Экспертная оценка технических и технико-экономических параметров вагона, влияющих на безопасность и эффективность его эксплуатации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный университет путей сообщения

Курсовой проект

по дисциплине: «Конструирование и расчет вагонов»

по теме: «Экспертная оценка технических и технико-экономических параметров вагона, влияющих на безопасность и эффективность его эксплуатации»



Содержание

1. Описание конструкции цистерны для перевозки улучшенной серной кислоты модели 15-1601

2. Оценка оптимальности линейных размеров и вписывание вагона в габарит

3. Расчет напряженно-деформированного состояния кузовов грузовых вагонов



1. Описание конструкции цистерны для перевозки улучшенной серной кислоты модели 15-1601

вагон габарит цистерна конструкция

Для перевозки серной кислоты служит цистерна модели 15-1601, 15-Ц854, 15-1401, 15-1548. Все перечисленные модели оборудованы однотипной арматурой, включающей предохранительно-впускной клапан, патрубок сливоналивного устройства с присоединительным фланцем и патрубок для отбора проб и подвода воздуха при сливе кислоты передавливанием, который расположен на крышке люка. Люк диаметром 570 мм, клапан и патрубок сливоналивного устройства на цистернах моделей 15-1548 и 15-1601 расположены в средней части котла, а на цистернах моделей 15-Ц854 и 15-1401 - на расширительном колпаке, который предусмотрен в конструкции котла этих цистерн.

Для защиты автотормозного оборудования и рамы от разлившейся при сливоналивных операциях кислоты в средней части котла модели 15-1548 предусмотрены защитные козырьки, а в модели 15-1601 - заградительные желоба в зоне расположения люка и арматуры и дренажная система труб.

В целях предотвращения ослабления усилия затяжки хомутов, крепящих котел, под гайки крепления хомутов установлены тарельчатые пружины.

У рамной конструкции котел устанавливается на платформу, включающую раму, тормозное, автосцепное оборудование и ходовую часть.

У четырехосной цистерны с расстоянием между осями сцепления автосцепок 12020мм и базой 7800мм котел устанавливается на типовую платформу (рисунок 1.1) которая состоит из рамы сварной конструкции, автоматического и стояночного тормозов, автоматических ударно-тяговых приборов и ходовой части. Детали и узлы платформы выполняются из низколегированных и литейных сталей повышенного качества.



Рис. 1.1 Платформа для четырёхосных цистерн

Параметры платформ, соответствуют требованиям, предъявляемым к подвижному составу, обращающемуся по всей сети железных дорог РФ.

Рама платформы служит для восприятия тяговых усилий, ударов в автосцепку, а также инерционных сил котла, возникающих при изменении скорости движения. Она представляет собой сварную конструкцию, состоящую из двух шкворневых и хребтовой балок. Крепится котел к раме посредством лапы и хомутов, а укладывается на опоры, располагаемые на шкворневых балках (рис. 1.2).



Рис. 1.2 Конструкция платформы

Рама представляет собой сварную конструкцию, выполненную из продольных и поперечных балок, изготовленных из стальных прокатных профилей. Она состоит из хребтовой, двух шкворневых и двух концевых балок, соединенных со шкворневыми балками короткими боковыми балками. Хребтовая балка сварена из двух швеллеров № 30, перекрытых накладками (сверху сечением 480 X 8мм, а снизу 490 X 6мм). На хребтовой балке имеются кронштейны для подвески тормозного оборудования, планки для крепления котла в средней части, задние и передние упоры автосцепки с розетками и надпятниковыми коробками.

