Определение горизонтальных размеров проектного очертания верхней части вагона
На некоторой высоте Н над уровнем верха головки рельса максимально допускаемая ширина вагона определяется по формуле:
,(3.4)
где - полуширина габарита подвижного состава на рассматриваемой высоте H, =1750 мм;
Е - ограничение полуширины для одного из рассматриваемых сечений: направляющего, наружного и внутреннего, мм;
Ширина проектного очертания вагона в верхней части на некоторой высоте H над уровнем верха головки рельсов определяется по формуле:
,(3.5)
где E- конструктивно-технологические отклонения, допускаемые при постройке вагона в горизонтальной плоскости, = 15,5 мм;
Максимально допускаемое значение сравниваем с рассчитанной ранее наружной шириной вагона :
Данное неравенство выполняется, линейные размеры вагона определены верно. Поскольку наружная ширина вагона не превышает максимально допускаемое значение , то верхнюю часть вагона можно считать вписавшейся в габарит.
Построение горизонтальной габаритной рамки проектного очертания для верхней и нижней частей вагона.
Горизонтальная габаритная рамка определяет наибольшую допускаемую ширину проектного очертания вагона для любого поперечного сечения по длине вагона и на определенной высоте от уровня верха головки рельса.
Рис. 12 - Горизонтальная габаритная рамка проектного очертания вагона на уровне рамы
4. РАСЧЕТ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ВАГОН И ЕГО ЧАСТИ
При расчете на прочность вагонов и их частей, согласно нормам МПС, должны учитываться следующие нагрузки: вертикальная нагрузка; боковая нагрузка; продольные силы; усилия, связанные с торможением; внутреннее давление в резервуарах; усилия распора сыпучих и скатывающихся навальных грузов; усилия, возникающие при механизированной погрузке и выгрузке вагона; усилия, прикладываемые к вагону при ремонте.
Вертикальные нагрузки, действующие на кузов и тележки
Статическая нагрузка
Статическая нагрузка на любую деталь вагона определяется по формуле:
, (4.1)
где - вес брутто вагона, = 720 кН;
- вес частей и укрепленного на них оборудования, через которые передается нагрузка от рассчитываемой детали вагона на рельсы, кН;
m - число одинаковых, параллельно загруженных деталей.
Для определения статических нагрузок необходимо знать вес следующих элементов вагона:- вес рессорного комплекта, = 3,312 кН;
- вес боковой рамы, = 3,822 кН;
- вес буксового узла, = 0,725 кН;
- вес колесной пары, = 12,289 кН;
- вес двухосной тележки, = 47,824 кН;
- вес четырехосной тележки, = 98,000 кН.
Статическая нагрузка, действующая на кузов:
Статическая нагрузка, действующая на надрессорную балку:(4.2)
Статическая нагрузка, действующая на одну двухрядную пружину:
Статическая нагрузка, действующая на боковую раму:
Статическая нагрузка, действующая на буксовый узел:
Статическая нагрузка, действующая на колесную пару:
Вертикальная динамическая нагрузка
Вертикальная динамическая нагрузка определяется умножением статической нагрузки на коэффициент вертикальной динамики:
(4.3)
где - коэффициент вертикальной динамики.
Коэффициент вертикальной динамики определяется по формуле:
,(4.4)
где - среднее вероятное значение коэффициента вертикальной динамики;
- параметр распределения (уточняется по экспериментальным данным), для грузовых вагонов при существующих условиях эксплуатации параметр = 1,13;
При оценке прочности по допускаемым напряжениям, принятым согласно расчетным режимам, расчетная вероятность принимается = 0,97.
Среднее вероятное значение коэффициента вертикальной динамики определяется по формуле:
,(4.5)
где a - коэффициент, принимаемый на основании обработки результатов теоретических и экспериментальных исследований равный для элементов кузова вагона - 0,05; для обрессоренных частей тележки - 0,1; для необрессоренных частей тележки - 0,15;
b - коэффициент, учитывающий влияние числа осей в тележке (n) группе тележек под одним концом вагона на величину коэффициента динамики:
;(4.6)
v - расчетная скорость движения вагона , v = 33 м/с;
- статический прогиб рессорного подвешивания , = 0,05 м.
