновременном действии боковой и вертикальной нагрузок брутто. При этом должны быть учтены деформации рессор и перемещения конструкции подвешивания.
При расчете боковых стен и шкворневых балок грузовых вагонов влияние боковых нагрузок учитывается путем увеличения нагрузки брутто на 10% или добавлением напряжений на 10%.
Кроме рассмотренных выше боковых нагрузок, вагон подвергается действию поперечных сил инерции, возникающих от боковых толчков при входе вагона в кривую. Эти силы, по данным экспериментальных исследований, принимают равными Рбр для грузовых вагонов, т. е. соответствующими ускорению lg.
В соответствии с нормами расчета вагонов на прочность для железных дорог СССР продольные нагрузки, учитываемые при расчете всех вагонов, представляют собой сжимающие и растягивающие ударно-тяговые силы, возникающие в поезде при различных режимах его движения. Значения продольных сил в совокупности с остальными, действующими на вагон нагрузками, принимаются, исходя из двух основных режимов работы вагона в эксплуатации:
I — трогание с места, осаживание или торможение поезда при малых скоростях движения, соударения вагонов при маневровой и сортировочной работе на станциях (продольная сила равна ±2 МН);
Ill — движение поезда с наибольшей допускаемой скоростью (продольная сила равна ±1 МН).
При торможении вагона возникают силы инерции и силы тормозной системы. Силы инерции при торможении определяются по формуле
N = ητР бр,                                                                              (12.6)
где ητ — коэффициент торможения:
ητ =j/g;                                       (12.7)
j— замедление при торможении;
g — ускорение силы тяжести.
При плавном торможении ητ = 0,2, т. е. равен коэффициенту сцепления между колесом и рельсом. При соударении вагонов ητ = 3 на уровне рамы и ŋ1,5 — в верхней части кузова.
Оборудование вагона и его крепления рассчитывают на силы инерции при торможении с учетом соударения вагонов по формуле (12.6), в которую вместо Рбp подставляют вес соответствующей части оборудования. Значение ητ принимают для уровня, в котором расположен центр тяжести этой части. Допускается условно силы инерции прикладывать вдоль хребтовой балки (60%) и вдоль боковых балок грузовых вагонов (40%). Сила инерции, прикладываемая к боковой балке, распределяется между поперечными балками рамы пропорционально их жесткости на изгиб в горизонтальной плоскости.
При расчете цистерн помимо двухсторонней тяги и сжатия учитывается еще продольная сила инерции котла, приложенная к центру его днища:
Nи = 250Рк/Рбр,                               (12.8)
где Рк — вес груженого котла цистерны;
Рбр — вес цистерны брутто.
На эту нагрузку должно быть рассчитано крепление котла к раме и вызываемая ею добавочная вертикальная нагрузка на тележку, определяемая формулой
(12.9)
где h — расстояние от продольной оси котла до оси автосцепки;
21 — база вагона.
Кроме того, при расчете тележек должна учитываться сила инерции, приложенная к пятнику шкворневой балки, равная утроенному весу тележки. Полученные в этом расчете напряжения суммируются с напряжениями от статической нагрузки брутто.
Нагрузки при вписывании вагона в кривые определяются из условий равновесия тележки при движении ее по кривой. При определении указанных нагрузок коэффициент трения между колесом и рельсом принимается равным 0,25.
Силы в тормозной системе определяются, исходя из максимального усилия на штоке поршня тормозного цилиндра при коэффициенте полезного действия рычажной передачи, равном единице. Внутреннее давление в резервуарах пневматического тормоза при расчетах на прочности принимается равным 0,6 МН/м2 (6 кгс/см2).
Внутреннее давление, принимаемое для расчета котлов цистерн, определяется как сумма давлений паров жидкости или газа и давления, развиваемого при гидравлическом ударе. Давление паров жидкости принимается 0,15 МН/м2 (1,5 кгс/см2) по регулировке предохранительных клапанов.
Давление, возникающее при гидравлическом ударе, определяется давлением силы инерции жидкости в котле цистерны на площадь вертикальной проекции днища. Для I режима загружения сила инерции жидкости определяется по формуле (12.8), в которой вместо Рк подставляется Рж — вес жидкости в котле.
Таблица 12.1. Значения углов естественного откоса и насыпных масс для различных грузов

