Силы, действующие на вагон

На вагон постоянно действуют нагрузки, уровень которых практичес­ки не изменяется в течение времени службы вагона (или изменяется весьма незначительно). Эти нагрузки называются статическими.

В течение всего срока службы детали и узлы вагона находятся под действием собственного веса, величина которого остается постоянной. При проектировании тара вагона (его собственная масса) определяется в зависимости от тары деталей и узлов, образующих кузов, раму, ходовые части, автосцепное и автотормозное оборудование. В эксплуатации грузовой вагон находится под действием массы перевозимого груза, называемой полезной нагрузкой. Ее величина при загрузке различными грузами изменяется, но не должна быть больше установленной грузоподъемности вагона. При проведении прочностных расчетов полезную нагрузку принимают постоянной, равной грузоподъ­емности вагона.

К статическим силам относятся также гидростатические и распорные усилия, возникающие при перевозках в цистернах, полувагонах, крытых вагонах, хопперах и других вагонах жидких, сыпучих и других навалочных грузов. При проведении уточняющих расчетов эти силы могут учитываться как временные, действующие не постоянно.

Пассажирский вагон в эксплуатации также находится под действием полезной нагрузки, определяемой числом перевозимых пассажиров. Кроме того, при проведении прочностных расчетов к статическим нагрузкам относят экипировочное обслуживание пассажирского вагона водой, топливом и т.д.

При движении по рельсовому пути происходят колебания вагона в различных плоскостях, в результате которых возникают дополнительные нагрузки то на одну, то на другую деталь или узел конструкции. Эти нагрузки являются переменными, они зависят от времени и называются динамическимисилами. Динамические силы возникают в вертикальной плоскости, в горизонтальной (поперек пути) и продольной (вдоль пути) плоскостях. К динамическим силам относятся возникающие при установившихся и переходных колебательных процессах силы взаимодействия вагона с рельсами при движении в прямых и кривых участках пути. Кроме того, динамическими являются силы взаимодействия между деталями и узлами вагона, вагонами и локомотивом при трогании поезда с места, экстренном торможении, маневровой работе на станции, устано­вившемся режиме движения поезда на перегоне.

Уровень возникающих динамических сил зависит от многих причин: состояния рельсового пути, его геометрических параметров, жесткостных и диссипативных свойств, режима движения поезда, упругих и диссипативных свойств рессорного подвешивания и ударно-тяговых приборов вагона. При повышенных скоростях движения существенную роль оказывает воздействие воздушной среды, и изменчивость ветровой нагрузки.

На вагон действуют также тормозные силы,возникающие при движении поезда в режиме торможения.

Вагон подвергается ряду воздействий, носящих временный харак­тер: сил, возникающих при механизированной погрузке и разгрузке вагона (погрузка грейфером, разгрузка на вагоноопрокидывателе), сил, возникающих при ремонте вагона (при подъеме кузова домкратами), системы самоуравновешенных сил при движении по кривым участкам пути (вертикальная кососимметричная нагрузка).

Кроме того, вагон и его части подвергаются воздействию сил, обусловленных особенностями технологии его изготовления и ремонта (про­цессы сборки узлов и деталей вагона, сварочные работы и др.).

1.1. Определение статических сил, действующих на вагон

Для грузовых вагонов максимальная масса брутто определяется по допускаемой величине статической осевой нагрузки от колесной пары на рельсы р₀ и числу колесных пар т₀ в вагоне:

(1.1)

При использовании полной грузоподъемности Р и тары Т сила тяже­сти вагона брутто равна

Р_бр=Т+Р. (1.2)

Тогда общая формула для определения статической нагрузки, действующей на любую деталь вагона, имеет вид

(1.3)

где Р_ч — вес частей и укрепленного на них оборудования, через кото­рые нагрузка передается от рассчитываемой детали вагона на рельсы;

т — число одинаковых, параллельно загруженных деталей.