Каждая шкворневая балка коробчатого сечения переменной высоты сварена из двух вертикальных листов толщиной 10мм и двух горизонтальных листов толщиной 8мм. На шкворневой балке смонтированы пятник, скользуны и планки для установки домкратов при подъеме вагонов. На верхнем листе шкворневой балки есть штампованные из листа стали диафрагмы - опоры с поверхностями радиальной формы. На каждой такой опоре укреплены желоба, в которые установлены и прикреплены болтами деревянные бруски. Такие бруски есть также над хребтовой балкой. Они радиальной формы и повторяют очертание поперечного сечения котла цистерны. Радиальная поверхность опор должна соответствовать наружному радиусу нижнего листа котла. В верхнем и нижнем листах шкворневых балок есть отверстия для болтов стяжных хомутов, которые крепят котел. Рама оборудуется экранами для зашиты днищ котла от пробоин при аварии. Концевые и короткие боковые балки изготовляют из штамповок Г - образной формы толщиной 6мм. На концевой балке укреплены кронштейны для установки сигнального фонаря, расцепного рычага автосцепки, поручня сцепщика и т. д.

Котел цистерны для серной кислоты рассчитан на рабочее давление 0,25 МПа и имеет толщину стенки цилиндрической части 8 мм и днищ 8 мм. Люк располагается в средней части котла. Люк-лаз котла закрывается крышкой с помощью болтов. Сливо-наливная, контрольно-измерительная арматура и предохранительный клапан размещаются на крышке люка и закрыты защитным колпаком. Сливо-наливная арматура включает три вентиля с проходным сечением Dy32-Dy40 -два жидкостных и один газовый. Контрольно-измерительная арматура включает два вентиля контроля предварительного и предельного уровня наполнения, вентиль контроля слива, вентиль для зачистки остатков продукта. Котел цистерны оборудован наружными стационарными лестницами, помостом и ограждениями, обеспечивающими безопасный доступ к оборудованию, расположенному наверху котла, приспособлением для присоединения заземления, а также дугами для защиты сливо-наливной и предохранительной арматуры.

Сливо-наливное устройство цистерны для серной кислоты(рис. 1.3) включает два жидкостных 1 и один газовый 2 (уравнительный) вентиля с условным проходом D_y40 (Dy38, D_y32), к которым присоединены скоростные клапаны 3. К жидкостным вентилям присоединены сливо-наливные трубы 4, концы которых закреплены в воронке 5 и доходят до поддона 6.

Рис. 1.3 Сливо-наливное устройство

Рис. 1.4 Предохранительный клапан

Пружинный предохранительный клапан (рис. 1.4) состоит из корпуса-втулки 1 с присоединительным фланцем, втулки 2, с конусным седлом клапана, запрессованном в корпус, тарельчатого клапана 6, на котором укреплена крышка 4 с резиновой прокладкой 5, обеспечивающей полную герметичность сопряжения конусных поверхностей седла и тарели. Опирание тарели клапана на седло обеспечивает разгрузку от действия запирающей пружины 7 резиновой прокладки и увеличивает срок её службы. Крышка 4 крепится специальной гайкой 3, регулирующей прижатие резиновой прокладки к наружной плоскости тарели клапана. Давление срабатывания (открытия) клапана определяется усилием начальной затяжки пружины 7 и регулируется гайками 9, на которые усилие пружины передается через опорную втулку 8 и сферическую шайбу 10.

У цистерн рамной конструкции для предотвращения смещения котла из-за продольных усилий (рис. 1.5) он крепится к раме в средней части специальными болтами 4, запрессованными в лапы рамы и лапы котла 3. Крепление концевых частей котла, лежащих на деревянных брусках 2, прикрепленных к желобам опор шкворневых балок рамы, осуществляется двумя хомутами 1 с тарельчатыми пружинами.

Рис. 1.5 Крепление котла на раме



Внутри хребтовой балки установлены передний и задний упоры, между которыми монтируются автосцепные устройства.

На кронштейнах рамы установлено тормозное оборудование цистерны (рис. 1.6), состоящее из тормозного цилиндра 12 № 188 Б или воздухораспределителя 11 № 483М, запасного резервуара 6 Р7-78, автоматического регулятора рычажной передачи 2 усл. № 574Б, рычагов 3, тяг 1, 10, воздухопровода 4, разобщительного крана 5, авторежима 9 модели 265А-1. На раме крепят также поддерживающие 16 и предохранительные скобы 17. Главный воздухопровод оборудован концевыми кранами 7 и соединительными рукавами 8 типа Р17Б. Для регулировки рычажно-тормозной передачи служит рычажный привод бескулисного авторегулятора, включающий в себя рычаг-упор 14, регулирующий винт 15, распорку 13. Отрегулированная рычажно-тормозная передача обеспечивает зазор между тормозной колодкой и колесом в пределах 5--8 мм в расторможенном состоянии и выход штока тормозного цилиндра в пределах 50--125 мм в заторможенном состоянии.

