1.1. Определение статических сил, действующих на вагон

Для грузовых вагонов максимальная масса брутто определяется по допускаемой величине статической осевой нагрузки от колесной пары на рельсы р₀ и числу колесных пар т₀ в вагоне:

(1.1)

При использовании полной грузоподъемности Р и тары Т сила тяже­сти вагона брутто равна

Р_бр=Т+Р. (1.2)

Тогда общая формула для определения статической нагрузки, действующей на любую деталь вагона, имеет вид

(1.3)

где Р_ч — вес частей и укрепленного на них оборудования, через кото­рые нагрузка передается от рассчитываемой детали вагона на рельсы;

т — число одинаковых, параллельно загруженных деталей.

Для определения вертикальной статической нагрузки, действующей на рессорный комплект двухосной тележки грузового четырехосного вагона, получим выражение

(1.4)

где Р_Т — масса двухосной тележки; Р_нб— масса надрессорной балки тележки. Необходимо заметить, что при расчетах деталей на прочность в статическую нагрузку, действующую на деталь, включается и собствен­ный вес рассчитываемой детали.

Величина и характер приложения полезной нагрузки для универсаль­ных грузовых вагонов, а также для грузовых и пассажирских специаль­ного назначения указываются в техническом задании на проектирова­ние. Для других пассажирских вагонов полезная нагрузка определяется произведением расчетной населенности вагона на массу пассажира с багажом. Для вагонов дальнего следования расчетную населенность принимают равной наибольшему числу мест, предусмотренному при эксплуатации вагона, а для вагонов пригородного, местного и межобластного сообщения - по числу мест для сидения и числу стоящих пассажиров.

1.2. Нормирование расчетных сил и расчетные режимы нагружения

При оценке нагруженности вагонов, их узлов в соответствии с нор­мами регламентируют все основные и дополнительные силы, действую­щие на вагон.

К основным силам, действующим на вагон, относятся:

• собственная сила тяжести конструкции (тары вагона) и сила тяжести груза;

• силы инерции, возникающие при колебаниях вагона при его движении по неровностям железнодорожного пути;

• силы, возникающие при движении вагона по переходным, круговым кривым и стрелочным переводам;

• силы, имеющие волновой или ударный характер и возникающие в горизонтальной продольной плоскости при различных режимах движения поезда и маневровой работе;

• аэродинамические силы (силы давления ветра и т.п.).

Конструкции вагонов различаются в зависимости от назначения, условий эксплуатации. Поэтому вместе с перечисленными выше силами при расчетах дополнительно учитываются:

• силы гидравлического удара в котлах цистерн, баках,

резервуарах;

• силы давления жидкостей и газов при перевозке их в котлах цистерн, грузовых емкостях бункерных вагонов.

Перечисленные выше силы при расчетах и проектировании вагонов приводят к следующим основным схемам их приложения:

• вертикальная нагрузка;

• боковая нагрузка;

• продольная нагрузка;

• группы самоуравновешенных сил (вертикальных кососимметричных, горизонтальных от распора сыпучих грузов и др.).

Кроме того, при оценке нагруженности вагонов необходимо учиты­вать силы, действующие при механизированной погрузке и выгрузке; внешние силы, которые действуют на вагон при постройке и ремонте; внутренние силы, возникающие при постройке и ремонте вагонов от использования важнейших технологических факторов; силы, действую­щие на вагон при его перевозках на паромах.

При оценке прочностных и усталостных свойств отдельных узлов и деталей вагонов необходимо также учитывать дополнительные силы от колебаний навесного оборудования, силы давления воздуха в тормозных цилиндрах, резервуарах; силы, действующие на увязочные устройства при перевозке штучных грузов, и т.д.

Напряжения, возникающие от действия дополнительных сил, обычно суммируются с напряжениями от основных сил.

Нормами для расчета и проектирования вагонов установлены два основных и один дополнительный расчетные режимы.

I расчетный режим. Этому режиму для грузовых вагонов соответ­ствуют силы, возникающие при трогании состава повышенной массы и длины с места и его осаживании, при производстве маневровых работ и соударении вагонов, при экстренном торможении в поездах, движущих­ся с малыми скоростями, а для пассажирских вагонов — силы, возникающие при маневрах и аварийном соударении, при столкновении вагонов в нештатных ситуациях, а также при аварийном рывке (толчке) вагона, движущегося в составе грузового поезда.