Для определения вертикальной статической нагрузки, действующей на рессорный комплект двухосной тележки грузового четырехосного вагона, получим выражение

(1.4)

где Р_Т — масса двухосной тележки; Р_нб — масса надрессорной балки тележки. Необходимо заметить, что при расчетах деталей на прочность в статическую нагрузку, действующую на деталь, включается и собствен­ный вес рассчитываемой детали.

Величина и характер приложения полезной нагрузки для универсаль­ных грузовых вагонов, а также для грузовых и пассажирских специаль­ного назначения указываются в техническом задании на проектирова­ние. Для других пассажирских вагонов полезная нагрузка определяется произведением расчетной населенности вагона на массу пассажира с багажом. Для вагонов дальнего следования расчетную населенность принимают равной наибольшему числу мест, предусмотренному при эксплуатации вагона, а для вагонов пригородного, местного и межобластного сообщения - по числу мест для сидения и числу стоящих пассажиров.

1.2. Нормирование расчетных сил и расчетные режимы нагружения

При оценке нагруженности вагонов, их узлов в соответствии с нор­мами регламентируют все основные и дополнительные силы, действую­щие на вагон.

К основным силам, действующим на вагон, относятся:

§ собственная сила тяжести конструкции (тары вагона) и сила
тяжести груза;

§ силы инерции, возникающие при колебаниях вагона при его
движении по неровностям железнодорожного пути;

§ силы, возникающие при движении вагона по переходным,
круговым кривым и стрелочным переводам;

§ силы, имеющие волновой или ударный характер и возникающие в горизонтальной продольной плоскости при различных
режимах движения поезда и маневровой работе;

§ аэродинамические силы (силы давления ветра и т.п.).

Конструкции вагонов различаются в зависимости от назначения, условий эксплуатации. Поэтому вместе с перечисленными выше силами при расчетах дополнительно учитываются:

§ силы гидравлического удара в котлах цистерн, баках,

резервуарах;

§ силы давления жидкостей и газов при перевозке их в котлах цистерн, грузовых емкостях бункерных вагонов.

Перечисленные выше силы при расчетах и проектировании вагонов приводят к следующим основным схемам их приложения:

§ вертикальная нагрузка;

§ боковая нагрузка;

§ продольная нагрузка;

§ группы самоуравновешенных сил(вертикальных кососимметричных, горизонтальных от распора сыпучих грузов и др.).

Кроме того, при оценке нагруженности вагонов необходимо учиты­вать силы, действующие при механизированной погрузке и выгрузке; внешние силы, которые действуют на вагон при постройке и ремонте; внутренние силы, возникающие при постройке и ремонте вагонов от использования важнейших технологических факторов; силы, действую­щие на вагон при его перевозках на паромах.

При оценке прочностных и усталостных свойств отдельных узлов и деталей вагонов необходимо также учитывать дополнительные силы от колебаний навесного оборудования, силы давления воздуха в тормозных цилиндрах, резервуарах; силы, действующие на увязочные устройства при перевозке штучных грузов, и т.д.

Напряжения, возникающие от действия дополнительных сил, обычно суммируются с напряжениями от основных сил.

Нормами для расчета и проектирования вагонов установлены два основных и один дополнительный расчетные режимы.

I расчетный режим. Этому режиму для грузовых вагонов соответ­ствуют силы, возникающие при трогании состава повышенной массы и длины с места и его осаживании, при производстве маневровых работ и соударении вагонов, при экстренном торможении в поездах, движущих­ся с малыми скоростями, а для пассажирских вагонов — силы, возникающие при маневрах и аварийном соударении, при столкновении вагонов в нештатных ситуациях, а также при аварийном рывке (толчке) вагона, движущегося в составе грузового поезда.

Основным требованием этого режима является недопущение появ­ления остаточных деформаций (повреждений) в узле или детали вагона

при действии достаточно резкого сочетания экстремальных значений нагрузок.

