Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

полувагон нагрузка прочность

В данной курсовой работе всего: стр. 32, рис. 18, табл. 1, использованных источников 6.

ПОЛУВАГОН, РАСЧЕТНАЯ СХЕМА, ВЕРТИКАЛЬНЫЕ НАГРУЗКИ, МОМЕНТ ИНЕРЦИИ СЕЧЕНИЯ, ОСНОВНАЯ СХЕМА, КУЗОВ ВАГОНА, ХРЕБТОВАЯ БАЛКА, БОКОВАЯ СТЕНА

Данная работа выполнена с целью предварительного анализа прочности вагона. Расчет ведется на вертикальную статическую нагрузку без учета других видов нагрузок. Курсовая работа также выполняется с целью получения навыков применения метода сил для расчета вагона на прочность.



Содержание

• 1. Конструкция полувагона модели 12-119
• 2. Выбор и расчет параметров модели
• 2.1 Определение сочетания, места приложения и величины нагрузок
• 2.2 Расчет геометрических параметров сечений элементов
• 3. Выбор метода определения напряженно-деформированного состояния объекта исследования
• 3.1 Методы расчета на прочность
• 3.2 Обоснование выбора метода
• 4. Расчет на прочность
• 4.1 Выбор и обоснование расчетной схемы
• 4.2 Допущения, принятые в расчете
• 4.3 Определение напряженно-деформированного состояния узла от заданной нагрузки
• 5. Анализ результатов расчета
• Заключение
• Список использованных источников
• 
• 1. Конструкция полувагона модели 12-119
• Четырехосный полувагон модели 12-119 (рис. 1) Уральского вагоностроительного завода имеет кузов с глухими торцевыми стенами, обладает большой прочностью, так как в нем прочно связаны между собой боковые стены по концам вагона. Кроме того, это позволяет увеличить внутреннюю полезную длину без изменения продольных размеров рамы и повысить объем кузова на 2,0 м³. Крышки люков -- типовые с литыми, косорасположенными кронштейнами и имеют двухпрутковые торсионные элементы, служащие для облегчения закрывания крышек [1].

Рис. 1 - Четырёхосный цельнометаллический полувагон модели 12-119

Рама (рис. 2) образована хребтовой 7, двумя концевыми 2, двумя шкворневыми 5 и четырьмя промежуточными поперечными 11 балками. Хребтовая балка сварена из двух Z-образных профилей 8 № 31, перекрытых двутавром 10 № 19, служащим для крепления петель 1 и навешивания на них крышек люков. В консольной части хребтовой балки установлены передние и задние упоры автосцепок. Передние упоры выполнены заодно целое с ударной розеткой 17. В зоне размещения поглощающих аппаратов снизу к хребтовой балке крепятся поддерживающие планки 14, а в зоне задних упоров -- усиливающие накладки 13. Для крепления тормозного цилиндра на хребтовой балке установлены кронштейны 12.

Концевые балки 2 не имеют посадочных мест под буферные стаканы. У них коробчатое сечение, образуемое из вертикального лобового, нижнего горизонтального и второго вертикального листов. На лобовом листе сделана штамповка глубиной 16 мм для установки розетки переднего упора автосцепки. Боковые стены 3 отличаются конструкцией угловых стоек 1 и нижней обвязки 2. Угловые стойки 1 выполнены в виде пластин из листового проката толщиной 8 мм. Узлы заделок стоек в раму усилены планкой. Нижняя обвязка 2 - прокатные уголки 160х100х12 мм.

Шкворневая балка 5 замкнутого коробчатого сечения. Она сварена из двух вертикальных листов толщиной 8 мм, верхнего с выпуклым гофром (10 мм) и нижнего 3 гладкого (12 мм) листа. Место пересечения шкворневой и хребтовой балок усилено надпятниковой коробкой и накладками 6. В этой зоне к нижнему горизонтальному листу шкворневой балки приклепан пятник 4, а на расстоянии 762 мм от продольной оси вагона -- скользуны. Поперечные балки 11 сварные двутаврового сечения. Они состоят из вертикального листа толщиной 7 мм, верхнего гофрированного (8 мм) и нижнего гладкого (12 мм). Гофры на верхних листах шкворневых и поперечных балок служат для возвышения точек контакта длинномерных грузов над крышками люков и предупреждения их деформации. Шкворневые и промежуточные поперечные балки выполнены переменной высоты по длине для обеспечения их равнопрочности. Ко всем поперечным балкам приварены кронштейны 9 для отпирания на них крышек люков в открытом положении.

