Частини візків вантажних і пасажирських вагонів розраховуються на найбільші навантаження, що діють в найбільш невигідному, але можливе в експлуатації поєднанні. Розрахунковими навантаженнями для основних частин візків є статична, вертикальна динамічна, бічні від дії відцентрової сили і вітру, сили інерції і гальмівні.
Статичне навантаження на візок Qст (рис. 1) визначається за формулою
де Q - корисне навантаження на вагон;
T'- тара вагону без візків.
Розглядаючи кузов вагона як балку на двох опорах (підп'ятники задньої (2) і передній (1) візків), знайдемо, як розподіляється навантаження на них:
на підп'ятник передньої візки діє
а на підп'ятник заднього візка
де l1 і l2 - відстані від центра ваги вагона з вантажем до підп'ятника відповідно передній і задній візків по горизонталі;
S - база вагона.
Мал. 1 - Розподіл навантаження між візками вагонів
Для розрахунку вибирається найбільш навантажена візок. При вантаж, рівномірно розподіленому по всьому вагону, і симетричною конструкції кузова, що справедливо для більшої частини вагонів, матимемо
Вертикальна динамічне навантаження Qд визначається шляхом множення статичного навантаження Qст на коефіцієнт вертикальної динаміки kд:
Горизонтальні навантаження викликають додаткове вертикальне завантаженість візків з одного боку вагона і відповідне разгружение - з іншого.
Додаткова вертикальне навантаження на підп'ятники від сил інерції Qи. що виникає при гальмуванні, становить
де Рі - поздовжня сила інерції вагона без урахування колісних пар.
Додаткові вертикальні навантаження на ськользун, що виникають під дією відцентрової сили Pц і сили вітру Рм. визначаються візками вагона за формулою
де Hц і hв - відстані по вертикалі між векторами сил Рц і Рв і площиною П'ятники;
а - відстань між П'ятники і ковзунами.
Поперечна горизонтальна (бічна) навантаження Рг на пятник від відцентрової сили Рц вагона і тиску вітру на його кузов Рм для одного візка визначається за формулою
Вертикальні сили врівноважуються двома реакціями QА і QB.
- рух вагона по прямій (відсутній відцентрова сила) при екстреному гальмуванні (діє сила інерції), коли відсутня сила вітру;
- рух по кривій (діє відцентрова сила) під час екстреного гальмування при наявності сили вітру.
де l - розрахункова довжина балки, що дорівнює відстані між центрами ресорних комплектів.
У другому випадку кузов нахилиться на бічні скользуни, при цьому вертикальне навантаження розподілиться між підп'ятником і ковзуна (рис. 2, в). Для визначення реакції QA опори А складемо рівняння моментів щодо опори В
Реакцію опори В визначимо, склавши рівняння моментів щодо опори А,
Згинальний момент посередині дорівнює
Як видно з останнього виразу, момент в середньому перерізі в цьому випадку менше, ніж в першому (див. Формулу (6)) на величину. Тому для
У перетині балки в місці установки ковзуна (див. Рис. 2, в) при другій схемі дії сил створюється більший момент, ніж при першій (див. Рис. 2, б). Тому розрахунковий згинальний момент для цього перерізу буде дорівнює
Основною силою, що діє поперек поздовжньої балки і згинального її в горизонтальній площині, є сила інерції, яка виникає при екстреному гальмуванні. Вважають, що вона сприймається одночасно обома візками. Тому на одну візок в опорній площині подпятника діє горизонтальна сила
Найбільший момент від РГІ. чинний в середньому перерізі, становить
Напруги від моменту, що вигинає балку у вертикальній площині (рис. 4, а), складають:
в середньому перерізі
в перетині по ковзуна
де Wx1 і Wx2 - відповідно моменти опору в перетинах середньому і по ковзуна щодо осі хх.
Напруги від моменту, що вигинає балку в горизонтальній площині (рис. 4, б), рівні:
в перетині по ковзуна
де Wy1 і Wy2 - відповідно моменти опорів в перетинах середньому і по ковзуна щодо осі уу.
