Определение боковой нагрузки, действующей на вагон

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

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

.(1.10)

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

(1.11)

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

(1.12)

Р_ст - расчетное значение статической осевой нагрузки;

d— коэффициент, учитывающий влияние числа осей в тележке;

b— коэффициент, учитывающий тип ходовых частей вагона. Для грузовых вагонов на безлюлечных тележках с большой горизонтальной жесткостью подвешивания d=0,003, для пассажирских вагонов на безлюлечных тележках с пневмоподвешиванием d= 0,0018, для пассажирских и изотермических вагонов на тележках с люлькой соответственно d=0,0015 и 0,002. При расчетах на прочность по допускаемым напряжениям принима­ется Р(Н _р)= 0,97.

Центробежная сила Н_цб, возникающая при движении в кривых уча­стках пути, приложена к центру тяжести вагона и направлена горизон­тально поперек пути (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Схема действия сил на вагон при движении по кривой с учетом

возвышения наружного рельса

Величина Н_цб определяется по формуле

(1.13)

где g — ускорение свободного падения тел;

R— радиус кривой.

Для уменьшения действия центробежной силы на подвижной состав, выравнивания уровня вертикальных сил, действующих на наружный и внутренний рельсы, в кривых участках пути наружный рельс уклады­вают выше внутреннего. Тогда боковая сила Н_нп, непогашенная возвы­шением наружного рельса в кривой, составит разность проекций сил Н_цб и Р_бр на горизонтальную ось наклоненного вагона:

(1.14)

где a— угол, показанный на рисунке (вследствие его малости принимают cosa=1; sina= )

Тогда в соответствии с формулами (1.13) и (1.14), получим:

(1.15)

где (1.16)

h— возвышение наружного рельса над внутренним;

2S — расстояние между кругами катания колесной пары.

Согласно Нормам, боковая сила, непогашенная возвышением наруж­ного рельса в кривой (Н_нп) и равная разности центробежной силы и горизонтальной составляющей силы тяжести, возникающей вследствие возвышения наружного рельса, с учетом коэффициентов динамики для грузовых вагонов принимается равной 7,5% от силы тяжести вагона брутто, ( h_нп = 0,075), а для пассажирских и изотермических вагонов — 10% от силы тяжести брутто ( h_нп = 0,1).

Необходимо учитывать отдельно центробежные силы кузова вагона и тележек, приложенные в соответствующих центрах масс кузова и тележек.

Для предварительных расчетов положение центра масс тележки принимается на уровне осей колесных пар, центра масс груженого кузо­ва вагона — на высоте от уровня осей колесных пар, равном для пассажирских вагонов 1,7 м, для грузовых и изотермических вагонов —

2 м, для двухэтажных пассажирских вагонов — 2,3 м.

Боковая сила давления ветра Н_в определяется, исходя из удельного давления ветра w на боковую проекцию вагона F (с учетом проекции очертаний расчетного груза), принимаемого равным 500Па.

(1.17)

Равнодействующая этой квазистатической силы приложена в геометрическом центре площади боковой проекции кузова вагона с грузом. Силу давления ветра принимают во внимание только при расчетах на устойчивость вагона от опрокидывания.

При расчетах вагонов, их деталей и узлов учитывают также попереч­ные силы взаимодействия между вагонами при движении поезда в кривых участках пути расчетного радиуса R= 250 м. Поперечные силы при действии растягивающих продольных сил прикладываются к раме кузова в плоскости передних упорных угольников (упоров) автосцепно­го устройства, а при действии сжимающих сил — в плоскости задних упорных угольников.

При предварительных расчетах рам кузовов вагонов на действие вертикальных сил их влияние учитывают за счет увеличения силы тяже­сти вагона брутто на 12,5% для двухэтажных пассажирских вагонов и на 10% для грузовых, изотермических и одноэтажных пассажирских вагонов.

Основные расчетные значения продольных сжимающих и растягивающих сил(квазистатических и динамических), возникающих при дви­жении поезда и маневровых работах между вагонами и между вагоном и локомотивом, принимают в соответствии с расчетными режимами. Для уточненных расчетов величины продольных сил определяют с учетом их статистического распределения при соответствующем числе циклов действия растягивающих и сжимающих сил за один год эксплуатации.

Продольные силы при растяжении (рывке) и сжатии (ударе) прило­жены к соответствующим передним и задним упорам на уровне оси автосцепного оборудования вагонов. Так как продольная ось автосцеп­ного оборудования не совпадает с продольной осью, проходящей через центр тяжести сечения хребтовой балки, при расчетах по I режиму учитывается величина конструктивного эксцентриситета, равная 0,1 м, а по III режиму — 0,05 м.

Вагоны, оборудованные более эффективными ударно-поглощающими устройствами типа подвижных хребтовых балок, рассчитывают на скорректированные (обычно уменьшенные) значения продольных сил.

При предварительных расчетах значения продольных сил инерции узлов, деталей, отдельных масс груженых вагонов определяют для I расчетного режима (экстренное торможение, рывки, осаживания, удары при маневрах и трогании поезда с места), исходя из нормированных ускорений (замедлений): для грузовых восьми-, шести- и четырехосных вагонов — соответственно 2g; 2,5g и 3,5g; для изотермических и пассажирских вагонов — 3g и 4,5g. Для III расчетного режима при нормальных скоростях движения и служебных торможениях с рывками и толчками, нормированные значения ускорений (замедлений) составля­ют: для восьми-, шести- и четырехосных грузовых вагонов — соответственно 0,6g; 0,8g и 1g; для изотермических вагонов и пасса­жирских, следующих в грузовых поездах — 1,1g и 1,5g. При повышен­ных скоростях движения, служебных и регулировочных торможениях без рывков и толчков расчетное значение ускорения (замедления) для всех вагонов принимают равными 0,2g.