Определим вертикальную динамическую нагрузку, действующую на:
- кузов вагона:
- надрессорную балку:
- рессорный комплект:
- боковую раму:
- буксовый узел:
- колесную пару:
Вертикальная суммарная нагрузка
После определения вертикальной статической и вертикальной динамической нагрузок необходимо определить суммарную вертикальную нагрузку по формуле
(4.7)
Определим суммарную нагрузку, действующую на:
- кузов:
- надрессорную балку:
- рессорный комплект:
- боковую раму:
- буксовый узел:
- колесную пару:
Боковые нагрузки
Боковая горизонтальная нагрузка
Боковая нагрузка, возникающая при движении вагона по кривому участку пути, складывается из центробежной силы и давления ветра на кузов и равна:
,(4.8)
где - центробежная сила, направленная наружу кривой, кН;
- равнодействующая сила давления ветра на кузов вагона, кН.
Величина центробежной силы определяется с учетом возвышения наружного рельса над внутренним. В упрощенном виде ее можно выразить как
,(4.9)
где - коэффициент, определяемый по формуле
(4.10)
где v - скорость движения вагона, м/с;
R - радиус кривой, м;
h- возвышение наружного рельса над внутренним, мм;
2s - расстояние между кругами катания колесной пары, мм;
Если в технических требованиях не оговорены особые условия движения в кривых, то = 0,075 для грузовых вагонов.
Равнодействующую силу давления ветра определяют по формуле
(4.11)
где - удельное давление ветра, перпендикулярное боковой стене вагона, согласно нормам расчета на прочность, = 500 Н/м;
F- площадь боковой проекции кузова вагона, м;
Площадь боковой проекции котла цистерны по формуле
,(4.12)
где D - диаметр котла, согласно расчету, D = 2,800 м;
Определим равнодействующую давления ветра по формуле
Определим боковую горизонтальную нагрузку по формулам на:
- кузов:
- надрессорную балку:
- рессорный комплект:
- боковую раму:
- буксовый узел:
- колесную пару:
Вертикальные составляющие боковых нагрузок
Боковые нагрузки вызывают дополнительное вертикальное нагружение частей тележек с одной стороны вагона и соответствующее разгружение с другой. Величина такого дополнительного нагружения рассчитываемой детали находится по формуле
,(4.13)
где - вертикальные расстояния от места приложения до точек приложения сил соответственно, м,
m1 - число одноименных, параллельно загруженных элементов, расположенных с одной стороны вагона;
2b2 - расстояние между точками приложения дополнительного загружения и разгружения рассчитываемой детали, 2b2 = 2,036 м.
Определим вертикальные составляющие боковых нагрузок на:
- надрессорную балку:
,
где - расстояние от точек приложения силы до подпятника, = 2,144 м;
- расстояние от точек приложения силы до подпятника, = 2,500м.
- рессорный комплект:
где - расстояние от точек приложения силы до опорной поверхности рессорного подвешивания, = 2,387 м;
- расстояние от точек приложения силы до опорной поверхности рессорного подвешивания, = 2,748 м.
- боковую раму:
где- расстояние от точек приложения силы до опорной поверхности нижнего пояса боковой рамы, = 2,587 м;
- расстояние от точек приложения силы до опорной поверхности нижнего пояса боковой рамы, = 2,948 м.
- буксовый узел:
где- расстояние от точек приложения силы до оси колесной пары, = 2,419 м;
- расстояние от точек приложения силы до оси колесной пары, = 2,780 м.
- колесную пару:
5. УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ПРОТИВ СХОДА С РЕЛЬСОВ
Устойчивость колесной пары в рельсовой колее оценивается коэффициентом устойчивости колесной пары против схода с рельса, учитывающим соотношение вертикальных и горизонтальных составляющих сил, возникающих при движении поезда.
Согласно требованиям Норм должно обеспечиваться устойчивое движение колес по рельсовому пути. Однако при неблагоприятном сочетании в эксплуатации вертикальных и горизонтальных сил, а также при нарушении условий загрузки и отклонений в состоянии вагона могут возникать случаи сползания гребня колеса на головку рельса, что приводит к сходу вагона с рельсов. Поэтому при установлении причины или для предупреждения схода вагона в эксплуатации производится проверка устойчивости движения колеса по рельсу. По рекомендациям Норм подсчитывается коэффициент:
, (5.1)
где - угол наклона образующей гребня колеса к горизонтальной оси; для стандартного профиля поверхности катания = 60?;
- коэффициент трения, принимаемый = 0,25;
- горизонтальная составляющая силы реакции набегающего колеса на головку рельса, действующая одновременно с
- вертикальная составляющая силы набегающего колеса на головку рельса.
