Расчет технико-экономических характеристик связанных с оценкой оптимальности линейных размеров, с учетом ограничений, накладываемых на конструкции грузовых вагонов

Вписывание вагона в габарит:

E в = Sk – d2 + q + w +    (2.1)

где Sk – d2 - максимальный разбег изношенной колесной пары между рельсами, мм; = 27 мм;

q + w – горизонтальные поперечные смещения из-за износов и зазоров между отдельными узлами вагона, мм; для тележки модели 18-100: = 31 мм;

 – расстояние от поперечной оси симметрии вагона (центр вагона) до рассматриваемого сечения, м; наибольшей величиной выносов обладают сечения с координатами х = 0 (для E в) и х = (для E н);

 – величина дополнительного поперечного смещения, возникающего из-за выносов подпятника надрессорной балки тележки в кривой;

 – расчетный радиус кривой (для 0-Т) = 200 м;

 – коэффициент, зависящий от расчетного радиуса кривой;

величина уширения габарита на кривом участке пути;

 .

E в1 = 27 +31 + ).

Ограничение полуширины кузова для поперечного сечения, расположенного в консольной части вагона:

E н = (Sk – d2 + q + w)  +             (2.2)

E н1 = (27 + 31 )  + .

Ограничение полуширины кузова для направляющих (шкворневых) сечений вагона:

E о = Sk – d2 + q + w +                              (2.3)

E о = 27 + 31 .

Наибольшая ширина строительного очертания вписываемого в габарит вагона на рассматриваемой высоте от уровня верха головок рельсов:

2В = 2 ,                        (2.4)

2В 1 = 2 = 3228,8 (мм).

Вывод:

Вагон может использоваться в рамках габарита 1-ВМ, т.к. полученная в результате расчетов его допустимая ширина составляет 3228 мм.

Технико-экономические характеристики, связанные с оценкой оптимальности линейных размеров:

где Рс =  – средняя статистическая нагрузка для вагона;

доля i-го груза в общем объеме грузооборота;

Рсi – статическая нагрузка i-го груза;

Рi = ;

V i – удельный объем i -го груза;

V k =  - объем кузова полувагона;

Н – внутренняя высота кузова полувагона или внутренняя высота боковой стены крытого вагона(без учета высоты его крыши).

V k1 =

Р iI1 =

Р iI 2 =

Р iI 3 =

Pmax = qo · m – T,                               (2.5)

где qo – максимальная допустимая осевая нагрузка = 23,5 тс/ось;

m – количество осей в вагоне = 4;

T – тара вагона.

Т = αо + α1· ,                               (2.6)

где αо – условно постоянный коэффициент тары вагона;

α1 - переменный коэффициент тары вагона.

αо = mm · nm + mуд · nуд + mmор · nmор,                             (2.7)

где mm = 5 т – масса одной тележки

mуд = 0,9 т – масса одного комплекта ударно-тяговых устройств

mmор = 0,5 т – масса торцевых частей кузова (эллиптических днищ котла)

nm = 2 – количество тележек

nуд = 2 – количество комплектов ударно-тяговых устройств

nmор = 2 – количество торцевых частей кузова

αо = 5 · 2 + 0,9 · 2 + 0,5 · 2 = 12,8 (т),

     

где  - тара вагона = 24 т;

 – наружная длина по концевым балкам рамы = 12,78 м;

Для полувагона:

Т1 = αо + α1·  = 12,8 + 0,876· 12,78 = 24 (т),

Pmax1 = qo · m – T1 = 23,5· 4 – 24 = 70 (т).

Таблица 2.2  

Длина вагона по раме	1 = 12,78 м
Р с, т	184,777	76,682	107,248
Р с i, т	70	70	70

 

Рассчитаем среднюю статистическую нагрузку:

Рс1 =  = =  = 70 (т).

Рассчитаем среднюю динамическую нагрузку:

Рдин =                                 (2.8)

где li – среднее расстояние перевозки i- го груза, км.