Рис. 1.6 Схема тормозного оборудования

На платформе установлен стояночный тормоз, предназначенный для затормаживания цистерны на погрузочно-разгрузочных пунктах. Он состоит (рис.1.7) из тяги 5, соединенной с горизонтальными рычагами автотормоза, червячного сектора 4, червячного вала 2 со штурвалом 1 и ручки-фиксатора 3. Стояночный тормоз приводится в рабочее (левое) и нерабочее (правое) положения перемещением червячного вала 2 со штурвалом 1. Фиксирует червячный вал 2 в рабочем или нерабочем положении ручка фиксатора 3, цистерна затормаживается поворотом штурвала 1 по часовой стрелке. Для растормаживания ее ручку-фиксатор необходимо повернуть на 90° в горизонтальное положение. При этом под воздействием возвратной пружины штока тормозного цилиндра червячный вал со штурвалом отбрасывается в нерабочее положение (вправо).

Рис 1.7 Стояночный тормоз

Ходовая часть цистерны состоит из двух двухосных тележек модели 18-120.

В тележке модели 18-120 кузов вагона через пятник опирается на подпятник надрессорной балки, а в тележке 18-755, кроме того, через упруго фрикционные скользуны. Литые боковые рамы и надрессорные балки тележек усилены. По своим прочностным и ходовым качествам тележки отвечают требованиям, обеспечивающим эксплуатацию со скоростями движения до 120 км/ч.



Рисунок 1.8 Тележка

Тележка (рис.1.8) состоит из двух колесных пар 1, двух литых

боковых рам 2, четырех клиновых гасителей колебаний 3,четырех буксовых узлов с роликовыми подшипниками 4, шкворня 5, надрессорной балки 6, двух комплектов центрального рессорного подвешивания 7, двух триангелей с системой рычагов тормозной передачи 8 и двух вертикальных скользунов 9.

Боковая рама тележки (рис. 1.9.) выполнена в виде стальной отливки из стали марки 20ГФЛ (низколегированная марганцовисто-ванадиевая сталь), имеющей следующий химический состав: углерода - 0,17-0,25%; марганца - 1,2-1,5%; кремния - 0,2-0,5%, ванадия - 0,06-0,13%; хрома - не более 0,3%, никеля, меди, серы и фосфора - не боле 0,04%.

Рисунок 1.9 Боковая рама тележки

Эта сталь обладает временным сопротивлением 539 Мпа, пределом текучести - 392 Мпа, относительным удлинением не менее 18%, относительным сужением не менее 25% и ударной вязкостью 490 кДж/м2 при температуре +20°С и 245 кДж/м2 при температуре -60°С.

В средней части боковой рамы располагается проем для пружинного комплекта, а по концам - проемы для букс. В верхней части буксовых проемов имеются кольцевые приливы 7, которыми боковые рамы опираются на корпуса букс, а по бокам располагаются буксовые челюсти 8.

Сечения наклонных элементов (поясов) и вертикальных колонок боковой рамы имеют корытообразную форму с некоторым загибом внутрь концов полок.

Горизонтальный участок нижнего пояса имеет замкнутое коробчатое сечение. Балки с таким профилем хорошо сопротивляются изгибу и кручению.

По бокам среднего проема в верхней части боковой рамы расположены направляющие для ограничения поперечного перемещения фрикционных клиньев.

Верхняя поверхность нижнего пояса 1, является опорной поверхностью для установки пружин, положение которых фиксируется специальными центровыми приливами 4.

С внутренней стороны к нижнему поясу примыкает полка, являющаяся опорной для наконечника триангеля в случаи обрыва подвески, которой триангель подвешен к кронштейну 5 боковой рамы.