Усилия , для существующих конструкций вагонов определяется по формулам:
, (5.2)
,(5.3)
,
где- осевая статическая нагрузка, = 180 кН;
- собственная сила тяжести колесной пары,=12,289 кН;
- среднее значение коэффициента вертикальной динамики, приближенное значение которого вычисляется по формуле:
(5.4)
где - величина, зависящая от осности тележки. Для грузового четырехосного вагона= 1,
А, В - величины, зависящие от гибкости рессорного подвешивания и типа вагона А = 0,03; В = ;
v- скорость движения вагона, v = 33 м/с:
b - половина расстояния между серединами шеек оси, для стандартных осей b = 1,018 м;
l - расстояние между точками контакта колес с рельсами, l = 1,555 м;
,- расстояние от точек контакта до середины шеек, = 0,217 м, = 0,264 м;
r - радиус колеса по кругу катания, r = 0,475 м;
- среднее значение коэффициента динамики боковой качки, приближенно равный
=
[]- нормированный коэффициент устойчивости колеса, [] = 1,4;
- среднее значение рамной силы, вычисленное по формуле:
Определяем вертикальные составляющие силы реакции для набегающего и ненабегающего колес на головку рельса по формулам
Определяем горизонтальную составляющую силы реакции набегающего колеса на головку рельса по формуле
Определяем коэффициент устойчивости колеса по формуле и сравниваем его с нормированным:
1,88<1,4
Вывод: В ходе расчета устойчивость колесной пары против схода с рельса обеспечена. Так как условие выполняется, то схода вагона и вползание гребня колеса на головку рельса не произойдет.
6. РАСЧЕТ ОСИ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ УСЛОВНЫМ МЕТОДОМ
Условный (приближенный) метод может быть применен в эксплуатации при выяснении причины и для предупреждения излома или деформации оси, если они не вызваны перегревом буксового узла или другими явно выраженными факторами. Наиболее эффективно этот метод может быть использован при перегрузке вагона или максимальных износах шеек осей, связанных с их обточками в эксплуатации.
При условном методе расчета ось рассматривается в статическом состоянии, на нее действует система сил:
- вертикальная, равная
1,25(6.1)
- горизонтальная, равная
Н = 0,5,(6.2)
где - статическая нагрузка от колесной пары на рельсы равная, = 180 кН;
1,25 и 0,5 - коэффициенты, учитывающие динамическое действие сил соответственно в вертикальном и горизонтальном направлениях.
В расчетной схеме силы приложены в центре тяжести вагона, находящемся на расстоянии от осевой линии колесной пары h = 1,45 м.
Вертикальная 1,25 и горизонтальная Н = 0,5 силы вызывают загружение силой:
- левой шейки оси
,(6.3)
- правой шейки
,(6.4)
где 2b2- расстояние между серединами шеек оси, 2b= 2,036 м;
Таким образом, силы и приложены к серединам шеек оси. Вертикальные реакции рельсов при этом:
- для левого колеса
(6.5)
- для правого колеса
, (6.6)
где r - радиус колеса по кругу катания, r = 0,475 м;
2S - расстояние между кругами катания колесной пары, 2S = 1,58 м;
Изгибающие моменты, вызванные действием расчетных нагрузок, подсчитываются в трех сечениях:
- в шейке оси у внутренней галтели (сечение 1-1):
,(6.7)
где - длина шейки, = 0,176 м;
- износ по длине шейки в эксплуатации, = 0;
- в подступичной части оси в плоскости круга катания колеса (сечение 2-2):
,(6.8)
где - расстояние от середины шейки до плоскости круга катания колеса, = 0,228 м;
- в середине оси (сечение 3-3):
(6.9)
.
Находим минимальные допустимые в эксплуатации диаметры:
- шейки оси
,
- подступичной части
,
- середины оси
,
где - допускаемое напряжения на изгиб для грузовых вагонов в шейке оси, =120 МПа;