В процессе эксплуатации вагоны подвергаются действию различных нагрузок
(собственного веса, веса перевози-
мого груза, сил взаимодействия с верхним строением
пути и со смежными вагонами или локомотивом поезда, сил, вызываемых
способами загрузки или выгрузки, технологией изготовления или ремонта и
пр.).
Все нагрузки, действующие на вагон, делятся на постоянно действующие,
или статические, и нагрузки, зависящие от времени действия, —
переменные, или динамические.
К постоянно действующим нагрузкам относятся: тара вагона и вес
перевозимого в нем груза, давление сыпучих или навалочных грузов на
стенки вагона и гидростатическое давление жидкости на стенки котла
цистерны.
К динамическим нагрузкам относятся: силы взаимодействия ходовых частей
вагона с верхним строением пути, силы взаимодействия между вагонами и
локомотивом и силы инерции.
Действию ветровой нагрузки вагоны могут подвергаться как в состоянии
покоя, так и при движении. В практике прочностных расчетов различных
частей и узлов вагонов обычно принимают наиболее невыгодное сочетание
действующих на них нагрузок.
Вертикальная нагрузка, учитываемая при расчете несущих элементов
вагонов, состоит из тары вагона, веса перевозимого в нем груза и
динамических нагрузок, возникающих при колебаниях кузова вагона на
рессорах из-за неровности рельсового пути.
Динамическая нагрузка определяется путем умножения тары и полезной
нагрузки или напряжений, полученных от этих нагрузок, на коэффициент
вертикальной динамики.
Коэффициент вертикальной динамики грузовых вагонов определяется по
следующим формулам:
для скоростей движения 14—28 м/с
В расчете необходимо учитывать отдельно
центробежные силы кузова и
тележки [14]. Для предварительных расчетов вагонов
рекомендуется принимать центр тяжести тележки на уровне оси колесной
пары, а центр тяжести кузова — на расстоянии 180 см от уровня осей
колесных пар.
При расчете на прочность отдельных элементов тележки вагона от боковой
нагрузки необходимо определять усилия в этих элементах, возникающие при
одновременном действии боковой и вертикальной нагрузок брутто. При этом
должны быть учтены деформации рессор и перемещения конструкции
подвешивания.
При расчете боковых стен и шкворневых балок грузовых вагонов влияние
боковых нагрузок учитывается путем увеличения нагрузки брутто на 10% или
добавлением напряжений на 10%.
Кроме рассмотренных выше боковых нагрузок, вагон подвергается действию
поперечных сил инерции, возникающих от боковых толчков при входе вагона
в кривую. Эти силы, по данным экспериментальных исследований, принимают
равными Рбр Для грузовых вагонов, т. е. соответствующими ускорению lg.
В соответствии с нормами расчета вагонов на прочность для железных дорог
СССР продольные нагрузки, учитываемые при расчете всех вагонов,
представляют собой сжимающие и растягивающие ударно-тяговые силы,
возникающие в поезде при различных режимах его движения. Значения
продольных сил в совокупности с остальными, действующими на вагон
нагрузками, принимаются, исходя из двух основных режимов работы вагона в
эксплуатации:
I — трогание с места, осаживание или торможение поезда при малых
скоростях движения, соударения вагонов при маневровой и сортировочной
работе на станциях (продольная сила равна +2 МН);
III — движение поезда с наибольшей допускаемой
скоростью (продольная сила равна ±1 МН).
При торможении вагона возникают силы инерции и силы тормозной системы.
Силы инерции при торможении определяются по формуле
Оборудование вагона и его крепления рассчитывают на
силы инерции при торможении с учетом соударения вагонов по формуле
(12.6), в которую вместо Pop подставляют вес соответствующей части
оборудования. Значение г)т принимают для уровня, в котором расположен
центр тяжести этой части. Допускается условно силы инерции прикладывать
вдоль хребтовой балки (60%) и вдоль боковых балок грузовых вагонов
(40%). Сила инерции, прикладываемая к боковой балке, распределяется
между поперечными балками рамы пропорционально их жесткости на изгиб в
горизонтальной плоскости.
