Реальные вагонные конструкции и их расчетные схемы

 

Любая конструкция помимо элементов, обеспечивающих функциональное назначение данного объекта, обязательно имеет несущие элементы, составляющие «силовой» каркас и предназначенные для восприятия нагрузок и различных силовых воздействий на конструкцию.

Поэтому элементы, составляющие любую конструкции, в том числе и вагонную, принято разделять на несущие и ненесущие.

Несущие элементы обеспечивают конструкции необходимые прочность и жесткость при воздействии эксплуатационных нагрузок и образуют несущую конструкцию.

Расчет несущей конструкции какого-либо элемента вагона с полным учетом особенностей его работы в виду сложности часто не представляется возможным.

Отсюда возникает необходимость в замене несущей конструкции расчетной схемой.

Расчетная схема – это упрощенное схематическое изображение реальной несущей конструкции.

Для составления расчетной схемы требуется выполнить анализ конструкции и выявить главные несущие элементы, которые войдут в расчетную схему, и второстепенные элементы, которые при оценке прочности и жесткости системы могут быть отброшены как «неработающие» при действии нагрузки.

Главные несущие элементы образуют скелет конструкции, который берет на себя всю внешнюю нагрузку и собственный вес, включая вес и мысленно отброшенных второстепенных элементов, которые по отношению к оставшимся элементам рассматриваются как внешняя нагрузка.

Выбор расчетной схемы зависит также с действующей на конструкцию нагрузкой. Так, например, при расчете на вертикальные нагрузки расчетная схема может отличаться от той, которая выбирается при расчете на продольные нагрузки.

Например, при анализе конструкции кузова платформы, рассчитываемой на действие вертикальных нагрузок, к второстепенным ненесущим элементам можно отнести вспомогательные продольные и поперечные балки, имеющие малую жесткость в вертикальном направлении.

При составлении расчетных схем необходимо учитывать способы соединения между собой элементов конструкции. Места соединения элементов называют узлами, которые могут отличаться различными конструктивными решениями.

Так, например, в узлах могут быть сделаны шарниры, позволяющие свободно поворачиваться концевым сечениям стержней относительно друг друга. Моменты на концах стержней в этом случае равны нулю.

При наличии сварных соединений в металлических конструкциях стержни, сходящиеся в узлах, соединены жестко, и все стержни в узле поворачиваются совместно.

В расчетных схемах действительное соединение стержней, которое выполнено сварными швами или заклепками, иногда нельзя отнести ни к шарнирному, ни к жесткому. В расчетных же схемах используется только эти два способа соединения.

На расчетной схеме условно изображаются:

· элементы несущей конструкции;

· опорные связи;

· нагрузки.

Для выполнения расчета необходимо также знать размеры элементов расчетной схемы и физико-механические свойства материала, используемого для их изготовления.

Таким образом, под расчетной моделью понимают геометрическую схему конструкции с действующей нагрузкой и данными, характеризующими физико-механические свойства материала.

В целом расчетная схема должна как можно лучше отражать действительную работу несущей конструкции и в тоже время быть доступной для практического расчета.

Рассмотрим реальную вагонную конструкцию на примере кузова вагона и возможные варианты расчетных схем.

Характерная конструктивная схема кузова вагона показана на рисунке 1.3.

Основанием кузова является рама, воспринимающая все основные нагрузки, действующие на вагон. Она представляет собой систему продольных и поперечных элементов (балок): концевой 1, шкворневой 2, промежуточной поперечной 3, хребтовой 4 и боковой продольной 5. Рама имеет опоры: центральную – пятник 6 и боковые – скользуны 7. На конструктивной схеме кузова тонкими линиями показаны боковые стены и крыша.

 

П р и м е ч а н и е – Кроме характерных балок, показанных на схеме, в рамах крытых вагонов, платформ и других вагонов могут применяться дополнительные продольные и поперечные балки, на которые опирается настил пола.

 

На раму действует полезная нагрузка, а также сосредоточенные продольные силы Т _с, передаваемые на раму автосцепкой, и вертикальные реакции опор кузова R. Полезная нагрузка непосредственно воздействует на настил пола и передается на продольные и поперечные балки рамы.

Основным (усиленным) продольным элементом рамы является хребтовая балка, которая воспринимает продольные силы Т _с.

 

Рисунок 1.3 – Характерная конструктивная схема кузова вагона

 

В современных конструкциях вагонов хребтовая балка изготовляется из стального прокатного профиля:

· два зета №31 и двутавр №19 – полувагон (рисунок 1.4, а);

· два зета №31 – крытый грузовой, полувагон с глухим полом и глухим кузовом (рисунок 1.4, б);

· два двутавра №70 – платформа (рисунок 1.4, в);

· два швеллера №30 – пассажирские ЦМВ, рамные цистерны (рисунок 1.4, г).

 

Рисунок 1.4 – Сечения хребтовой балки основных типов вагонов:

а – два зета №31 и двутавр №19; б – два зета №31; в – два двутавра №70;

г – два швеллера №30

 

Основным (усиленным) поперечным элементом рамы является шкворневая балка, которая воспринимает вертикальные реакции R.

Шкворневая балка выполняется сварной замкнутого коробчатого сечения (два вертикальных и два горизонтальных листа).

Боковые продольные балки являются одновременно и нижними продольными элементами боковых стен.

Концевые поперечные балки выполняют коробчатого сечения (сварные или в виде проката).

Промежуточные поперечные балки выполняют в виде двутавра или швеллера.