Для увязки и крепления груза внутри кузова боковые стены оборудованы связочными кольцами 6 и скобами 16, а для установки лесных стоек -- скобами 8. Для подтягивания вагона с помощью лебедки предусмотрены закалочные скобы 17. На нижней обвязке стен закреплены планки 13, необходимые для размещения в них секторов запоров крышек люков и скобы 14, с помощью которых подтягиваются крышки ломом.

Рис. 2 - Рама четырёхосного цельнометаллического полувагона модели 12-119

Торцовые стены (рис. 3) имеют цельную конструкцию, жестко привариваемую к боковым стенам. Каждая торцовая стена состоит из металлического каркаса и гладкой листовой обшивки толщиной 4 мм. Каркас включает верхнюю 1 и нижнюю 7 обвязки, две боковые стойки 2, два горизонтальных пояса 3 и две промежуточные полустойки 5. Обшивка 4 приваривается к каркасу с внутренней стороны кузова. Верхняя обвязка 1 каркаса сварена из гнутого элемента 160 х145х90х6 мм и листа толщиной 5 мм. Боковые стойки 2 выполнены из швеллера № 12, горизонтальные пояса - из Щ-образного профиля размером 250х102х9 мм, полустойки 5 - из швеллера № 16, а нижняя обвязка 7 - из уголка 160х100х12 мм. Боковые стойки 2 с двух сторон приварены к угловым стойкам-пластинам боковых стен, а полустойки 5 - к концевой балке 6 рамы. Для повышения прочности соединения верхних обвязок торцовых и боковых стен они усилены приваренными утолщенными накладками [2].

В таблице 1 приведены основные технические характеристики четырёхосного цельнометаллического полувагона модели 12 - 119.

Рис. 3 - Торцевая стена универсального четырёхосного полувагона

Таблица 1 - Основные технические характеристики вагона 12-119

Грузоподъемность, т	69
Масса тары, т	22,5
Объем кузова, м3	76
База вагона, мм	8650
Длина, мм: по осям сцепления автосцепок по концевым балкам рамы	13920 12730
Ширина, мм	3130
Внутренние размеры кузова, мм ширина длина высота	2875 12700 2060
Высота от уровня головок рельсов, мм: максимальная до нижней обвязки	3495 1415
Площадь пола, м2	36,5
Конструкционная скорость, км/ч	120
Изготовитель	УВЗ
Материал кузова [ут], Н/мм2 [уп], Н/мм2	09Г2С 295 450



2. Выбор и расчет параметров модели

2.1 Определение сочетания, места приложения и величины нагрузок

Вертикальная нагрузка от перевозимого сыпучего и нагрузочного грузов принимается равномерно распределенной по площади пола [3].

В вагонах с люками в полу полезная нагрузка Р_г через крыши люков распределяется между боковыми стенами и хребтовой балкой пропорционально реакциям двухопорных разрезных балок, нагруженных распределенной нагрузкой:

(тс);

(тс).

Нагрузки Р_б^(г) и Р_хр^(г) считают равномерно распределенными по боковой стене и хребтовой балке:

;

.

Нагрузки от собственного веса также считают равномерно распределенными по боковой стене и хребтовой балке. Такое допущение упрощает расчет, не оказывая какого-либо влияния на результат, поскольку собственный вес кузова грузового вагона в несколько раз меньше веса груза:

На рисунке 4 представлена схема расположения схема вертикальных нагрузок.

Рисунок 4 - Схема расположения вертикальных нагрузок

2.2 Расчет геометрических параметров сечений элементов

Рама четырехосного вагона состоит из балок, которые имеют сечения (рисунок 5) [4].

Для расчета балок необходимо упростить их конструкцию следующим образом: на рисунках 6 - 8 представлены упрощенные сечения балок.