В местах расположения клиньев на колонках рамы имеются направляющие 6, ограничивающие поперечное перемещение фрикционных клиньев, между которыми с помощью заклепок 3 крепятся фрикционные планки 2.

Надрессорная балка тележки (рис. 1.10) отливается также из стали 20 ГФЛ в виде бруса равного сопротивления изгибу. Она имеет замкнутое коробчатое сечение и изготавливается заодно с подпятником 3, опорами для размещения скользунов 4, гнездами с наклонными плоскостями для фрикционных клиньев 1 и полкой 5 для крепления кронштейна мертвой точки рычажной передачи тормоза.

Рессорное подвешивание тележки модели 18-120 состоит их двух комплектов пяти, шести или семи двухрядных пружин, расположенных под каждым концом надрессорной балки.

Рисунок 1.10 Надрессорная балка

Пять пружин ставят в тележки, подкатываемые под вагон грузоподъемностью до 50 т., шесть - до 60 т. и семь - более 60 т. Крайние боковые пружины комплекта поддерживают клинья гасителей колебаний. Клинья (рис. 1.11.) отливаются из стали 45. Снизу клинья имеют кольцевые выступы, не допускающие смещение их относительно пружин в горизонтальной плоскости.

Клинья располагаются в гнездах надрессорной балки, упираясь в ее наклонные плоскости и прижимаясь вертикальной стенкой к стальной фрикционной планке.



Рисунок 1.11 Фрикционный клин

2. Оценка оптимальности линейных размеров и вписывание вагона в габарит

Исходные данные

1. Тип вагона - цистерна.

2.Работа вагона характеризуется следующими показателями:

Цистерны для перевозки темных нефтепродуктов
№ п/п	Груз	Ср. дальность перевозок l, (км)	Доля перевозок в общем объеме а, (%)	Удельный объем груза v, (м3/т)
1	Хлор	900	10	0,835
2	Азотная кислота 25%	1200	60	0,81
3	Аммиак	1000	30	0,856

3. Базовый объект (вагон-прототип) - цистерна для перевозки сжиженных углеводородных газов модели 15-1601.

4. Норма осевой нагрузки: q_o = 24,8 т/ось.

5. Грузоподъемность: = 77 т.

6. Габарит -02-ВМ. 2Lсц - длина вагона по осям сцепления 2LсцI = 12,02 м;

2Lк - наружная длина кузова (длина по концевым балкам

рамы вагона), 2LкI = 10,8 м;

2? - база вагона 2?I= 7,8 м;

2?т - база тележки, 2?т = 1,85м;

nк - длина консоли вагона, nкI = 1,5 м;

ат - толщина торцевой стенки (или днища цистерны),

для цистерны модели 15-1601: а_т = 1см;

а_б - толщина боковой стенки (или оболочки цистерны),

для цистерны модели 15-1601: аб = 0,8см;

Рис. 1.12 Расчетная схема вагона

dк - диаметр колеса, dк = 0,95 м;

Т - тара вагона, ТI = 22,2 т;

аа - вылет автосцепки, а_а = 0,61 м;

qп - погонная нагрузка вагона брутто, qп = 8,25 тс/м.

Диаметр котла внутренний = 2,4 м

Рабочее давление в котле, кг/см² 2,5

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

Для оценки эффективности использования кузовом вагона погрузочных возможностей рассмотрим три его конструктивных исполнения: для номинальных линейных размеров (длина вагона по осям сцепления автосцепок такая же как у вагона-прототипа) и два варианта с измененной длиной (2L_сцI + 0,5 м и 2L_сцI - 0,5 м).

2L_сцI= 12,02 м, 2L_сцII = 12,52 м, 2L_сцIII = 11,52 м.

Длина вагона по раме:

2L_к = 2L_сц - 2· а_а.

2L_кI = 10,8 м,2L_кII = 11,3 м, 2L_кIII = 10,3 м.

Длина базы вагона:

2?_I = 7,66 м,2?_II = 8,01 м, 2?_III = 7,28 м.