Продольные силы инерции узлов, деталей, отдельных масс прикладываются в центре тяжести соответствующей массы, для жидкости в котле цистерны равнодействующая сил инерции приложена на уровне продоль­ной оси котла. Передача сил инерции на конструкцию вагона осуществля­ется через соответствующие крепления или за счет сил трения.

От действия продольной силы инерции кузова соответственно при ударе или рывке возникает добавка к вертикальной динамической силе, действующей на тележку, равная

(1.18)

де N_к— продольная сила инерции кузова вагона брутто;

h_к — расстояние от центра тяжести кузова вагона до продольной оси автосцепки;

2l — база вагона.

Вагоны, предназначенные для эксплуатации на международных линиях, имеющие выход на колею 1435 мм, должны также рассчитываться на силы взаимодействия с подвижным составом, оборудованным буферами. При расчетах по I режиму на каждый буфер принима­ется продольная сжимающая нагрузка 1 МН, по III режиму на каждый буфер — 0,5 МН и 0,4 МН на буфера по диагонали вагона.

Прочностные свойства конструкций вагоновдополнительно оцени­вают при действии основных самоуравновешенных нагрузок: силы распора сыпучих и скатывающихся грузов, внутреннее давление паров жидкости или газа, вертикальные кососимметричные силы.

При расчетах необходимо учитывать возможное неравномерное распределение сил распора между стойками боковых стен полувагонов, динами­ческое давление груза при действии сил инерции массы груза, возникаю­щих при соударениях вагонов. Чтобы рассчитать борта платформ, распорную нагрузку определяют в зависимости от давления распора груза, но не менее 25 кН на 1 м длины секции борта. Прочность боковой стенки вагона при разгрузке его на вагоноопрокидывателе оценивают по II специальному дополнительному расчётному режиму.

Для расчета котлов цистерн на прочность наибольшее расчётное внутреннее давление определяют как сумму давления паров жидкости или газа и давления, создаваемого гидравлическим ударом. Оболочку котла цистерны необходимо проверять на устойчивость от образова­ния вакуума в котле, возникающего при нижнем сливе груза и закрытом колпаке или при быстром охлаждении паров жидкости после налива горячего груза и неисправности впускного клапана. Расчётная величина избыточного внешнего давления (при вакууме) для проверки устойчи­вости оболочки котла принимается равной 50 КПа.

Вследствие различного положения по уровню опорных точек пути под колесами экипажа, различной высоты буксовых рессор возникают вертикальные кососимметричные силы. Эти взаимно уравновешенные силы учитывают в расчётах тележек с жёсткой рамой, а также при расчетах кузовов грузовых вагонов, имеющих большую базовую длину

(с базой более 16 м) и жёсткую на кручение конструкцию, у которой при движении по кривым участкам пути может происходить замыкание боковых скользунов, расположенных по диагонали.

Таким образом, основные продольные, вертикальные, боковые и самоуравновешенные нагрузки для расчёта на прочность вагонов по допускаемым напряжениям принимают в соответствии с расчетными ре­жимами в следующих сочетаниях.

Для грузовых вагонов по I расчётному режиму:

§ продольные нагрузки — в соответствии с требованиями

рас­четного режима;

§ вертикальные нагрузки — сила тяжести вагона брутто и вертикальная добавка от продольной силы инерции кузова;

§ боковые нагрузки — для грузовых вагонов учитывается поперечная составляющая от продольной квазистатической силы;

§ самоуравновешенные нагрузки — силы распора грузов учитываются для вагонов, используемых для перевозки сыпучих и скатывающихся грузов, а силы внутреннего давления — для ва­гонов-цистерн и отдельных типов специализированных вагонов.

Для грузовых вагонов по III расчётному режиму:

§ продольные нагрузки — в соответствии с требованиями расчётного режима;

§ вертикальные нагрузки — сила тяжести вагона брутто и вертикальная динамическая нагрузка, рассчитанная при конструкционной скорости движения;

§ боковые нагрузки — центробежная сила вагона при движении в кривых участках пути;

§ самоуравновешенные нагрузки — силы распора груза, силы внутреннего давления в котлах и вертикальные кососимметричные силы, учитываемые соответственно при расчетах ваго­нов, предназначенных для перевозки сыпучих и скатывающих­ся грузов, наливных и газообразных, и длиннобазных (более 16 м) вагонов.

Для пассажирских вагонов по I расчётному режиму:

§ продольные нагрузки — в соответствии с требованиями расчётного режима;

§ вертикальные нагрузки — сила тяжести брутто и вертикальная добавка от продольной силы инерции кузова вагона, опре­деляемая при продольной силе

N = 2,5 МН;

§ боковые нагрузки — поперечная составляющая продольной квазистатической силы, определяемой при действии сжимаю­щих сил 2,5 МН и растягивающих — 1,5 МН.

Для пассажирских вагонов по III расчётному режиму:

§ продольные нагрузки — в соответствии с требованиями расчётного режима;

§ вертикальные нагрузки — сила тяжести брутто и вертикаль­ная динамическая нагрузка, рассчитываемая при конструкци­онной скорости движения.

Для пассажирских вагонов при расчётах по I и III режимам самоурав­новешенные нагрузки не учитываются.

Вертикальные кососимметричные силы используют при расчётах на прочность тележек пассажирских вагонов по III расчетному режиму.