учебное пособие

-31-

Прочностной расчет конструкции кузова

Этот расчет следует начать с определения положения центра тяжести поперечного сечения кузова грузового вагона. Для численного примера выбрано сечение вагона цистерны модели 15-1443.

-33-

Определяются напряжения в верхнем и нижнем наиболее удаленных волокнах рассматриваемого сечения конструкции кузова, которые соответственно находится на расстоянии yв, ун от центра тяжести y0:

В рассматриваемой задаче ун будет совпадать со значением y0, т.е. ун = y0. В то время как yв можно вычислить

где Hв - полная высота вагона от уровня верха головок рельсов (принимается по заданию) для рассматриваемой цистерны Hв = 4,615 м;

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

yв = 4,615 - 0,907 - 1,643 = 2,065 м.

По формуле (2.4) найдем напряжения в верхнем и нижнем волокнах, при этом примем, что напряжения, полученные в сжатых волокнах будем считать отрицательными, а в растянутых - положительными:

-34-

вертв 0,1506566,8 2,065 7772кПа 7,772МПа;

вертн 0,1506566,8 1,643 6184кПа 6,184 МПа.

Методика расчета напряженного состояния кузова вагона от растягивающих и сжимающих продольных сил. Ввиду ограниченности объема данного печатного издания, опустим вывод формул для нахождения напряжений. После ряда преобразований их можно представить в виде:

Для усилия растяжения:

где Nраст, Nсж - соответственно продольные усилия растяжения и сжатия, рекомендуемые нормативной документацией при расчетах на прочность (см. таблицу 2.1);

-35-

FΣ - суммарная площадь поперечного сечения кузова вагона, может быть найдена по формуле: FΣ = ΣFi;

уа - расстояние от линии действия продольной силы до центра тяжести поперечного сечения кузова y0, может быть определено по формуле: уа = y0 - ha + hхр;

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

Таблица 2.1 - величины продольных нагрузок при расчете на прочность

вагона (знаменатель формулы 2.1):

FΣ = 169,48 + 945,62 = 1115,1 см2 = 0,1115 м2.

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

-36-

уа = 1,643 - 1,06 + 0,907 = 1,49 м.

Теперь, когда все исходные данные определены, произведем оценку прочности по I расчетному режиму конструкции кузова от воздействия продольных сил по формулам (2.6), (2.7):

Для усилия растяжения по I режиму:

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: kраст = 1/2,5 и kсж = 1/3, получим:

Для усилия растяжения по III режиму:

-37-

раств 282,,665 11,46 МПа;

растн 632,,065 25,22 МПа.

Для усилия сжатия по III режиму:

сжв 343,,039 11,46 МПа;

сжн 753,,670 25,22 МПа.

Перейдем к вычислению суммарных напряжений от вертикальных и продольных воздействий на кузов вагона. Для их нахождения необходимо сложить напряжения, полученные по формуле (2.4) и по формулам (2.6), (2.7). Результаты сведем в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 – суммарные напряжения в конструкции, МПа

В соответствии с таблицей 2.2 кузов рассмотренного вагона удовлетворяет требованиям по прочности.

-38-

2.2 Оценка усталостной долговечности кузова вагона

Для «жесткой» оценки усталостной долговечности кузова вагона можно использовать детерминированное решение этой задачи, которое находит применение в машиностроении при оценке надежности ответственных агрегатов.

Оценку называем «жесткой» поскольку будет принято, что все циклы воздействия переменных напряжений регулярны и реализуются с максимальными амплитудами.

В основе выполняемого расчета, как и других детерминированных и стохастических методов, используется кривая усталости и в уравнение этой кривой.

Усталостную прочность кузова грузового вагона будем оценивать по коэффициенту запаса n:

где σ-1k – усталостная прочность материала рассматриваемой конструкции с учетом коэффициента концентрации напряжений:

1k k 1 (2.9)

σ-1 – предел усталостной прочности материала конструкции, для кузовов условно примем σ-1 = 210 МПа;

-39-

kσ – коэффициент концентрации напряжений, который принимается согласно «Нормам» и приведен в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - приближенные средние значения эффективного коэффициента концентрации напряжений kσ.

-40-

σN – величина амплитуды динамических напряжений, возникающих в конструкции:

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

m 0,05 1 1,2; (2.11) k

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 = nуд·Тсл. (2.13)

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