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.

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 динамическими силами, действующими на вагон. 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, круговых и переходных 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 существенное значение оказывает воздействие воздушной среды, сила и изменчивость ветровой нагрузки.

Состояние подвижного состава и рельсового пути в эксплуатации в пределах нормируемых конструктивных и эксплуатационных допусков в содержании носит случайный, вероятностный характер. В связи с этим и действующие в процессе движения на вагон динамические силы являются случайными величинами, случайными функциями времени или скорости. На рис. 1.6 показаны полигоны распределения коэффициентов вертикальной динамики k_дв, полученные по экспериментальным данным ОАО «ВНИИЖТ» и ОАО «НИИ вагоностроения» для элементов тележек пассажирских и грузовых вагонов.

Коэффициентом вертикальной динамики называют отношение динамической нагрузки Р_Д к статической Р_СТ

= ,

где Рд и Р_СТ — соответственно динамическая и статическая вертикальные нагрузки, действующие на вагон, его узел или деталь.

Рис. 1.6. Полигоны распределения коэффициентов вертикальной динамики для центрального подвешивания тележек: 1 - тип КВЗ-ЦНИИ; 2- модели 18-100, р - частость

Данные рис. 1.6, приведенные в работе, свидетельствуют о том, что они несимметричны относительно максимальных ординат, частота которых очень мала. Наиболее часто повторяющиеся величины в несколько раз меньше максимальных. Расчеты показывают, что за амортизационный срок службы вагона общее число повторений амплитуд вертикальных динамических нагрузок разных уровней, влияющих на усталостную прочность, составляет (3—6)-10⁸, а общее число повторений продольных усилий для грузового вагона (4—5)10⁵ раз.

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.).

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

= .

При использовании полной грузоподъемности Р и массы тары Т масса вагона брутто равна

= Т+Р

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

= ,

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

m ¾ число одинаковых, параллельно загруженных деталей.

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

,

где ¾ масса двухосной тележки,

масса надрессорной рамы 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.

Приведение нагрузок, действующих на вагон, к нормативным значениям.

На основании проводимых различными учеными и организациями теоретических поисков и результатов экспериментальных исследований для расчета и проектирования вагонов разрабатываются Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) (далее — «Нормы»).

Существующие в настоящее время «Нормы» созданы ОАО «ВНИ- ИЖТ» и ОАО «НИИ вагоностроения» и внедрены в 1996 г. Они устанав­ливают основные требования по конструированию вагонов с целью обес­печения их прочностных свойств, надежности, устойчивости в рельсовой колее, динамических качеств с точки зрения безопасности движения и плавности хода. Действие этих норм распространяется на весь парк несамоходных грузовых и пассажирских вагонов, а также вагонов промышленного транспорта, эксплуатирующихся на сети железных дорог ОАО «РЖД». Кроме требований, «Нормы» содержат рекомендации и справочные материалы, способствующие более рациональному использованию прогрессивных решений при создании новых конструкций вагонов. Проектирование вагонов с соблюдением требований «Норм» позволяет обеспечить достаточный уровень безопасности движения, т.е. с высокой степенью вероятности утверждать, что при движении в эксплуатационных условиях не произойдет авария или крушение поезда.

При проектировании вагона в техническом задании, кроме назначения вагона, его осности, габарита, предельных значений нагрузки на ось колесной пары и погонной нагрузки, указывается необходимая конструкционная скорость движения вагона, т.е. наибольшее значение скорости движения, при которой должна обеспечиваться работоспособность всех систем, устойчивость и плавность хода вагона на прямом участке пути хорошего технического состояния. Поэтому для реализации заданных положений при проектировании вагонов должны учитываться: современные и перспективные условия эксплуатации; требования по улучшению динамических качеств вагонов и их воздействия на путь; необходимость обеспечения прочностных свойств и коррозионной стойкости элементов конструкции. Обязательно принимают во внимание обоснованные рекомендации к надежности вагона, его безотказности, долговечности и ремонтопригодности; вопросы снижения собственного веса конструкции, подбора рациональных геометрических сечений несущих элементов; условия механизированной погрузки и разгрузки грузов. Учитывают также правила технической эксплуатации железных дорог, правила техники безопасности, противопожарные требования и санитарно-гигиенические нормы для пассажиров и обслуживающего персонала. Необходимо также соблюдать требования по унификации и стандартизации узлов и деталей вагона, сохранности перевозимых грузов.

Для оценки нагруженности вагона при проектировании необходимо знать для каких условий эксплуатации создается новый вагон. «Нормами» регламентируется, что проектируемые грузовые вагоны будут использоваться в поездах массой до 10 ООО т, а пассажирские в пассажирских поездах массой до 2000 т. Пассажирские вагоны в порожнем состоянии или в качестве служебных можно включать в грузовые поезда массой не более 5000 т.

Проектирование перспективных вагонов и расчет их конструкций должны производиться на конструкционные скорости движения: грузовые вагоны — на 33, 3 м/с (120 км/ч), изотермические — на 38, 8 м/с (140 км/ч) и пассажирские — на 44, 4 % (160 км/ч).

Обычно величина нагрузки на ось вагона устанавливается техническими требованиями заказчика.

При установлении предельных значений осевой нагрузки [Р₀] учитывают назначение, конструкционную скорость движения, сферу обращения вагона, подготовленность железнодорожного пути для реализации данной осевой нагрузки.

Осевая нагрузка определяется по формуле

где — расчетная сила тяжести (вес) вагона брутто;

п — число осей в тележке.

При проектировании вагона необходимо выполнять условия, при которых расчетные значения осевой нагрузки не должны превышать предельно допустимых величин, т.е. ≤ [ ].

Исходя из конструкции железнодорожного пути устанавливают пре­дельные значения погонной нагрузки на путь [q_бр]. Тогда расчетное значение статической погонной нагрузки от силы тяжести (веса) вагона брутто определяется по формуле

где 2L_oб — длина вагона по осям сцепления автосцепок.

При расчетах необходимо соблюдать условие q_бр≤ [ q_бр ]. При расчетах в связи с увеличением осевых нагрузок существенно возрастает погонная нагрузка на путь от тележки вагона. Погонная нагрузка увеличивается также при динамическом воздействии от тележки на путь.

Расчетные средние значения динамической погонной нагрузки на путь от тележки согласно «Нормам» определяются по формуле

где , [ ] — средняя и предельно допустимые динамические погонные нагрузки на путь от тележки;

21_Т — база тележки;

∆ l= 2, 2 м — условная длина общей расчетной зоны влияния крайних осей;

— расчетный коэффициент вертикальной динамики вагона.

При проектировании вагонов допускаются значения [ ] — до 103 кН/м (10, 5 тс/м) и [q_дин] — до 168 кН/м (17, 1 тс/м).

Все вагоны, имеющие большие, чем указаны, значения осевых и по­гонных нагрузок, проектируют по согласованным с ОАО «РЖД» специальным требованиям.