Рдин1 =  =

Средний погрузочный коэффициент тары:

Кп = ,                                     (2.9)

Кп1 =  =  = 0,342.

Технический коэффициент тары:

Кт = ,                                    (2.10)

Кт1 =  =  = 0,342.

Средняя погонная нагрузка:

qпн = ,                                    (2.11)

qпн1 =  =  = 5,477 (тс/м).

Вывод:

Из расчетов видно, что в случае перевозки вышеперечисленной номенклатуры грузов не происходит повышения средней погонной нагрузки вагона нетто

3 Расчет прочности рамы кузова полувагона на соответствие требованиям «НОРМ»

Приближенный расчет напряженно-деформированного состояния кузова с люками в полу на нагрузки, соответствующий схеме нагружения вертикальной статической нагрузкой, можно выполнить на основе алгоритма, реализующего идею метода последовательных приближений.

Для этого в качестве расчетной схемы первого приближения рассмотрим раму кузова четырехосного полувагона, предполагая, что ее поперечные балки по концам шарнирно опираются на опоры.

Эта схема интуитивно формируется на основании того, что боковые стены кузова обладает большой жесткостью при изгибе в их плоскости и податливы на кручение. Вид расчетной схемы приводится на рисунок 3.1.

Рисунок 3.1 - Расчетная схема рамы кузова полувагона

Расчет такой рамы приводится к расчету хребтовой балки в предположении, что она опирается на упругие опоры жесткостью:

,

где момент инерции сечения i -й поперечной балки в случае вертикальной нагрузки – при изгибе из плоскости рамы , в случае воздействия продольных сил момент инерции при изгибе в плоскости рамы ;

  половина ширины рамы полувагона.

Расчетная схема балки от вертикальных нагрузок будет иметь вид, представленный на рис.3.2.

Рисунок 3.2 - Расчетная схема хребтовой балки при нагружении вертикальной нагрузкой

Воспользуемся методом сил для отыскания неизвестных реакций на упругих опорах балки при ее изгибе от нагрузки  (см. рисунок3.2), определяемой в соответствии с видом нагружения. Основная система образуется из расчетной схемы рисунок 3.2, если удалить упругие опоры, заменив их действие реакциями. С учетом симметрии конструкции и нагрузок она будет иметь следующий вид (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - Основная система при расчете на вертикальные нагрузки

Единичные эпюры для этой основной системы будет иметь вид, показанная на рисунок 3.4.

 

Рисунок 3.4 - Единичные эпюры

Рисунок 3.5 - Грузовая эпюра

При подсчете коэффициентов канонической системы уравнений метода сил воспользуемся матричной интерпретацией вычисления интегралов Мора по формулам Симпсона:

,

где матрица-строка ординат эпюр от i -ой единичной неизвестной силы в начале – , середине –  и конце –   n -го участка интегрирования (предполагается, что длина l разбита на n участков);

матрица податливостей n -го участка, имеющего длину ; матрица-столбец (вектор) ординат эпюр от j -й единичной неизвестной силы в начале – , середине –  и конце –   n -го участка интегрирования.

Система канонических уравнений метода сил может быть представлена в виде:

,                                        (3.1)

где матрица коэффициентов канонической системы уравнений метода сил;

диагональная матрица коэффициентов податливостей упругих опор;

вектор неизвестных усилий;

вектор грузовых коэффициентов.

Введем матрицу:

;           (3.2)

;       (3.3)

;                                      (3.4)

 

.                              (3.5)

Матрица  состоит из трех строк, элементами которых являются ординаты эпюр моментов от единичных сил, относящиеся к граничным и среднему сечениям элемента (участка).

Матрица  имеет блочную структуру и характеризует податливости каждого из четырех выделенных участков.

Компоненты вектора ординаты грузовой эпюры в граничных и средних сечениях элементов (участка).

Для того, чтобы получить матрицу  для рассматриваемой расчетной схемы, необходимо выполнить операцию:

,                                   (3.6)

где транспонированная матрица .