а) б)

в) г)

а) хребтовая; б) шкворневая; в) поперечная; г) концевая

Рис. 5 - Поперечные сечения балок рамы

Рисунок 6 - Упрощенное сечение шкворневой балки



А=А_б-А_м=522*375-502*355=17540 мм²=175,4*10^-4 м²

I_z= I_z(б) -I_z(м)==0,0044*10⁶-0,0037*10⁶=7*10^-4 м⁴

Рисунок 7 - Упрощённое сечение поперечной балки

А=А₁+А₂+А₃=170*15+7*388+12*50=2550+2716+600=58,66*10^-4 м²

Y_c==мм;

I_z=(I_z1+a₁²A₁)+(I_z2+a₂²A₂)+(I_z3+a₃²A₃)=

=191250+21,045*10⁶+136,3*10⁶+186,04*10⁶ +28800+44,76*10⁶=3,87х10^-4 м⁴

Рисунок 8 - Упрощённое сечение концевой балки

А=А₁+А₂=350*7+518*7=60,76*10^-4 м²

Х_с==мм;

Y_c==мм;

I_z=(I_z1+a₁²A₁)+(I_z2+a₂²A₂)

м⁴.

Данные для хребтовой балки взяты у восьмиосного полувагона, в связи с их идентичностью: A=192?10^-4 м²; I_z=5,78?10^-4 м⁴ [5].

Кузов четырехосного вагона состоит из стоек и обвязок, которые имеют сечения (рисунок 9).



Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Размещено на http://www.allbest.ru/

в) г)

а) верхняя обвязка; б) шкворневая и промежуточная стойки; в) угловая стойка; г) нижняя обвязка

Рисунок 9 - Поперечные сечения составляющих кузова

Для расчета стоек и обвязок необходимо упростить их конструкцию следующим образом: на рисунках 10 - 11 представлены упрощенные сечения балок.

Рисунок 10 - Упрощённое сечение верхней обвязки

А=А₁+А₂+А₃=144*6+135*6+24*6=864+810+144=18,18*10^-4 м²

Y_c==мм;

Х_с==мм;

I_z=( I_z1+a₁²A₁)+ ( I_z2+a₂²A₂)+(I_z3+a₃²A₃)=

=

=5971968+10530570+9720+914457,6+27648+67184,64=0,17х10^-4 м⁴

Рисунок 11 - Упрощённое сечение шкворневой и поперечной стойки

А=54,54*10^-4 м²

Y_c=44 мм;

I_z=0,13х10^-4 м⁴

Аналогично нашел параметры сечения угловой стойки: А=62,48*10^-4 м²;

I_z=1,043х10^-4 м⁴.

Параметры нижней обвязки: А=22,9*10^-4 м² ; I_z=0,606х10^-4 м⁴ [6].



3. Выбор метода определения напряженно-деформированного состояния объекта исследования

3.1 Методы расчета на прочность

Существует несколько методов расчета статически неопределимых систем. Наиболее распространены:

1 Метод сил;

2 Метод перемещений;

3 Метод конечных элементов (МКЭ).

Одним из основных методов расчета на прочность статически неопределимых систем является метод сил. В методе сил в качестве неизвестных принимаются неизвестные от единичных усилий. Сущность метода заключается в следующем:

1. Устанавливается степень статической неопределимости системы по формуле

n=3k-ш

где n-степень статической неопределимости системы;

к-количество замкнутых контуров;

ш- число простых шарниров;

2. Из заданной системы образуем основную. Основной системой называется геометрически неизменяемая и статически определимая система, образованная из заданной путем устранения лишних связей;

3. Основная система загружается внешней нагрузкой и единичными силами, которые заменяют действие устраненных связей;

4. Строим эпюры от внешней нагрузки и единичных сил;

5. Составляем и решаем систему канонических уравнений метода сил;

где -главные коэффициенты;

-побочные коэффициенты;

- грузовые коэффициенты;

6. Строим окончательные эпюры M, Q и N;

7. Проверяем правильность построения.