Вписывание вагона в габарит

Линейные размеры вагона и габарит подвижного состава, требованиям которых должен удовлетворять каждый вагон, вновь проектируемый и находящийся в эксплуатации, взаимосвязаны между собой. Габариты накладывают ограничения на линейные размеры вагона, от которых зависит его производительность.

При вписывании вагона в габарит определяется наибольшая ширина строительного очертания вагона на высоте Н от уровня головок рельсов.

Ограничение полуширины вагона для любого поперечного сечения, расположенного между направляющими (шкворневыми) сечениями:

Е_в = S_к - d_г + q + w + [k₂(l² - x²) + k₁ - k₃] - k, (1.1)

где: S_к - максимальная полуширина колеи в кривой расчётного радиуса, мм;

d_г - половина минимального расстояния между наружными гранями предельно изношенных гребней колёс, мм;

S_к - d_г - максимальный разбег изношенной колесной пары между рельсами, мм; S_к - d_г = 27 мм;

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

2l - база вагона, м;

x - расстояние от поперечной оси симметрии вагона (центр вагона) до рассматриваемого сечения, м; наибольшей величиной выносов обладают сечения с координатами х = 0 (для Е_в) и х = L_к (для Е_н);

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

k₂ - коэффициент, зависящий от расчётного радиуса кривой и обусловленный переводом размеров в метрах к выносам в миллиметрах;

k₃ - величина уширения габарита для Т, 1-Т, Тц, Тпр и 1-ВМ на кривом участке пути, определяемая по выносам расчетного вагона в кривых участках пути R = 200 м, мм, мм; k₃ = 180 мм (используется только для отечественных габаритов подвижного состава);

k - величина, на которую допускается выход подвижного состава, проектируемого по габаритам 0-ВМ, 02-ВМ и 03-ВМ за очертания этих габаритов в кривых участках пути R = 250 м, мм; k = 75 мм (используется только для международных габаритов подвижного состава);

Если при расчетах по формулам (1.1ч1.3) отдельно взятая величина в квадратных скобках [ ] окажется отрицательной, то она не учитывается, то есть принимается равной нулю.

мм.

мм.

мм.

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

(1.2)

Ограничение полуширины вагона для направляющих сечений вагона:

(1.3)

мм.

Вычислив ограничения полуширины вагона, получили наибольшую ширину строительного очертания, вписываемого в габарит вагона на рассматриваемой высоте от уровня верха головок рельсов:

2B = 2·(B_г - max(E_в, Е_н, Е₀)), (1.4)

где B_г - полуширина габарита подвижного состава, мм.

Обозначение габарита	Т	Тц,, 1-Т	Тпр	1-ВМ	0-ВМ	02-ВМ, 03-ВМ
Полуширина габарита, мм	1875	1700	1775	1700	1625	1575

2B_I = 2·(1575 - 31,5) = 3087 мм.

2B_II = 2·(1575 - 37,1) = 3075,8мм.

2B_III = 2·(1575 - 31,9) = 3086,2 мм.

Проектное очертание вагона получают изменением размеров строительного очертания на величину допускаемых при постройке технологических отклонений. Ширина рассматриваемого вагона с учетом стандартного внутреннего диаметра котла 2400 мм, толщин его цилиндрической части и допускаемых технологических отклонений равна 3040 мм. Отсюда следует, что вагон может использоваться в рамках габарита 02-ВМ, т.к. полученная в результате расчетов по формуле (1.4) его допустимая ширина составляет 3075,8 мм ? 3040 мм.

Технико-экономические характеристики, связанные с оценкой оптимальности линейных размеров

К ним относятся средняя статическая нагрузка для вагона, в котором перевозятся различные грузы. Она рассчитывается по формуле:

, (1.5)

где: - доля i-го груза в общем объеме, %;

Р_ci - статическая нагрузка i-го груза, тс;

, (1.6)



где v_i - удельный объем i-того груза.

Для цистерны объем котла может быть вычислен по формуле:

(1.7)

где D_в - внутренний диаметр котла цистерны; D_в = 2,4 м;

L_кот - половина длины котла; L_котI = 5,255 м, L_котII = 5,505 м,

L_котIII = 5,005 м;

h_д - высота эллиптического днища, h_д =0,61 м.

