1.3 Методы оценки несущей способности вагонных конструкций

При проектировании вагонных конструкций должна быть обеспечена необходимая несущая способность всех элементов, предназначенных для восприятия эксплуатационных нагрузок.

Несущая способность конструкции – способность ее сопротивляться действующим нагрузкам без потери прочности, жесткости и устойчивости.

Для оценки несущей способности элементов вагона производят следующие расчеты:

на статическую прочность;

на усталостную прочность;

на устойчивость;

на жесткость (прогибы).

Расчет на статическую прочность. Применяется при оценке несущей способности элементов кузовов и ходовых частей.

Условие статической прочности

или , (1.1)

где – эквивалентное напряжение в опасной точке опасного поперечного сечения рассматриваемого элемента от всех видов эксплуатационных нагрузок;

– допускаемое напряжение;

– расчетный коэффициент запаса статической прочности;

– требуемый (нормативный) коэффициент запаса прочности;

– предельное напряжение, при достижении которого появляются признаки непосредственного разрушения или возникает пластическая деформация,

, .

Расчет на усталостную прочность. Применяется при оценке несущей способности элементов, работающих в условиях интенсивного вибрационного нагружения (ходовые части, автосцепное устройство).

Условие усталостной прочности

, (1.2)

где – предел выносливости элемента;

– амплитуда переменных динамических напряжений;

n – расчетный коэффициент запаса усталостной прочности;

– допускаемый коэффициент запаса усталостной прочности.

Расчет на устойчивость. Применяется при расчете гибких элементов, работающих на сжатие (продольные элементы каркаса, плоские и криволинейные участки обшивки)

Условие устойчивости

или , (1.3)

где n_у – расчетный коэффициент запаса устойчивости;

– допускаемый коэффициент запаса устойчивости;

 – критическое напряжение сжатия, соответствующее критическому значению сжимающей силы F_кр;

 – фактическое напряжение сжатия элемента (из расчета на прочность, соответствующее фактическому значению сжимающей силы F).

П р и м е ч а н и е – Критическое значение сжимающей силы F_кр – наибольшее значение центрально приложенной сжимающей нагрузки, до которого прямолинейная форма равновесия стержня устойчива.

Расчет на жесткость (прогибы). Применяется при проектировании элементов, чрезмерные деформации (прогибы) которых могут явиться причиной нарушения работоспособности вагона, а также при проектировании рессор, пружин, амортизаторов.

Условие жесткости

, (1.4)

где f, [f] – максимальный и допускаемый прогибы соответственно.

2

Кинематический Анализ Стержневых систем

2.1 Общие сведения о стержневых системах

В конструкциях вагонов широко используются стержневые элементы. Они образуют рамы тележек и кузовов вагонов, они подкрепляют оболочечные и пластинчатые участки кузовов.

Основной элемент стержневой системы – стержень: прямолинейный или криволинейный.

Стержневые системы – конструкции, состоящие из стержней, соединенных друг с другом в единую систему с помощью сварки, заклепок, болтов и др.

Различают плоские, пространственные и плоскопространственные стержневые системы.

Плоская стержневая система – система, оси стержней которой и внешняя нагрузка расположены в одной плоскости.

Пространственная стержневая система – система, оси стержней которой и внешняя нагрузка не лежат в одной плоскости.

Плоскопространственная стержневая система – система, оси стержней которой расположены в одной плоскости, а действующие нагрузки перпендикулярно этой плоскости.

Расчетные схемы стержневых систем образуются линиями, проходящими через центры тяжести поперечных сечений стержней, т.е. образуются геометрическими осями стержней (рисунок 2.1).

Различают два основных способа соединения стержней в расчетной схеме (рисунок 2.2): жесткое и шарнирное.

П р и м е ч а н и е – В жестких узлах, сходящиеся стержни жестко скреплены друг с другом. Моменты в сечениях стержней около узла не равны нулю. Все стержни в узле поворачиваются совместно. В шарнирных узлах соединяемые стержни свободно поворачиваются друг относительно друга. Моменты в сечениях стержней около шарнира равны нулю.

В плоских системах шарнирное соединение стержней представляет собой связь в виде простого цилиндрического шарнира, в пространственных системах – в виде цилиндрического или шарового шарниров.

Рисунок 2.1 – Реальная конструкция и ее схематическое изображение

на расчетной схеме

Цилиндрический шарнир (рисунок 2.3, а)– обеспечивает свободный поворот стержней относительно одной оси (у), шаровой шарнир (рисунок 2.3, б) – относительно трех осей (x, y, z).

Рисунок 2.2 – Основные способы соединения стержней в расчетной схеме: а – жесткое; б – шарнирное	Рисунок 2.3 – Виды шарнирного соединения стержней: а – цилиндрический шарнир; б – шаровой шарнир

В зависимости от способа соединения стержней между собой различают:

1) системы с жесткими соединениями стержней – рамы;

2) системы с шарнирными соединениями стержней – фермы;

3) комбинированные системы – рамы с шарнирами.

В пособии основное внимание уделено расчету рам – стержневых систем, состоящих из стержней, соединенных жесткими и шарнирными узлами.

Прежде чем приступить к расчету стержневой системы необходимо установить, является ли система:

• геометрически изменяемой или неизменяемой;

• статически определимой или неопределимой.

Эти свойства системы выявляются в результате ее кинематического анализа.

Расчету подлежат только геометрически неизменяемые системы.

Анализ образования стержневых систем рассмотрим на примере плоских систем.