Вектор получится, если воспользоваться формулой:

.                            (3.7)

Решив систему уравнений (3.1), определим реакции упругих опор , усилия и напряжения в элементах рамы (хребтовой и поперечных балках). Все эти расчеты выполняются по обычной для метода сил схеме.

Для хребтовой балки схема определения изгибающих моментов имеет вид:

.                                                (3.8)

Поперечные балки рассчитываются как двуопорные балки с нагрузкой  в среднем сечении, т.е. максимальный изгибающий момент в них:

.

       Исходные данные:

– хребтовая балка:

 

см ;

см ;

см ;
см.

– промежуточная балка:

см ;

см ;

см ; см ;

см.

– концевая балка:

см ;

см ;

см ; см ;

см.

 

ширина рамы кузова, см; см;

см; кг/см²

Произведем расчет:

– распределенная вертикальная нагрузка:

(кг/см).

Сформируем исходные матрицы, необходимые для подсчета матриц  и вектора :

;

;

.

Перемножим две матрицы, используя программное средство «EXCEL»:

;

транспонированная матрица :

.

Получим матрицу :

  

.

Вектор получится, если воспользоваться формулой:

.

Δк.б = 6,00312872,

Δпр1.б = -6,0031287,

Δпр2.б = -9,7816648.

Найдем вектор неизвестных усилий  из уравнения (3.1):

Предварительно сложим полученные матрицы:

;

.

Выразим  из уравнения (3.1):

;

.

Получим максимальные изгибающие моменты  в средних сечениях поперечных балок:

(кг·см),

 244960,7 (кг·см),

                              (кг·см).       

Находим напряжения для соответствующих сечений:

– концевая балка:

(кг/см²),

(кг/см²),

– промежуточная балка 1:

(кг/см²),

(кг/см²).

– промежуточная балка 2:

(кг/см²),

(кг/см²).

– хребтовая балка:

(кг·см),

 (кг/см²).

Вывод:

По третьему расчетному режиму рама полувагона удовлетворяет требованиям прочности ( кг/см²).

4 Проверка соответствия показателей ходовых качеств вагона требованиям современных «норм»

Общие сведения

Тележки вагонов относятся к числу узлов, которые наиболее интенсивно совершенствуются. Повышение осевых нагрузок, скоростей движения, ужесточение требований по созданию комфортных условий для пассажиров и уменьшению динамических воздействий на перевозимые грузы и путевые устройства в первую очередь отражаются на ходовых частях вагонов. Отдельные элементы тележек, такие как рессорное подвешивание, подвержены достаточно быстрой изменчивости.

Рельсовая колея имеет в профиле и в плане большое число различных коротких и длинных неровностей. Колесные пары при прокатывании по этим неровностям приобретают значительные ускорения, а, следовательно, и испытывают воздействие динамических сил, величина которых зависит от необрессоренной массы деталей вагона, взаимодействующих с рельсовой колеей. В тележках грузовых вагонов необрессоренными оказываются колесные пары, буксовые узлы, а также элементы рамы, взаимодействующие с ними, т.е. боковины.

При проектировании новых, модернизации и совершенствовании существующих тележек проблема безопасности движения занимает наиболее важное место. Во-первых, все основные показатели качества хода вагона напрямую связаны с конструктивными решениями, реализованными в тележках. Во-вторых, безопасность во многом зависит от прочности практически всех деталей тележек, так как большинство из них представляют звенья в передаче нагрузок от вагона к пути и наоборот. Следует отметить, что характеристики рессорного подвешивания тележек оказывают влияние на основные показатели качества хода вагона, такие как:

– коэффициенты вертикальной K ДВ и горизонтальной K ДГ динамики; 

– амплитуды ускорений колебательного процесса; 

– показатель плавности хода; 

– коэффициент запаса устойчивости колеса от вкатывания на головку рельса;

 – валкость вагона (устойчивость от опрокидывания).