Таким образом, по формулам (1.6) или (1.7) вычислены максимальные возможные величины загрузки вагона из условия полного заполнения объема его кузова тем или иным i-тым грузом. Однако, следует учитывать такое ограничение, накладываемое на конструкцию вагона, как допустимое значение осевой нагрузки.

Из условия не превышения допустимого уровня осевой нагрузки запишем выражение для вычисления максимальной грузоподъем-ности конструкции вагона рассматриваемой длины:

P_max=q_o·m - Т, (1.8)

где q_o - максимальная допустимая осевая нагрузка (наиболее распространенная в настоящее время тележка модели 18-100 имеет допустимый уровень осевой нагрузки q_o = 24,8 тс/ось).

m - количество осей в вагоне (рассматриваемая цистерна - четырехосная);

Т - тара вагона (зависит от длины вагона).

Тара вагона может быть вычислена по формуле:

Т=а₀+а₁·2L_к, (1.9)

где а₀ - условно постоянный коэффициент тары вагона;

а₁ - переменный коэффициент тары вагона;

а₀ = m_т·n_т+m_уд·n_уд+m_тор·n_тор,

где m_т = 5т, m_уд = 0,9 т, m_тор = 0,5 т, соответственно, массы одной тележки, одного комплекта ударно-тяговых устройств и торцевых частей кузова (в данном случае эллиптических днищ котла);

n_т = 2; m_уд = 2, n_тор = 2, соответственно, количество тележек, комплектов ударно-тяговых устройств и торцевых частей кузова.

а₀ = 5·2+0,9·2+0,5·2 = 12,8 т.

Определим значение коэффициента а₁ по формуле:

где Т_в.п. - тара вагона прототипа (цистерна модели 15-1601);

- длина по раме вагона-прототипа.

Подставив полученные значения в формулу (1.9), получим:

Для вагона-прототипа:

Т_I=12,8+0,87·10,8=22,19т.

Для вагона с длиной, увеличенной на 0,5 м:

Т_II=12,8+0,87·11,3=22,63т.

Для вагона с длиной, уменьшенной на 0,5 м:

Т_III=12,8+0,87·10,3=21,76.

Воспользовавшись формулой (1.8), получим:

P_maxI = 24,8·4 -22,19= 77,01 т.

P_maxII = 24,8·4 - 22,63 = 76,57т.

P_maxIII = 24,8·4 - 21,76 = 77,44т.

Рассчитаем грузоподъемность вагона для котла цистерны с удельным объемом груза

= 0,835

= 0,81

= 0,856

Длина вагона по раме, м	V=45.71	V=47.95 Р=76,57	V=43.43
Pi, т	54.74	56.43	53.39	57.4	59.13	56.01	52.01	53.61	50.73

Рассчитываем среднюю динамическую нагрузку вагона :

(1.11)



где: l_i - среднее расстояние перевозки i-го груза, км.

Главным показателем эффективности вагона является величина средней погонной нагрузки нетто , т.к. этой нагрузкой определяются провозные способности железных дорог.

Средняя погонная нагрузка нетто:

(1.14)

Таким образом, при уменьшении рамы погонная нагрузка уменьшается незначительно.

Из расчетов видно, что в случае перевозки вышеперечисленной номенклатуры грузов происходит повышения средней погонной нагрузки вагона нетто при изменении его длины на 0,5 м. Повышение средней погонной нагрузки нетто при неизменной длине станционных путей позволяет увеличивать полезную массу поезда и следовательно, повысить провозную способность железных дорог и отдалить затраты на развитие их пропускной способности.

3. Расчет напряженно-деформированного состояния кузовов грузовых вагонов

Приближенная оценка общего напряженного состояния укладывается в понятие балки. Предполагается, что на изгиб кузова как балки оказывают влияние жесткостные характеристики продольных стержневых элементов каркаса кузова.

Примем характеристики поперечных сечений продольных элементов кузовов различных вагонов и схему их компоновки по сечению.