Основным требованием этого режима является недопущение появ­ления остаточных деформаций (повреждений) в узле или детали вагона

при действии достаточно резкого сочетания экстремальных значений нагрузок.

Величины продольных нагрузок для I режима при расчете на проч­ность принимаются равными:

при действии сжимающих сил квазистатические силы и силы при ударных процессах (удар) для грузовых вагонов основных типов соответственно составляют 3 и 3,5 МН; для изотермических вагонов, хоппер-дозаторов, вагонов-самосвалов — 2,5 и 3 МН; для пассажирских вагонов всех типов — 2,5 МН в обоих случаях;

при действии растягивающих сил уровень квазистатической силы и уровень импульсных усилий растяжения (рывок) соответственно для грузовых вагонов принимаются равными 2,5 МН в обоих случаях, а для пассажирских вагонов — 1,5 и 2 МН.

Время действия импульсных усилий (удара и рывка) принимается равным 0,3 с.

При расчетах по I режиму допускаемые напряжения необходимо принимать близкими к пределу текучести или пределу прочности в зависимости от свойств материала и характера приложенной нагрузки (ударный или волновой процессы).

II дополнительный специальный расчетный режим. Этот расчетный режим устанавливается для отдельных типов вагонов, а необходимость проведения расчета указывается в техническом задании на проектирование. При расчетах учитывают силы, создающие неблагоприятное сочетание нагрузок для данного типа вагона (при ремонтных операциях, погрузочно-разгрузочных работах и т.д.).

III расчетный режим. Этому режиму в условиях эксплуатации соответствуют силы, возникающие при движении вагона в составе поезда по пря­мым, кривым участкам пути и стрелочным переводам с допускаемой скоро­стью вплоть до конструкционной при периодических служебных регулиро­вочных торможениях, периодических умеренных (при незначительном из­менении ускорений) рывках и толчках, нормальной работе механизмов и узлов грузовых и пассажирских вагонов. Основное требование режима — недопущение усталостного разрушения узла или детали вагона при достаточно частом дейст­вии возможных сочетаний умеренных по величине на­грузок, соответствующих нормальной работе вагона в движущемся поезде. Для III режима величины продольных нагрузок при расчете на проч­ность грузовых вагонов основных типов, изотермических, пассажирских вагонов, хоппер-дозаторов, вагонов-самосвалов соответственно для сжимающих и растягивающих сил (квазистатические силы и силы от ударных воздействий, рывков) принимаются равными 1 МН. При рас­четах по III режиму допускаемые напряжения определяют исходя из пределов выносливости материала с учетом совместного действия ква­зистатических, вибрационных, ударных нагрузок, влиянии коррозии металла и т.д.

1.3. Определение нагрузок, действующих на вагон

При расчетах вагонов на вертикальную нагрузку необходимо учиты­вать собственную силу тяжести (тару) вагона, силу тяжести (вес) груза и вертикальную динамическую нагрузку, которая возникает при колеба­ниях и взаимодействии вагонов при движении поезда и маневровой работе.

Для каждой рассчитываемой детали вагона величина собственной силы тяжести определяется суммарной силой тяжести всех частей ваго­на, нагружающих эту деталь, включая и силу тяжести самой детали. При расчетах в собственную силу тяжести включается также расчетный вес предметов экипировки вагона.

Сила тяжести груза (грузоподъемность вагона) и характер ее приложения для грузовых и изотермических вагонов устанавливаются техни­ческим заданием на проектирование.

Для пассажирских вагонов сила тяжести груза определяется с учетом массы пассажиров с багажом в соответствии с расчетной населенностью вагона. Расчетная населенность для различных типов пассажирских вагонов определяется так:

• вагоны дальнего сообщения — по наибольшему числу мест, предусмотренных при эксплуатации вагона;

• вагоны межобластного (местного) сообщения — по проектному числу мест для сидения и количеству стоящих пассажиров из расчета 5 человек на 1м² свободной площади пола включая тамбуры и проходы;

• второй этаж двухэтажного вагона — по проектному числу мест для сидения и количеству стоящих пассажиров из расчета 4 человека на 1 м² свободной площади пола.

При расчетах средняя масса пассажира с багажом принимается рав­ной