Определение расчетных нагрузок на трамвай Расчетные нагрузки на колесные пары и кузов

Нагрузки, действующие на элементы механического оборудования трамвая, разделяют на статические и динамические.

К статическим относятся: вес, находящегося в покое трамвая или часть веса, приходящаяся на рассчитываемую деталь и полезная нагрузка, т.е вес пассажиров с багажом.

Во время движения на трамвай действуют динамические нагрузки, возникающие от взаимодействий между ходовыми частями и верхним строением пути, от действия сил инерции при разгоне и торможении трамвая, при колебаниях от взаимодействия между отдельными звеньями трамвайного поезда. Динамические нагрузки определяются конструкцией и состоянием его механического оборудования и путевых устройств. Механическое оборудование трамвая подвергается также воздействию нагрузок, связанных с работой тягового двигателя, устройств механического тормоза, с технологией изготовления и сборки. При расчетах различных частей и узлов механического оборудования на прочность принимают наиболее невыгодные из возможных сочетаний расчетных нагрузок. Для удобства они приводятся к силам, действующим в направлении вертикальной, продольной и боковой осей трамвая и к моментам, относительно тех же осей.

Вертикальные нагрузки состоят из статических и динамических.

Статическими являются нагрузки от собственного веса и веса полезной нагрузки. Их сумма представляет собой полный вес трамвая. Под статической нагрузкой отдельной детали понимается общий вес элементов механизмов и электрооборудования, приходящегося на эту деталь, включая ее вес. Полезная нагрузка зависит от наполнения трамвая, т.е. веса пассажиров и багажа.

При проектировании ходовых частей статическая нагрузка на рассчитываемую деталь определяется в общем случае выражением:

, где

- общий вес кузова с пассажирами при расчетном n и G_{пас.рас.}= 75 кг

 - коэффициент статического распределения веса кузова между ходовыми частями трамвая при расчетной вместимости.

- вес элементов ходовой части, воспринимаемый рассчитываемой деталью.

к - число элементов ходовой части.

G_д – собственный вес детали.

Для оценки вместимости трамвая принято учитывать нормальное (среднее) и максимальное (расчетное) наполнение. Разница этих показателей состоит в степени заполнения свободной площади пола стоячими пассажирами. При этом, количество мест для сидения остается неизменным.

Вместимость: , где

n_сид – количество мест для сидения;

α – количество стоячих пассажиров на 1 м²;

S – свободная площадь пола, проходов и накопительных площадок в салоне вагона.

Номинальная норма полезной площади пола на 1 стоячего пассажира в трамвае: 0,3..0,35 м². При нормальном заполнении трамвая количество стоячих пассажиров принимают из расчета 5 человек на 1 м² свободной площади пола. При максимальном наполнении – 10 человек на 1 м².

Таким образом, при расчете вертикальной статической нагрузки возникает необходимость определения собственного веса кузова и ходовых частей трамвая и расчета общего веса пассажиров, а также распределение нагрузки от собственного веса кузова и веса пассажиров между элементами кузова и ходовых частей.

Собственный вес кузова G_T определяется размерами, конструкцией и материалами, применяемыми для изготовления трамвая.

При проверочных прочностных расчетах величины G_k, G_i и G_Д - определяются по весовым ведомостям трамвая, а при новом проектировании соответствующим расчетом.

При расчетах на прочность трамвая принимается, что собственный вес и полезная нагрузка равномерно передаются на рамы кузова и тележек. Для трамвайных 2-х и 4-хонсых вагонов разница в весе ,приходящимся на переднюю и заднюю оси не более 10%, однако у вагонов с односторонним управлением центр масс обычно располагается ближе к передней части вагона. В этом случае расчет ходовых частей на прочность должен проводится для наиболее нагруженной стороны вагона.

Положение центра масс определяет не только распределение статического веса кузова между ходовыми частями, но также величину добавочных нагрузок на элементы кузова ходовые части от центробежных сил и сил инерции при разгоне и торможении, т.к. последние прикладываются в центре масс соответствующего элемента трамвая. Координаты центра масс необходимо знать и при оценке устойчивости трамвая.

Вычисление координат центра масс расчетным путем относительно произвольно выбранной системы координат производится по следующим формулам

, , где x_c и h_c – координаты центра масс на продольной и вертикальной осях выбранной системы координат.

суммы статических моментов отдельных элементов, включая нагрузку от пассажиров относительно той же системы координат.

- сумма весов элементов оборудования, включая нагрузку от пассажиров.

Вертикальная динамическая нагрузка обусловлена ускорениями подрессоренных частей механического оборудования, возникающими при вертикальных колебаниях кузова трамвая, движении по неровностям пути и рельсовых стыков и др. Точное определение величины динамических нагрузок, действующих на деталь механического оборудования является сложной задачей.

Это обуславливается тем, что большие динамические нагрузки могут возникать в самых различных условиях эксплуатации.

Теоретическое определение динамических нагрузок проводится лишь для ограниченного числа случаев и при значительных упрощениях. Значит чаще для этой цели используются экспериментальные данные или эмпирические формулы при обработке полученных опытных данных.

Динамические усилия определяются умножением собственного веса всех элементов механического оборудования, нагружающего рассчитываемую деталь, включая ее собственный вес и вес полезной нагрузки на коэффициент вертикальной динамики

, где

F_max – максимальная динамическая нагрузка детали в расчетном режиме.

F_ст – статическая нагрузка

При расчете подрессоренных частей трамвая коэффициент вертикальной динамики определяются с учетом скорости движения, жесткости подвески и места расположения рассчитываемой детали по следующей формуле:

, где

A, C – постоянные величины, для кузова А = 0,05, С = 0,72, для подрессоренных частей тележки А = 0,2, С = 1,44

f’_cт, f”_ст – прогибы рессор под статической нагрузкой соответствующего буксового и колесного подрессоривания в см.

v – скорость расчетного режима, м/с

Для расчета упругого подрессоривания рекомендуется следующее выражение:

x – коэффициент дополнительной нагрузки от вертикальной динамики подрессоренных масс.

Для определения коэффициента вертикальной динамики кузова трамвая используется следующая формула:

, где

С – жесткость упругого подрессоривания

f_ст – прогиб рессор кузова под статической нагрузкой

z – динамический прогиб рессор, т.е. амплитуда колебаний кузова на упругих элементах.

В прочностных расчетах в выражениях положительного значения z k_д берется большем единицы.

Динамические нагрузки, действующие на неподрессоренные части трамвая, обуславливаются в основном силами, возникающими в результате динамического взаимодействия колес с неровностями рельсового пути.

Основываясь на опыте проектирования и испытаний трамваев, величина коэффициента вертикальной динамики принимается :

при расчетах кузова k_д =1,1..1,5

при расчете подрессоренных элементов k_д =1,2..1,25.