Розрахунок елементів кузова на міцність

6. Розрахунок елементів кузова на міцність

 

6.1 Розрахунок шворневої балки

В даному розділі всі розрахунки проводжу згідно методичних вказівок [4].

Особливістю конструкції рами даної цистерни являється те, що поздовжні балки майже не беруть участь в сприйманні основних вертикальних навантажень. Це пояснюється великою жорсткістю котла в порівнянні з жорсткістю поздовжніх балок, внаслідок чого майже все навантаження від котла передається на крайні опори, а від них на візки. Шворневі балки завантажені вертикальними силами і при прикладенні до їх кінців зусиль, необхідних, наприклад, для підйому котла, в цих балках виникають значні напруження. Саме тому в проводимо розрахунок її на міцність.

Найбільш невдалими варіантами завантаження шворневої балки являється: рух цистерни з максимальною швидкістю при різкому гальмуванні її, а також піднімання завантаженої цистерни домкратами, підведеними під кінці шворневих балок.

Експлуатаційний режим навантаження:

Рух з мінімальної швидкістю при торганні поїзду з місця, осаджування або гальмування поїзду, при малих швидкостях руху. В цьому випадку котел з рамою опирається на підп’ятник візка і схема навантаження шворневої балки буде мати вигляд:

Рисунок 3.1 – Схема навантаження шкворневої балки

Навантаження на шворневу балку становить:

а) від ваги шворневої балки

(6.1)

т/м

б) від ваги котла з вантажем

, (6.2)

де G_ш – маса шворневої балки;

G_к – маса котла з всіма закріпленими на ньому вузлами;

G_ж – маса вантажу;

- напівширина рами по шворневим балкам;

- половина проекції опори котла.

в) від сили інерції при екстреному гальмуванні

Сила інерції котла з вантажом при І режимі навантаження складе:

(6.3)

Додаткове вертикальне навантаження на шворневу балку при цьому буде становити:

, (6.4)

де  – поздовжня сила розтягу, стиснення;

- маса вагона брутто;

- база цистерни;

- відстань від поздовжньої осі котла до осі автозчепу.

Інтенсивність - рівномірно розподіленого навантаження на шворневу балку становитиме.

(6.5)

Згинальний момент в розрахунковому перерізі на відстані х від середини шворневої балки.

(6.6)

Розрахуємо значення згинального моменту в характерних перерізах (х₁=1415, х₂=1350, х₃=520, х₄=180, х₅=0).

Найбільші напруження виникатимуть в п’ятому перерізі і становитимуть:

, (6.7)

де W – момент опору волокон перерізу шкворневої балки

Ремонтний режим навантаження шворневої балки:

В даному випадку навантаження домкрату прикладаються на відстані

300 мм від вертикальної вісі поперечного перерізу шворневої балки, середина під домкратної планки зміщена від осі шворневої балки в сторону поздовжньої бокової. Розрахункова схема наведена на рис. 3.2

Рисунок 3.2 – Розрахункова схема навантаження

Визначаємо навантаження які діють на балку:

а) від ваги шворневої балки

(6.8)

т/м

б) від ваги котла з вантажем

, (6.9)

де G_ш – маса шворневої балки;

G_к – маса котла з всіма закріпленими на ньому вузлами;

G_ж – маса вантажу;

- напівширина рами по шворневим балкам;

- половина проекції опори котла.

Реакції опор (домкратів) становитиме:

, (6.10)

де  – маса цистерни без візків.

Згинальний момент в розрахункових перерізах становитиме:

(6.11)

Напруження від згинального моменту становитимуть:

(6.12)

Ексцентричне прикладання навантаження домкрату до кінця шворневої балки створює крутний момент. Жорстке з’єднання її з хребтовою балкою призводить до появи в ній напружень від стиснутого кручення. Зазвичай таке кручення враховується лише при крученні брусів з відкритим перерізом і досить великими полками. Зважаючи на те, що шворнева балка має замкнутий профіль стиснення не враховується і дотичні напруження будемо визначати за формулами вільного кручення.

З метою спрощення розрахунків та забезпечення додаткового запасу міцності при обрахунках моменту опору враховуємо лише прямокутна коробчата частина перерізу шкворневої балки зображеної на рис. 3.3.

Рисунок 3.3 – Схема перерізу шворневої балки

Крутний момент від сили R_b, прикладеної на відстані 30 см від середини піддомкратної планки дорівнює:

М_к= R_b*30 (6.13)

М_к= 19*0,3=55,917кН/м

Дотичні напруження складають:

(6.14)

Тоді, еквівалентне навантаження в розрахунковому перерізі дорівнюватиме:

(6.15)

Оскільки  для О9Г2С  – міцність шворневої балки забезпечена.

6.2 Розрахунок котла на внутрішній тиск

При розрахунку котла цистерни на внутрішній тиск використовуємо формули безмоментної теорії оболонок, визначимо напруження в металі в різних частинах котла, керуючись розрахунковою схемою котла цистерни:

Рисунок 6.1 – Розрахункова схема котла цистерни

Розрахунковий тиск в середині котла визначається як сума тисків парів рідини і тиску, утвореним при торганні з місця або при гальмуванні:

 

Р=Р_р+Р_{д ,} (6.16)

де Р_р – тиск парів рідини (0,15МПа);

Р_д – тиск рідини, виникаючий при торганні з місця або в процесі гальмування поїзду при максимальній допустимій швидкості (ІІІ режим)

Величина Р_д визначається по формулі:

, (3.17)

де Т_ін – сила інерції рідини;

R₁ – внутрішній радіус котла цистерни.

Сила інерції рідини при навантаженні цистерни по І режиму може бути визначена з формули:

, (6.18)

де G_ван – масса вантажу в котлі цистерни;

Q_бр – масса цистерни брутто.

Розрахунковий тиск в середині котла становить:

Р=0,25+0,15=0,399МПа

Напруження в оболочках котрі не підлягають згину називаються мембранними і можуть бути визначені по наступним формулам:

а) в поперечному перетині

(6.19)

б) в поздовжньому перетині

, (6.20)

де - товщина стінки циліндричної частини котла.

в) напруження в оболонці сферичного днища

, (6.21)

де - товщина днища;

R₂ – радіус сферичної частини днища.

г) в місцях з’єднання циліндричної частини котла до днища виникають додаткові напруження, величину яких можна вирахувати за емпіричними формулами С.В. Вершинского. Оскільки , то напруження будуть розраховуватися за формулою:

(6.22)

Міцність котла цистерни забезпечена, тому що  (, для сталі О9Г2С ) за І та ІІІ розрахунковими режимами.