Усилия, обусловленные технологическими факторами, учитываются в расчете элементов вагона, подвергаемых деформации. К таким усилиям относятся силы, возникающие при запрессовке, горячей посадке и при других видах сборки с предварительным натягом. Усилия, возникающие в результате сварки и деформации деталей в процессе их изготовления, в расчете не учитываются.
Нагрузка распора сыпучих тел на вертикальную стенку кузова вагона определяется по формуле
, (12.10)
где у — насыпная масса сыпучего груза;
у — расстояние от поверхности груза до точки, в которой определяется давление; а — угол естественного откоса.
Значения углов естественного откоса и насыпные массы сыпучих грузов для I режима принимаются по табл. 12.1.
При учете сил по III режиму насыпная масса принимается по табл. 12.1 и умножается на (1+Кд), где Кд — коэффициент вертикальной динамики, а угол естественного откоса принимается равным нулю. В этом случае допускаемые напряжения принимаются равными 0,85 предела текучести материала. Усилия, возникающие при погрузке и выгрузке вагона, устанавливаются техническим заданием на проектирование.
Полувагоны должны рассчитываться на вертикальную равномерно распределенную по длине 800 мм нагрузку, приложенную в любом месте верхнего пояса боковой стенки. Эта сила принимается равной 10 тс для четырехосного и 15 тс для шестиосного вагона.
Пол вагонов, для разгрузки которых предусматривается использование автопогрузчиков, должен рассчитываться на сосредоточенную силу 2,2 тс.
В качестве основных расчетных усилий, прикладываемых к вагону при его ремонте, принимаются такие, которые возникают при подъеме груженого вагона под один конец шкворневой балки тележки для смены рессорного комплекта:
(12.11)
где fст — статический прогиб рессорного комплекта;
С — жесткость одного рессорного комплекта;
Δ — высота предохранительных бонок или буртов против выпадения рессор.
При диагональном подъеме порожнего грузового вагона двумя домкратами возникает момент, который является расчетным и определяется по формуле
(12.12)
где Ρτ — вес порожнего кузова вагона;
bо — расстояние от оси пятника до опорной площадки домкрата.
Напряжения в элементах конструкции вагона, возникающие при механизированных погрузках и выгрузках и при ремонте вагонов, не должны превышать допускаемых для I режима загружения.

Нагрузки, действующие на раму и кузов вагона

При расчете рам и кузовов вагонов на прочность учитываются следующие силы, действующие на них:
вертикальная статическая, состоящая из полезной нагрузки и собственного веса кузова;
вертикальная динамическая, определяемая как произведение вертикальной статической нагрузки на коэффициент вертикальной динамики;
боковая, определяемая центробежной силой и ветровой нагрузкой;
продольные силы, передаваемые на кузов через автосцепку;
скручивающие (кососимметричные), обусловленные несимметрией реакций опор или возникающие при несимметричном подъеме кузова домкратами;
распор сыпучего груза; усилия от установленного на раме вагона тормозного оборудования.
Прочность и эксплуатационная надежность несущих конструкций рам и кузовов вагонов оцениваются:
по сравнению максимальных напряжений в элементах несущей конструкции при наиболее невыгодном сочетании действующих на них сил;
по устойчивости сжатых элементов несущей конструкции;
по прогибам элементов несущей конструкции;
по вибрационной устойчивости, т. е. по сравнению собственных частот колебаний с частотами возмущающих сил, и устранению опасных резонансов;
по предельным нагрузкам, определяемым пластическим состоянием элементов конструкции (например, концевых стоек в пассажирских вагонах, служащих для повышения безопасности при авариях);
по эмпирическим нормам для отдельных элементов, для которых расчетным путем не удается определить напряжения.
Для определения напряжений составляются расчетные схемы несущей конструкции кузова, которые представляются либо стрежневыми системами, либо оболочками, либо в виде смешанной системы.
Оценку устойчивости сжатых элементов выполняют сравнением критических напряжений или критических сил с действующими в элементе сжимающими напряжениями или силами.