Поперечные балки, работающие на изгиб, с целью снижения их массы выполняют, как правило, в форме бруса равного сопротивления изгибу.

Анализ реальной конструкции кузова позволяет выявить:

· основные несущие элементы;

· вспомогательные несущие элементы;

· ненесущие элементы (элементы функционального назначения).

Основные несущие элементы участвуют в восприятии основных эксплуатационных нагрузок. Они образуют основную несущую конструкцию и включаются в расчетную схему.

Вспомогательные несущие элементы участвуют в восприятии только некоторых нагрузок (полезная нагрузка, распор сыпучих грузов и др.) и в передаче их на основную несущую конструкцию.

К ним можно отнести деревянный настил пола, деревянную обшивку стен, откидные борта платформ, крышки люков и торцовые створчатые двери полувагонов, а также вспомогательные продольные и поперечные балки, имеющие малую жесткость в вертикальной или в горизонтальной плоскости – при расчете кузова на действие вертикальных или горизонтальных нагрузок соответственно.

Ненесущие специальные элементы не участвуют в восприятии нагрузки, но необходимы для перевозки пассажиров и грузов.

К ним относятся двери, окна, изоляция, установки кондиционирования воздуха и др.

Различают 3 основных типа несущих конструкций кузовов (рисунок 1.5):

· с несущей рамой (платформы, транспортеры);

· с несущими рамой и боковыми стенами (полувагоны);

· с несущими рамой, боковыми стенами и крышей (пассажирские ЦМВ и крытые грузовые вагоны).

Расчетные схемы несущих конструкций кузовов можно представить в виде:

1) стержневых систем – для кузовов платформ с несущей рамой (рисунок 1.6, а);

2) комбинированных систем – для кузовов полувагонов (рисунок 1.6, б) и крытых грузовых вагонов с деревянным настилом пола (рисунок 1.6, в). В кузове полувагона рама – стержневая система, стены – подкрепленные стержнями пластинчатые системы; в кузове крытого грузового вагона – рама – стержневая система, а стены и крыша – П-образная подкрепленная оболочка с вырезами;

3) подкрепленных листовых систем – для кузовов пассажирских вагонов, имеющих кузов в виде замкнутой подкрепленной оболочки с вырезами (рисунок 1.6, г).

 

 

Рисунок 1.5 – Основные типы несущих конструкций кузовов:

а – с несущей рамой; б – с несущими рамой и стенами;

в – с несущими рамой, стенами и крышей

 

 

Рисунок 1.6 – Расчетные схемы несущих конструкций кузовов:

а – стержневая; б, в – комбинированные; г – подкрепленная листовая

 

Рассмотрим, например, составление расчетной схемы для кузова вагона-платформы с деревянным настилом пола, рассчитываемого на продольные силы. Как уже отмечалось, вагон-платформа имеет кузов с несущей рамой. Конструкция и конструктивная схема рамы показаны на рисунках 1.7, а, б. Она образована совокупностью балок: хребтовой 1, концевых 2, раскосов 3, шкворневых 4, боковых продольных 5, основных поперечных 6, вспомогательных поперечных 7 и продольных 8.

Расчетная схема рамы будет образована линиями, проходящими через центры тяжести сечений ее элементов. Поскольку центры тяжести поперечных сечений продольных и поперечных балок рамы платформы расположены не в одной плоскости и продольные балки имеют переменное сечение (рисунок 1.7, в), рассматриваемая расчетная схема будет пространственной (рисунок 1.8, а). В элементах таких систем возникают деформации растяжения или сжатия, а также изгиб в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

 

 

Рисунок 1.7 – Конструктивная схема рамы вагона-платформы:

а – реальная конструкция; б – конструктивная схема рамы;

в – конструктивная схема боковой и хребтовой балок

 

 

Рисунок 1.8 – Расчетные схемы рамы вагона-платформы:

а – пространственная; б, в – плоская; г – плоская с введенными шарнирами

 

В результате анализа конструктивной схемы выявляем главные несущие элементы рамы, образующие несущую конструкцию и которые должны войти в расчетную схему. К ним можно отнести раскосы 3, а также балки – хребтовую 1, концевые 2, шкворневые 4, основные поперечные 6 и продольные боковые 5. В расчетную схему несущей конструкции не включаем вспомогательные поперечные 7 и продольные 8 балки, предназначенные для поддержания настила пола. На конструктивной схеме они показаны тонкими линиями. Эти балки из-за относительно большой гибкости в горизонтальной плоскости несущественно влияют на общую картину деформации рамы.

Однако, такую расчетную схему можно упростить, расположив осевые линии поперечных и продольных балок в одной плоскости. В этом случае расчетную схему можно считать плоской стержневой (рисунок 1.8, б).

Полученная расчетная схема является достаточно сложной статически неопределимой системой (число неизвестных силовых факторов при расчете методом сил составляет 42) и ее также желательно по возможности упростить.

Отметим, что некоторые элементы, которые являются основными при работе на вертикальные нагрузки, оказываются второстепенными при действии продольных сил. Поэтому из расчетной схемы можно исключить промежуточные поперечные балки 6 ввиду их малой жесткости в горизонтальной плоскости (рисунок 1.8, в). Число неизвестных в этом случае уменьшится до 30.

Расчетную схему можно упростить и дальше, пренебрегая сопротивлением боковых балок изгибу, что равноценно введению шарнирного соединения поперечных балок с боковыми. Окончательный вариант стержневой расчетной схемы рамы платформы показан на рисунке 1.8, г. В такой расчетной схеме число неизвестных будет сокращено до 18.