Рис. 1.13 Цистерна

Круговое сечение цилиндрической части котла цистерны характеризуется следующими параметрами:

;

,



где F_котла - площадь кольцевого поперечного сечения;

J_котла - момент инерции этого сечения относительно центральных осей.

Прямоугольное сечение обшивки боковой стены или настила пола характеризуется следующими параметрами:

F=b·h;

J=b·h³/12,

где F - площадь прямоугольного поперечного сечения;

J - момент инерции прямоугольного сечения относительно центральных осей;

b - ширина прямоугольного сечения;

h - высота прямоугольного сечения.

Прочностной расчет конструкции кузова

В этом расчете кузов вагона моделируется балкой на двух опорах. Условно считается серединная ось конструкции проходит через центр тяжести вагона. Необходимо также учесть инерционные характеристики кузова вагона, которые выражаются сложными формулами.

Fкот = )

Fкот = 3,14 (2*120*0,8+0,8²)= 604,89 см²

F_z= 169.48 см²

y_кот = 40+120+0,8= 160,8см

где y_i - расстояние от самой нижней точки поперечного сечения кузова до центра тяжести отдельного его элемента.

Затем следует определить суммарный момент инерции поперечного сечения:

J_кот=

Следующий шаг связан с построением эпюры изгибающей распределенной нагрузки q.

Также определяются реакции опор:

Для нахождения наиболее нагруженного поперечного сечения вагона определяются два изгибающих момента (в опорной зоне и в середине кузова вагона):

Определяются напряжения в наиболее удаленном волокне рассматриваемого сечения конструкции кузова, которое находится на расстоянии y_max от центра тяжести y₀:

y_н=y₀=1.643 м

y₂=y_в=40+2(Rв+-y₀=40+2(120+0,8)-1.643= 117,3см

=-1,564 МПа,

=1,117 МПа

Вывод:

Элементы кузова удовлетворяют требованиям прочности третьего режима, т.к. [у_III]=1600 кг/см².

у_н будет совпадать со значением y₀, т.е. у_н = y₀. В то время как y_в можно вычислить по формуле:

y_в = H_в - h_хр - y₀,



где Hв - полная высота вагона от уровня верха головок рельсов (принимается по заданию) для рассматриваемой цистерны Hв = 4,232 м;

h_хр - расстояние от уровня верха головок рельсов до опорной поверхности хребтовой балки (для 4-хосных вагонов можно принять h_хр = 0,907 м).

y_в = 4,232 - 0,907 - 1,643 = 1,682м.

Найдем напряжения в верхнем и нижнем волокнах, при этом примем, что напряжения, полученные в сжатых волокнах будем считать отрицательными, а в растянутых - положительными:

где Nраст, Nсж - соответственно продольные усилия растяжения и сжатия, рекомендуемые нормативной документацией при расчетах на прочность

F_У - суммарная площадь поперечного сечения кузова вагона, может быть найдена по формуле: FУ = УFi;

у_а - расстояние от линии действия продольной силы до центра тяжести поперечного сечения кузова y₀, может быть определено по формуле:

уа = y₀ - h_a + h_хр;

h_a - расстояние от уровня верха головок рельсов до продольной оси автосцепки (примем 1,06 м)

Найдем суммарную площадь поперечного сечения кузова вагона

F_У = 169,48 + 604,89 = 774,37 см² = 0,7743 м²

Отыщем расстояние от линии действия продольной силы до центра тяжести поперечного сечения кузова:

=

- расстояние от линии действия продольной силы до оси автосцепки

Произведем оценку прочности по I расчетному режиму конструкции кузова от воздействия продольных сил

Для усилия растяжения по I режиму:

- )= -5,514 МПа,

+ )= 11,765 МПа,

Для усилия сжатия по I режиму

)= 6,62 МПа,

)= -14,12 МПа

С учетом того, что напряжения по III режиму отличаются от этих величин по I режиму пропорционально величине продольной силы, введем переводные коэффициенты для усилий растяжения и сжатия соответственно: k_раст = 1/2,5

k_сж = 1/3, получим:

Для усилия растяжения по III режиму:

= -2,205 МПа,

= 4,706 МПа.