Алгоритм расчета методом перемещений:

1. Устанавливаем степень кинематической неопределимости заданной системы;

n=n_y+n_л

где n-степень статической неопределимости системы;

n_y -число жестких неопорных узлов;

n_л- число независимых линейных перемещений;

2. Из заданной статически неопределимой системы образуем основную систему, т.е. ко всем жестким узлам прикладываем перемещения;

3. Составляем и решаем систему канонических уравнений метода перемещений;

где - главные коэффициенты;

-побочные коэффициенты;

-грузовые коэффициенты;

4. Строим единичные и грузовые эпюры изгибающих моментов для основной системы;

5. Определяем коэффициенты и свободные члены системы канонических уравнений;

6. Проверяем правильность вычисления коэффициентов и свободных членов системы канонических уравнений;

7. Вычисляем значение неизвестных метода перемещений;

8. Строим эпюры N, Q, M для заданной системы;

9. Проверяем правильность построения окончательных эпюр.

Также существует еще один метод расчета на прочность - метод конечных элементов (МКЭ).

Основная идея МКЭ состоит в том, что рассматриваемые конструкции разделяются на ряд простейших по форме частей (элементов), размеры которых обычно малы по сравнению с размерами всей конструкции, но все же они конечны. При составлении уравнений равновесия, конструкция делится на бесконечно малые элементы.

В методе конечных элементов вся среда представляется в виде совокупности отдельных конечных элементов, взаимодействующих между собой в конечном числе узловых точек. Замена исходной конструкции с совокупностью дискретных элементов подразумевает равенство энергий конструкции и ее дискретной модели.

Если элементы реальной конструкции имеют вдоль совей границы непрерывные связи со смешанными элементами, то при построении дискретной модели вынуждены делать предположение о характере силового или кинематического воздействия между смежными элементами. В этом случае дискретная модель будет лишь приближенно отображать поведение исходной конструкции. Важно выбрать характер взаимодействия между элементами таковым, чтобы уменьшение размеров конечных элементов привело к получению решения, стремящегося к точному.

Важно выбрать характер взаимодействия между элементами таковым, чтобы уменьшение размеров конечного элемента привело к получению решения, стремящемуся к точному.

3.2 Обоснование выбора метода

В расчете на вертикальную нагрузку рама рассматривается как стержневая статически неопределимая система. Расчет производится по методу сил. При этом поперечные и продольные балки считаются как неразрезные, но соединенные друг с другом шарнирно. В качестве неизвестных единичных усилий принимаются x_i- вертикальные изгибающие моменты в хребтовой балке.

Так как распорные нагрузки симметричны относительно продольной и поперечной плоскостей симметрии кузова, то в качестве расчетной схемы кузова принимаем одну четвертую его часть.

Необходимо произвести расчет трижды статически неопределимой системы, для которой уже готовы эпюры моментов от единичных сил и эпюры от распорных нагрузок. Для расчета выбираем метод сил, так как для подобной системы он является наиболее удобным и простым. Метод перемещений здесь будет наиболее трудоемким.



4. Расчет на прочность

4.1 Выбор и образование расчетной схемы

На рисунке 12 представлена расчётная схема.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 12 - Расчетная схема

При расчете учитывают только силы взаимодействия стоек и верхней обвязки по оси y, предполагая наличие линейных связей по оси y.

4.2 Допущения, принятые в расчете

При расчете приняты следующие допущения:

1 Не учитываем сопротивления деформации кручения в стержнях открытого профиля ввиду их небольшой величины. Считаем, что угловые связи между закручиваемыми и изгибаемыми стержнями по оси закручивания отсутствуют.

2 Не учитывая силы взаимодействия поперечных балок с продольными элементами по оси Х ввиду небольших перемещений узлов по оси Х и недостаточной погонной жесткости поперечных балок относительно вертикальной оси. Считаем линейные связи по оси Х между поперечными балками и продольными элементами (хребтовой балкой и нижней обвязкой) рамы отсутствующими;

3 Не учитываем сопротивление изгибу нижней обвязки боковой стены в горизонтальной плоскости, т.к. в случае поворота угла вокруг оси Z изгибающие моменты в нижней обвязке намного меньше изгибающих моментов в поперечных балках. Считаем, что поперечные балки имеют связи по оси Z с нижней обвязкой.