При расчете цистерн помимо двухсторонней тяги и сжатия учитывается еще
продольная сила инерции котла, приложенная к центру его днища:
NH = 250РК/Рбр, (12.8)
где Рк — вес груженого котла цистерны;
Рбр — вес цистерны брутто.
На эту нагрузку должно быть рассчитано крепление котла к раме и
вызываемая ею добавочная вертикальная
нагрузка на тележку, определяемая формулой
Кроме того, при расчете тележек должна учитываться
сила инерции, приложенная к пятнику шкворневой балки, равная утроенному
весу тележки. Полученные в этом расчете напряжения суммируются с
напряжениями от статической нагрузки брутто.
Нагрузки при вписывании вагона в кривые определяются из условий
равновесия тележки при движении ее по кривой. При определении указанных
нагрузок коэффициент трения между колесом и рельсом принимается равным
0,25.
Силы в тормозной системе определяются, исходя из максимального усилия на
штоке поршня тормозного цилиндра при коэффициенте полезного действия
рычажной передачи, равном единице. Внутреннее давление в резервуарах
пневматического тормоза при расчетах на прочности принимается равным 0,6
МН/м2 (6 кгс/см2).
Внутреннее давление, принимаемое для расчета котлов цистерн,
определяется как сумма давлений паров жидкости или газа и давления,
развиваемого при гидравлическом ударе. Давление паров жидкости
принимается 0,15 МН/м2 (1,5 кгс/см2) по регулировке предохранительных
клапанов.
Давление, возникающее при гидравлическом ударе, определяется давлением
силы инерции жидкости в котле цистерны на площадь вертикальной проекции
днища. Для I режима загру-жения сила инерции жидкости определяется по
формуле (12.8), в которой вместо Рк подставляется Рт — вес жидкости в
котле.
Усилия, обусловленные технологическими факторами,
учитываются в расчете элементов вагона, подвергаемых деформации. К таким
усилиям относятся силы, возникающие при запрессовке, горячей посадке и
при других видах сборки с предварительным натягом. Усилия, возникающие в
результате сварки и деформации деталей в процессе их изготовления, в
расчете не учитываются.
Нагрузка распора сыпучих тел на вертикальную стенку кузова вагона
определяется но формуле
12.2. Нагрузки, действующие на раму и кузов
вагона
При расчете рам и кузовов вагонов на прочность учитываются следующие
силы, действующие на них:
вертикальная статическая, состоящая из полезной нагрузки и собственного
веса кузова;
вертикальная динамическая, определяемая как произведение вертикальной
статической нагрузки на коэффициент вертикальной динамики;
боковая, определяемая центробежной силой и ветровой нагрузкой;
продольные силы, передаваемые на кузов через автосцепку;
скручивающие (кососимметричные), обусловленные несимметрией реакций опор
или возникающие при несимметричном подъеме кузова домкратами;
распор сыпучего груза; усилия от установленного на раме вагона
тормозного оборудования.
Прочность и эксплуатационная надежность несущих конструкций рам и
кузовов вагонов оцениваются:
по сравнению максимальных напряжений в элементах несущей конструк-' ции
при наиболее невыгодном сочетании действующих на них сил;
по устойчивости сжатых элементов несущей конструкции;
по прогибам элементов несущей конструкции;
по вибрационной устойчивости, т. е. по сравнению собственных частот
колебаний с частотами возмущающих сил, и устранению опасных резонансов;
по предельным нагрузкам, определяемым пластическим состоянием элементов
конструкции (например, конце-
вых стоек в пассажирских вагонах, служащих для
повышения безопасности при авариях);
но эмпирическим нормам для отдельных элементов, для которых расчетным
путем не удается определить напряжения.
Для определения напряжений составляются расчетные схемы несущей
конструкции кузова, которые представляются либо стрежневыми системами,
либо оболочками, либо в виде смешанной системы.
Оценку устойчивости сжатых элементов выполняют сравнением критических
напряжений или критических сил с действующими в элементе сжимающими
напряжениями или силами.