Аналогічно для перетину в місці установки ковзуна:
За умовами міцності конструкції ці сумарні напруги не повинні перевищувати гранично допустимих.
Поняття про розрахунок литий бічної рами
Лита бічна рама (боковина) (рис. 5, а) є монолітною конструкцією; вона має складну форму, поперечні перерізи її елементів змінні. Все це ускладнює розрахунок боковини, робить його складним і громіздким. Відповідно завантаженість боковину розраховують на вертикальні (статичні, динамічні, вертикальні від бічних сил) і горизонтальні навантаження.
Мал. 5 - Розрахункова схема боковини візка
Внаслідок жорсткості вузлів боковини изгибающие зусилля передаються не тільки на її пояса, до яких прикладена навантаження, але і на інші елементи (стержні), викликаючи додаткову напругу від вигину. Взаємний вплив деформацією cтержней створює додаткові невідомі зусилля в стрижнях, і число невідомих виходить більше, ніж число рівнянь статики. У цьому випадку говорять, що система статично невизначена.
Розрахунок статично невизначених систем проводиться, як відомо з курсу «Опір матеріалів», спеціальними методами, одним з яких є метод сил.
Сутність розрахунку боковин за методом сил полягає в наступному:
- Попередньо на основі досвіду експлуатації наявних конструкцій або за приблизними підрахунками вибирають основні лінійні розміри боковини, кути нахилу її стрижнів, форму і розміри перетинів всіх її елементів.
- На підставі попередніх даних складають розрахункову схему боковини (рис. 5, б), яка умовно зображується лініями, що проходять через центри тяжкості перетинів її елементів; призводять необхідні розміри (l1. l2 і ін.) і показують схему дії навантаження Р. Зазвичай вважають, що навантаження передається на нижній пояс в трьох точках (для комбінованого ресорного комплекту) відповідно жорсткості елементів ресорного комплекту. Штриховими лініями на (рис. 5, б) показано (перебільшено), як вигнута стрижні боковини, що має опори в точках А і В, під дією навантаження.
- Перетворюють розрахункову систему в статично визначену шляхом усунення зайвих зв'язків. Для цього кожен замкнутий контур боковини розрізають в одному місці, чому внутрішні сили, що діють в місці розрізу, стають внешнімі.Так як величина і напрямок цих сил невідомі, то в місці розрізу прикладаються можливі силові фактори - нормальні і поперечні сили, згинальні моменти. З огляду на, що ліва і права частини розрізаного елемента повинні залишитися в положенні рівноваги, однойменні силові фактори, що діють на ці частини, повинні бути рівні за величиною; напрямок однойменних силових факторів може бути вибрано будь-яким, аби вони були протилежно спрямовані відносно один одного. Чи правильно вибрано напрямок покаже знак перед числовим значенням даного силового фактора який вийде в результаті. Цю ж статично визначену систему, в якій зовнішніми силами є тепер не тільки навантаження, але і невідомі силові фактори в розрізах, називають основною системою.
- Для основної системи записують систему рівнянь, число яких дорівнює числу невідомих зусиль, Вирішивши систему рівнянь, знаходять невідомі силові фактори. Рівняння записують виходячи з того, що відносне переміщення частин стержня в місці розрізу від суми всіх діючих зовнішніх і внутрішніх сил, тобто зовнішнього навантаження і невідомих силових факторів, повинна дорівнювати нулю, так як в дійсності боковина не має цих розрізів.
- Визначивши силові фактори, будують остаточні повні епюри поперечних і нормальних сил згинальних моментів. Потім підраховують напруги від вигину, розтягування (стиснення) і зрізу, виходячи з попередньо обраних розмірів і форм перетинів елементів боковини та отриманих епюр. За результатами підрахунку напруг коригують розміри поперечних перерізів.
Згідно представленої сумарною епюрі згинальних моментів (рис. 5, в) найбільші моменти виникають в середині нижнього пояса в точках A і В, де перетину відповідно посилені.