4 Считаем соединение стержней в узлах фермы шарнирными, поскольку сопротивление изгибу элементов боковой стены незначительно по сравнению с сопротивлением растяжению. За расчетную нагрузку при этом принимают сосредоточенную в узлах фермы нагрузку от примыкающих к узлу панелей.

4.3 Определение напряженно-деформированного состояния узла от заданной нагрузки

Расчет кузова полувагона производим для боковой стены и поперечных балок.

В качестве расчетной схемы берется одна четвертая часть кузова. Расчет ведется по методу сил.

Основную систему образуем устранением линейных связей и заменой их влияния силами x₈, x₉, x₁₀ между стойками и верхней обвязкой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 13 - Основная схема

Составим каноническое уравнение метода сил для трижды статически неопределимой системы:

,

где - относительное перемещение в основной системе по направлению линейного неизвестного x_i от силы x_k=1;

_ip - относительное перемещение в основной системе по направлению неизвестного x_i от заданной внешней нагрузки.

Строим в основной системе эпюры изгибающих моментов от заданной нагрузки P и от сил x₈=1, x₉=1 x₁₀=1. Построение эпюр начнем с верхней обвязки в горизонтальной плоскости, затем по шпангоутам (стойкам и поперечным балкам) в поперечной плоскости[6].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 14 - Эпюра от x8=1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 15 - Эпюра от x₉=1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 16 - Эпюра от x₁₀=1

Строим грузовую эпюру от распределенной внешней нагрузки q₁, q₂, q₃, q₄:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 17 - Грузовая эпюра от внешней нагрузки

Вычисляем коэффициенты при неизвестных и свободные члены по формуле Мора. Интегралы Мора вычисляем по правилу Верещагина и формуле трапеций.

Определяем свободные члены Д_iP по формуле Мора:

Решаем систему канонических уравнений:

Строим окончательную эпюру для заданной системы

Построим общую эпюру, используя уравнения:

М=М₁x₁+М₂x₂+М₃x₃+М_р;

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 18 - Окончательная эпюра



5. Анализ результатов расчета

Детали и у злы вагона должны быть такими, чтобы обеспечить их безотказность в эксплуатации.

Условие прочности выражается:

,

где - расчетное напряжение, МПа;

- допускаемое напряжение, МПа, (=195МПа).

Проверка элементов конструкции на допускаемые напряжения. Момент сопротивления для концевой балки:

Расчетное напряжение:

Момент сопротивления для шкворневой балки:

Расчетное напряжение:

Момент сопротивления для поперечной промежуточной балки:

Расчетное напряжение:

Момент сопротивления для верхней обвязки:

Расчетное напряжение:

Момент сопротивления для угловой стойки:

Расчетное напряжение:

Момент сопротивления для шкворневой и промежуточной стойки:

Расчетное напряжение:



Заключение

В курсовой работе рассмотрена конструкция четырехосного полувагона модели 12-119, приведены технические характеристики данного вагона.

В соответствии с заданием приведен расчет на распорные нагрузки кузова полувагона методом сил. Определены геометрические параметры сечений элементов.

В результате расчета определено, что все элементы конструкции подходят по допускаемым напряжениям.



Список использованных источников

1 Лукин В. В., Анисимов П. С., Федосеев Ю. П. Вагоны. Общий курс: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. В. В. Лукина. - М.: Маршрут, 2004. - 424 с.

2 Пастухов И. Ф., Лукин В. В., Жуков Н. И. Вагоны: Учебник для техникумов ж.-д. трансп. / Под ред. В. В. Лукина. - М.: Транспорт, 1988. - 280 с.

3 Сенаторов С.А. Расчет рам и кузовов грузовых вагонов на прочность с использование ЭВМ. Методическое руководство. Часть III. Свердловск.: 1983.- 48 с.

4 Вагоны. Под ред. Л.А. Шадура. М.: Транспорт, 1973. - 440 с.

5 Большегрузные восьмиосные вагоны. Под ред. Л. А. Шадура. Изд-во «Транспорт», 1968 г., 1 - 288.

6 Пособие к решению задач по сопротивлению материалов: Учеб. пособие для техн. вузов/Миролюбов И. Н., Енгалышев С. А., Сергиевский Н. Д. и др. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985. - 399 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...