Величины продольных нагрузок для I режима при расчете на проч­ность принимаются равными:

при действии сжимающих сил квазистатические силы и силы при ударных процессах (удар) для грузовых вагонов основных типов соответственно составляют 3 и 3,5 МН; для изотермических вагонов, хоппер-дозаторов, вагонов-самосвалов — 2,5 и 3 МН; для пассажирских вагонов всех типов — 2,5 МН в обоих случаях;

при действии растягивающих сил уровень квазистатической силы и уровень импульсных усилий растяжения (рывок) соответственно для грузовых вагонов принимаются равными 2,5 МН в обоих случаях, а для пассажирских вагонов — 1,5 и 2 МН.

Время действия импульсных усилий (удара и рывка) принимается равным 0,3 с.

При расчетах по I режиму допускаемые напряжения необходимо принимать близкими к пределу текучести или пределу прочности в зависимости от свойств материала и характера приложенной нагрузки (ударный или волновой процессы).

II дополнительный специальный расчетный режим.Этот расчетный режим устанавливается для отдельных типов вагонов, а необходимость проведения расчета указывается в техническом задании на проектирование. При расчетах учитывают силы, создающие неблагоприятное сочетание нагрузок для данного типа вагона (при ремонтных операциях, погрузочно-разгрузочных работах и т.д.).

III расчетный режим.Этому режиму в условиях эксплуатации соответствуют силы, возникающие при движении вагона в составе поезда по пря­мым, кривым участкам пути и стрелочным переводам с допускаемой скоро­стью вплоть до конструкционной при периодических служебных регулиро­вочных торможениях, периодических умеренных (при незначительном из­менении ускорений) рывках и толчках, нормальной работе механизмов и узлов грузовых и пассажирских вагонов. Основное требование режима — недопущение усталостного разрушения узла или детали вагона при достаточно частом дейст­вии возможных сочетаний умеренных по величине на­грузок, соответствующих нормальной работе вагона в движущемся поезде. Для III режима величины продольных нагрузок при расчете на проч­ность грузовых вагонов основных типов, изотермических, пассажирских вагонов, хоппер-дозаторов, вагонов-самосвалов соответственно для сжимающих и растягивающих сил (квазистатические силы и силы от ударных воздействий, рывков) принимаются равными 1 МН. При рас­четах по III режиму допускаемые напряжения определяют исходя из пределов выносливости материала с учетом совместного действия ква­зистатических, вибрационных, ударных нагрузок, влиянии коррозии металла и т.д.

1.3. Определение нагрузок, действующих на вагон

При расчетах вагонов на вертикальную нагрузку необходимо учиты­вать собственную силу тяжести (тару) вагона, силу тяжести (вес) груза и вертикальную динамическую нагрузку, которая возникает при колеба­ниях и взаимодействии вагонов при движении поезда и маневровой работе.

Для каждой рассчитываемой детали вагона величина собственной силы тяжести определяется суммарной силой тяжести всех частей ваго­на, нагружающих эту деталь, включая и силу тяжести самой детали. При расчетах в собственную силу тяжести включается также расчетный вес предметов экипировки вагона.

Сила тяжести груза (грузоподъемность вагона) и характер ее приложения для грузовых и изотермических вагонов устанавливаются техни­ческим заданием на проектирование.

Для пассажирских вагонов сила тяжести груза определяется с учетом массы пассажиров с багажом в соответствии с расчетной населенностью вагона. Расчетная населенность для различных типов пассажирских вагонов определяется так:

§ вагоны дальнего сообщения — по наибольшему числу мест, предусмотренных при эксплуатации вагона;

§ вагоны межобластного (местного) сообщения — по проектному числу мест для сидения и количеству стоящих пассажиров из расчета 5 человек на 1м² свободной площади пола включая тамбуры и проходы;

§ второй этаж двухэтажного вагона — по проектному числу мест для сидения и количеству стоящих пассажиров из расчета 4 человека на 1 м² свободной площади пола.

При расчетах средняя масса пассажира с багажом принимается рав­ной

1 кН (100 кг).

Дата добавления: 2015-07-14