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[2]:

, (4.1)

где - вес брутто вагона, = 872 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[2]:

(4.2)

Статическая нагрузка, действующая на надрессорную балку:

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[2]:

(4.3)

где - коэффициент вертикальной динамики.

Коэффициент вертикальной динамики определяется по формуле[2]:

, (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:

,

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[2]:

; (4.5)

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[2]

(4.6)

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[2]:

, (4.7)

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[2]

, (4.8)

где - коэффициент, определяемый по формуле[2]

(4.9)

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

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 платформы можно определить по формуле

где - длина вагона по раме, м;

- высота крытого вагона, 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 [2]

, (4.10)

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[2]:

, (4.11)

где - расстояние от точек приложения силы до подпятника, = 1,983 м;

- расстояние от точек приложения силы до подпятника, = 2,012 м.

- рессорный комплект:

где - расстояние от точек приложения силы до опорной поверхности рессорного подвешивания, = 2,226м;

- расстояние от точек приложения силы до опорной поверхности рессорного подвешивания, = 2,258 м.

- боковую раму:

где - расстояние от точек приложения силы до опорной поверхности нижнего пояса боковой рамы, = 2,426 м;

- расстояние от точек приложения силы до опорной поверхности нижнего пояса боковой рамы, = 2,458 м.

- буксовый узел:

где - расстояние от точек приложения до оси колесной пары, = 2,258 м;

- расстояние от точек приложения до оси колесной пары, = 2,290 м.

- колесную пару: