2.4.2.2. Методы расчётов кузовов на прочность и устойчивость
В процессе эксплуатации на раму и кузов действует ряд внешних нагрузок. При прочностных расчетах обычно исходят из принципа независимости действия сил. Напряжения в элементах конструкции при каком–либо режиме находят как сумму напряжений, возникающих от каждого из видов нагрузки в отдельности. Наиболее существенными для прочности конструкции являются следующие нагрузки:
1. Вертикальные статические нагрузки отвеса оборудования, установленного в кузове, собственного веса конструкции и экипировочных материалов (запаса топлива, воды, песка, смазочных материалов). Напряжения от вертикальной нагрузки определяют для следующих случаев опирания кузова: а) на тележки (учитывается случай, когда все опорные реакции одинаковы, а также наиболее неблагоприятное распределение реакций опор при максимальной разнице, равной 30%, в том числе при кососимметричной нагрузке); б) на домкраты; в) аварийная подъемка локомотива за автосцепку;
2. Наибольшие тяговые усилия в режиме двойной тяги: а) при трогании с места; б) при конструкционной скорости; в) при скоростях, соответствующих резонансным состояниям, если они достаточно четко выражены;
3. Продольные усилия при растяжении или сжатии, приложенные по осям автосцепок и принимаемые обычно 2,5 МН для грузовых и 2 МН для пассажирских локомотивов;
4. Динамические вертикальные нагрузки, действующие при движении локомотива с конструкционной или резонансной скоростью; их определяют либо опытным путем при поездных испытаниях локомотива, либо расчетным путем, принимая их пропорциональными вертикальным статическим нагрузкам и считая коэффициент пропорциональности равным коэффициенту динамических добавок вертикальных сил кДВ;
5. Нагрузки на кузов при рывках и соударениях локомотивов, которые включают усилия, приложенные вдоль оси автосцепок, и силы инерции тележек и агрегатов, расположенных в кузове. Наибольшие значения усилий, приложенных по оси автосцепок, при этом принимают равными 2,5 МН для грузовых и 2,0 МН для пассажирских локомотивов, которые при существующих поглощающих аппаратах соответствуют соударениям со скоростями 5–7 км/ч.
При расчете шкворневых балок, шкворней, тяг, опорных балок и узлов крепления оборудования к раме продольные ускорения тележек и другого оборудования локомотива принимают равными 3g.
В качестве расчетных принимают режимы, соответствующие наиболее неблагоприятному сочетанию указанных нагрузок, действующих в условиях эксплуатации одновременно.
При оценке статической прочности кузова в качестве расчетных приняты следующие режимы:
трогание локомотива с места (нагрузки 1а и 2а);
движение локомотива в тяговом режиме (нагрузки 1а, 2б и 4);
ремонтно–аварийный (нагрузки 16 и 1в).
При оценке сопротивления усталости учитывают нагрузки 1а, 2б и 4, при оценке прочности кузова при соударениях– нагрузки 1а и 5.
Оценка статической прочности производится по допускаемым напряжениям. Для трогания с места и движения в тяговом режиме принимают [σ]=0,65σТ для продольного растяжения (сжатия) ремонтно–аварийного режима [σ]=0,95σТ, где σТ– предел текучести материала. Оценка сопротивления усталости производится но коэффициенту запаса n, который определяется по формуле (4.3) и не должен быть менее 2.
Для элементов, передающих продольные усилия, шкворневых узлов, буферных брусьев, тяг также в тяговом режиме определяется запас прочности, предусматривающий периодические приложения и снятия тягового усилия (пульсирующий цикл):
(4.3)
где σ-1– предел выносливости при симметричном цикле; σf– напряжения от тяговых усилий; к– коэффициент, характеризующий понижение предела выносливости детали; ψ– коэффициент, характеризующий чувствительность материала к асимметрии цикла.
При ударных нагрузках прочность кузова оценивается но коэффициенту запаса.