Для усилия сжатия по III режиму:

= 2,206 МПа,

= -4,706 МПа.

Перейдем к вычислению суммарных напряжений от вертикальных и продольных воздействий на кузов вагона.



I режим	III режим
растяжение	сжатие	растяжение	сжатие
верх	нижн	верх	нижн	верх	нижн	верх	нижн
-5,514	11,765	6,62	-14,12	-2,205	4,706	2,206	-4,706
-6,631	13,329	5,503	-12,556	-3,322	6,27	1,089	-3,142

Вывод:

В соответствии с таблицей 1.4 кузов вагона удовлетворяет требованиям по прочности.

Оценка усталостной долговечности кузова вагона

Усталостную прочность кузова грузового вагона будем

оценивать по коэффициенту запаса n

n=

где - усталостная прочность материала рассматриваемой конструкции с учетом коэффициента концентрации напряжений

- предел усталостной прочности материала конструкции, для кузовов условно примем = 210 МПа;

- коэффициент концентрации напряжений.

- величина амплитуды динамических напряжений, возникающих в конструкции

m - показатель кривой усталости, для углеродистых низколегированных сталей можно найти по формуле:

m=

Nв - количество циклов воздействий вертикальных нагрузок за срок службы конструкции:

где Тсл - срок службы, для нефтебензиновой цистерны максимальный срок службы с учетом его продления составляет Тсл = 32·1,5 = 48 лет;

Lп - среднесуточный пробег вагона, Lп=250 км;

Lp - длина рельса, Lp = 25 м.

Nб - базовое число циклов испытания образца, Nб = 107 согласно нормативной документации.

Nг - количество циклов воздействий горизонтальных нагрузок за срок службы конструкции:

Nг =

- количество продольных воздействий на вагон за год, в соответствии со статистическими данными = 20197.

- приведенные к симметричному циклу максимальные напряжения асимметричного цикла в кузове вагона, соответственно, для вертикальных и горизонтальных нагрузок.

Для приведения величин динамических напряжений к симметричному циклу нагружения воспользуемся формулой

где R - ассиметрия цикла

ш - коэффициент (для углеродистых сталей принимается ш=0,10,2, для легированных - ш=0,20,3);

- максимальные напряжения цикла;

- минимальные напряжения цикла.

[n] - допустимый коэффициент запаса, для кузовов грузовых вагонов можно принять [n] = 1,3.

Произведем расчет:

1. Найдем максимальные и минимальные значения напряжений для вертикальных нагрузок

максимальные вертикальные напряжения составили уmax = 1,752 МПа. В то время как минимальные напряжения этого цикла могут быть найдены по формуле

2. Найдем максимальные и минимальные значения напряжений для горизонтальных нагрузок. Максимальные горизонтальные напряжения составили уmax = 13,329 МПа, в то время как уmin = 0.

3. Отыщем асимметрию цикла для вертикальных и горизонтальных воздействий:

и

4. Найдем число вертикальных воздействий на кузов вагона за срок его службы

5. Отыщем величину динамических напряжений, возникающих в конструкции:

9. Найдем усталостную прочность материала рассматриваемой конструкции с учетом коэффициента концентрации напряжений

7. Коэффициент запаса усталостной прочности

.

Вывод: из результатов расчета следует, что оценка усталостной прочности кузова вагона-цистерны, условие обеспечения прочности выполняется.



Список используемой литературы

Котуранов В.Н., Козлов М.П. Технологическая последовательность экспертных оценок рабочих качеств универсального грузового вагона. Учебное пособие. - М.: МИИТ, 2013, - 147 с

Котуранов В.Н. Вагоны.Основы конструирования и экспертизы технических решений. М-Маршрут, 2005-490 с.

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

Вершинский С.В. и др. Расчет вагонов на прочность - М.: «Машиностроение», 1971 - 432с.

Специализированные цистерны для перевозки опасных грузов, справочное пособие. 252с

Размещено на Allbest.ru

...