Розрахунок візків пасажирських вагонів
Візок пасажирських вагонів є складною і відповідальною частиною вагона і при русі всі її елементи сприймають комплекс сил, що викликають в її вузлах і деталях напруги. Найбільш складним і трудомістким є розрахунок рам візків. При виконанні попередніх розрахунків рами поздовжні і поперечні балки можна розглядати як окремі балки, вільно спираються або забиті по кінцях. У цьому випадку при розрахунку на міцність визначають порівнянням з допускаються напругою сумарних найбільших напружень від дії всіх навантажень. Окремих елементах рами візка, особливо вузлів з'єднання балок і вузлів, в яких укріплені деталі підвішування, гальмівній системі і іншим, в яких внаслідок концентрації напружень вірогідні небезпечні стану, при розрахунку приділяють велику увагу.
Розрахункова схема рами візка представляє собою просторову стрижневу систему, утворену лініями, що проходять через центри тяжкості перетинів балок закритого профілю і через центри вигину перетинів для балок відкритого профілю (рис. 6).
Мал. 6 - Розрахункова схема візки пасажирського вагона
При розрахунку рам візків враховують такі основні навантаження, що діють на раму: вертикальна статичне навантаження Рст від маси брутто кузова і частин візка, що спираються на раму, при симетричній схемі реакцій пружин; вертикальна динамічне навантаження, що визначається множенням статичного навантаження на коефіцієнт вертикальної динаміки kд. сили, що скручують раму і обумовлені іесімметрічностью реакцій буксових пружин під дією вертикальної статичної та динамічної навантажень (кососімметрічная навантаження).
Кососімметрічная навантаження для двовісних візків складається з чотирьох рівних сил, прикладених до буксує. Дві з цих сил, розташовані по діагоналі, діють вгору, а дві інші - вниз. Ці сили викликаються різними несиметричними факторами, зокрема нерівностями шляху і допусками на виготовлення і знос окремих елементів візків. Враховуються також сили взаємодії коліс з рейками, що виникають при русі вагона по кривій. Розрахунок рам візків повинен виконуватися точними методами будівельної механіки, так як наближені методи не забезпечують точних результатів, а недостатня міцність елементів візків створює загрозу безпеці руху поїздів.
Окремі деталі центрального підвішування (підвіски, тяги, сережки, шарнірні валики, опорні балки) розраховуються на наступні сили:
Колискові підвіска розраховується на найбільше навантаження
де Р2 - вертикальне навантаження на підресорною балку;
γ - кут підвісок з вертикаллю.
При визначенні вертикального навантаження Р2 для даного випадку замість Qст слід приймати найбільшу вертикальну силу, рівну (1 + kд) Qст + Qи. Тоді, позначивши для даного випадку Р2 через Р'2 отримаємо для однієї підвіски:
де Qст - статичне навантаження, що визначається за формулою (1);
Qи - навантаження від сил інерції при гальмуванні;
Рг - горизонтальна сила, яка визначається за формулою (5);
h1 - висота точки прикладання Рг над рівнем головки рейки;
L - відстань між опорами.
Напруги σ в середній частині підвіски визначаються в залежності від величини сили U'2.
При розрахунку повинна виконуватися умова міцності
де Fп - розрахункова площа поперечного перерізу підвіски;
2 - коефіцієнт, що враховує наявність двох підвісок з кожного боку люльки;
[Σ] - допустиме напруження для сталі підвіски.
Так як підвіски несуть на собі кузов пасажирського вагона, то їх виконують з міцніших сортів стали, щоб мати підвищений запас міцності.
Опорні (подлюлечние) балки розраховуються за схемою, наведеною на (рис. 7). Розрахунковими формулами є:
Цапфи опорних балок і валики люлечних підвісок розраховуються на зріз і зминання за формулами, з курсу «Опір матеріалів».
Мал. 7 - Схема для розрахунку опорної балки