Методы расчета кузова локомотивов зависят от их конструкции, вида нагрузки и требований к точности результата. В связи с тем что кузов представляет собой достаточно сложную пространственную систему, расчет производится в два этапа. Вначале используются простейшие расчетные схемы, на основе которых определяются основные размеры несущих элементов, затем производится уточненный расчет. Использование ЭВМ позволяет провести расчеты для более детализированных расчетных схем, при которых более полно учитываются особенности рассматриваемой конструкции и повышается точность результатов расчета.
Для определения вертикальных статических нагрузок, действующих на несущие элементы кузова или главной рамы, производится развеска локомотива. Если действующие вертикальные и продольные горизонтальные нагрузки и опорные реакции симметричны относительно продольной оси рамы, то при определении опорных реакций кузов можно рассматривать как плоскую систему. Задача определения опорных реакций кузова для двухтележечного локомотива в том случае, когда опоры кузова на каждой тележке расположены в одной поперечной вертикальной плоскости или в двух поперечных плоскостях при наличии на каждой тележке сбалансированного рессорного подвешивания, является статически определимой. Опорные реакции определяются из условий равновесия кузова.
Для трехтележечного локомотива (или секции локомотива) в обоих упомянутых случаях задача определения опорных реакций кузова является статически неопределимой. При нахождении опорных реакций уравнения равновесия статики должны быть дополнены уравнением, связывающим прогибы упругих элементов рессорного подвешивания тележек.
Выполняя расчет на прочность кузова с несущей рамой, исходят из того, что все внешние нагрузки воспринимаются рамой. Поэтому рассчитывают раму на внешние нагрузки без учета влияния кузова. Если все действующие нагрузки симметричны относительно продольной оси рамы, то расчетную схему выбирают в виде балки, ось которой совладает с линией, проходящей через центры тяжести поперечных сечений рамы. Геометрические характеристики балки (площадь, моменты инерции) должны по ее длине изменяться так, как они изменяются у рамы с учетом всех ее продольных элементов независимо от их длины и расположения в сечении. Для упрощения расчетов в пределах участков стержня, на которых геометрические характеристики стержня переменны, их усредняют и принимают постоянными. Таким образом, балка имеет ряд участков, геометрические характеристики которых постоянны в пределах каждого участка и различны у разных участков. Ось балки может быть ломаной прямой, участки которой смещены друг относительно друга. Опоры балки принимают шарнирными и расположенными по осям шкворней или по направлению равнодействующих реакций опор при их боковом расположении.
Строят эпюры изгибающих моментов от приложенных нагрузок и эпюры поперечных сил. Нормальные и касательные напряжения в опасных сечениях рамы определяют по известным формулам сопротивления материалов. Указанная выше схема является приближенной, однако при действии симметричных относительно продольной оси рамы нагрузок она дает вполне удовлетворительные результаты.
В случае действия несимметричной нагрузки относительно продольной оси рамы необходимо использовать расчетную схему в виде рамы, нагруженной пространственной системой сил. Дальнейшее совершенствование расчета несущих кузовов связано с применением расчетных схем в виде пластинчато–стержневых систем и метода конечных элементов.
Для уменьшения веса кузова применяют материалы, у которых отношение характеристик прочности к удельному весу выше, чем у углеродистой стали. Это– низколегированные стали, алюминиевые сплавы и стеклопластики. Большего уменьшения веса кузова можно достигнуть, применяя трехслойные оболочки, в которых два тонких внешних слоя связаны слоем маложесткого и легкого заполнителя. Такие конструкции имеют высокую устойчивость и жесткость при малой массе.
При конструировании кузова, в особенности в случае использования материалов с малым модулем упругости (например, у алюминиевых сплавов модуль упругости в 3 раза меньше, чем у стали), необходимо обеспечить достаточную жесткость конструкции. Для вычисления частот собственных колебаний локомотива расчетная схема кузова может быть выбрана в виде упругого стержня с непрерывно распределенной массой, стержня с дискретно расположенными сосредоточенными массами, оболочки с вырезами, плоской или пространственной стержневой системы с сосредоточенными массами.