2 Разработка расчетных конечно-элементных моделей для оценки остаточной прочности кузовов вагонов-цистерн

2.1 Составление расчетной схемы для расчета на прочность

вагона-цистерны методом конечных элементов

Четырехосная цистерна модели 15-1443 для светлых нефтепродуктов состоит из котла, опирающего через средние и концевые опоры на раму, ходовых частей, автосцепного устройства и тормозного оборудования.

Котел (рисунок 2.1) включает цилиндрическую обечайку, сваренную из пяти продольных листов (нижнего 1 – толщиной 11 мм, двух боковых 2 и двух верхних 3 – 9 мм), и два днища 4 толщиной 10 мм. Для налива нефтепродуктов, осмотра внутренней части котла и его очистки используется люк 5 диаметра 570 мм, герметически закрываемый крышкой.

Рисунок 2.1 – Котел цистерны для перевозки нефтепродуктов

Все продольные листы и днища котла соединены стыковыми сварными швами. Внутренний диаметр котла 3000 мм, а наружная длина – 10,77 м. Котел изготовлен из стали 09Г2С.

Котел на раме крепят в средних и концевых ее частях. Для предотвращения вертикальных и поперечных смещений предусмотрены стяжные хомуты, которыми концевые части котла при помощи винтовых муфт крепятся к крайним опорам.

Расчетная модель вагона–цистерны модели 15-1443 выполнена пространственной (рисунок 2.2). Для моделирования использовались (см. рисунок 2.2) плоские пластинчатые 3-х и 4-х угольные конечные элементы.

Рисунок 2.2 – Расчетная конечно-элементная модель вагона-цистерны

диаметром 3000 мм

Параметры расчетной модели следующие: количество узлов – 39563, количество конечных элементов – 38653.

Котел цистерны диаметром 3000 мм модели 15-1443 рассчитывается на внутреннее давление и вертикальную нагрузку от собственной массы котла и перевозимого груза.

Внутренне давление на стенки котла

, (3.1)

где – давление паров жидкости, кгс/см²;

– давление от гидравлического удара распределенное линейно по длине котла (рисунок 2.3).

Максимальное давление от гидроудара

, (3.2)

где – нормальное продольное усилие, приложенное к упорам автосцепки, =250 тс;

– масса жидкости перевозимая в котле, = 60 т;

– масса брутто вагона, = 83,2 т;

Рисунок 2.3 – Распределение давление в котле при гидроударе

кгс/см².

Суммарное давление у днища

кгс/см²

2.2 Определение расчетных нагрузок

Основные параметры вагона

Исходные данные:

1 Осевая нагрузка – 245 (24,5) кН (тс);

2 Грузоподъемность – 76 т;

3 База вагона – 14,86 м;

4 Масса вагона брутто – 94 т;

5 Высота центра масс кузова вагона от уровня головок рельсов – 2,47 м;

6 Высота оси автосцепки от уровня головок рельсов – 1,06 м;

7 Высота центра тяжести от уровня продольных осей автосцепок – 1,4 м.

2.3 Описание основных расчетных схем и расчетных режимов

«Нормами для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» [12] установлено два основных расчетных режима и один дополнительный специальный. Основные продольные, вертикальные, боковые и самоуравновешенные нагрузки для расчета прочности грузового вагона по допускаемым напряжениям учитываются в соответствии с расчетными режимами в сочетаниях, приведенных в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Значения и сочетания основных нагрузок для расчета на прочность кузова грузового вагона

Наименование основных расчетных нагрузок	Величины нагрузок
	I расчетный режим	III расчетный режим
Продольные нагрузки	по п. 2.4 - 2.7	по п. 2.9 - 2.12
Вертикальные нагрузки: – сила тяжести брутто – вертикальная динамическая нагрузка – вертикальная добавка от продольной силы инерции кузова	по п. 2.4 - 2.7 не учитывается по п. 2.4 - 2.7 при	по п. 2.9 - 2.12 по п. 2.9 - 2.12 при не учитывается
Боковые нагрузки – центробежная сила – поперечная составляющая Продольной квазистатической силы	не учитывается по п. 2.4 - 2.7 при ,	по п. 2.9 - 2.12 не учитывается

По I расчетному режиму рассматривается относительно редкое сочетание экстремальных нагрузок. Основное требование при расчете на прочность по этому режиму – не допустить появления остаточных деформаций (повреждений) в узле или детали. В эксплуатации I режиму расчета соответствуют для грузовых вагонов осаживание и трогание тяжеловесного состава с места, соударение вагонов при маневрах, в том числе при роспуске с горок, экстренное торможение в поездах при малых скоростях движения, а также аварийный рывок (толчок) вагона при следовании в грузовом поезде.

По III расчетному режиму рассматривается относительно частое возможное сочетание умеренных по величине нагрузок, характерное для нормальной работы вагона в движущемся поезде. Основное требование при расчете по этому режиму – не допустить усталостного разрушения узла или детали. В условиях эксплуатации III режиму расчета соответствует случай движения вагона в составе поезда по прямым и кривым участкам пути и стрелочным переводам с допускаемой скоростью вплоть до конструкционной при периодических служебных регулировочных торможениях, периодических умеренных рывках и толчках, штатной работе механизмов и узлов вагона.