Нормирование расчетных сил при проектировании вагонов 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 распора (давления) сыпучих и навалочных грузов;

- 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;

— продольная нагрузка;

— группы самоуравновешенных сил (вертикальных кососимметрич-»1Х, 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 пользования 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 новых и один дополнительный расчетные режимы.

I расчетный режим. Этому режиму для грузовых вагонов соответствуют силы, возникающие при трогании состава повышенной массы и иные с места и его осаживании, при производстве маневровых работ и ударении 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 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 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 δ _т или пределу прочности δ _в в зависимости от свойств материала и характера приложенной нагрузки (ударный или волновой процессы).

IIдополнительный специальный расчетный режим. Он 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.).

IIIрасчетный 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.

Определение в соответствии с «Нормами» 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 собственная сила тяжести включает в себя 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 телу мест для сидения и количеству стоящих пассажиров из расчета 5 человек на 1 м² 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).

В соответствии с «Нормами» вертикальную динамическую нагрузку определяют приближенно умножением силы тяжести (веса) вагона брутто на коэффициент вертикальной динамики k_дв. Сила тяжести вагона брутто включает в себя силу тяжести груза и элементов вагона, расположенных над рассматриваемой ступенью рессорного подвешивания, с четом 1/3 силы тяжести самого рессорного подвешивания.

Коэффициент вертикальной динамики в соответствии с «Нормами» рассматривается как случайная функция с вероятностным распределением.

Коэффициент к_дв определяется как квантиль этой функции при расчетной вероятности по формуле

где — среднее вероятное значение коэффициента вертикальной динамики;

ß — параметр распределения (уточняется по экспериментальным данным), для грузовых вагонов при существующих условиях эксплуатации (ß = 1, 13, для пассажирских ß = 1).

При оценке прочности вагонов по допускаемым напряжениям, при­нятым согласно расчетным режимам, принимается р(К_ДВ) = 0, 97. Среднее вероятное значение К_ДВ определяется по формулам: при скоростях движения вагона Ʊ = 15 м/с (~ 55 км/ч)

при скоростях движения вагона Ʊ ≤ 15 м/с

где а — коэффициент, принимаемый на основании обработки результатов тео­ретических и экспериментальных исследований равным для элементов кузова вагона 0, 05; для обрессоренных частей тележки — 0, 10; для необрессоренных частей тележки — 0, 15;

b — коэффициент, учитывающий влияние числа осей в тележке (и) или груп­пе тележек под одним концом вагона на величину коэффициента динамики:

ϑ — расчетная скорость движения вагона, ^м/_с;

f_CT — статический прогиб рессорного подвешивания, м.

Расчетный коэффициент вертикальной динамики для шкворневых (опорных) узлов рамы и шкворневых стоек (в местах заделки в раму) боковых стен кузова грузового вагона определяют с учетом влияния перевалки кузова вагона по формуле

где у — коэффициент, принимаемый равным 0, 2.

Рекомендуемые «Нормами» формулы справедливы для вертикальной динамики современных вагонов, установленных на тележках, имеющих фрикционное или гидравлическое демпфирующее устройство и статический прогиб рессорного подвешивания = 0, 015 м. При статическом прогибе менее 0, 015 м рекомендуется условно принимать = 0, 015 м.

При расчетах вагонов на боковую нагрузку учитывают силы дина­мического взаимодействия вагона и пути в горизонтальной поперечной плоскости (центробежные силы, силы давления ветра и поперечные составляющие сил взаимодействия вагонов друг с другом при движении в кривых участках пути).

Боковые силы, возникающие при динамическом взаимодействии вагона и пути, определяются методами математического моделирования системы «вагон—путь».

На основании обработки результатов теоретических и эксперимен­тальных исследований горизонтальных колебаний вагонов «Нормами» рекомендуется для расчета вагонов приближенно рассматривать боковую (рамную) силу Н_р, действующую от колесной пары на раму тележки, как случайную фикцию с вероятностным распределением:

Величина рамной силы Н_р определяется как квантиль этой функции при расчетной вероятности Р(Н_р) по формуле

где Н_р — среднее вероятное значение рамной силы, которое определяется по выражению

Р_ст — расчетное значение статической осевой нагрузки;

b — коэффициент, учитывающий влияние числа осей в тележке;

δ — коэффициент, учитывающий тип ходовых частей вагона. Для грузовых вагонов на безлюлечных тележках с большой горизонтальной жесткостью под вешивания δ = 0, 003.