НАЗНАЧЕНИЕ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ

Условия эксплуатаций вагонов на железных дорогах сети весьма сложные. Движение в поездах большой массы и с высокой скоростью, сопряжено с действием на них больших динамических сил с пространственной схемой нагружения. Эти силы имеют вибрационно-ударный характер с повторяемостью до сотен миллио­нов циклов, причем отдельные наибольшие значения их превосходят расчётные и приводят к появлению остаточных деформаций.

Сложным силовым нагружениям, подвергаются вагоны при по­грузках и выгрузках их с применением специальных механизмов и машин — автопогрузчиков, грейферных кранов и экскаваторов, стационарных и накладных вибраторов, рыхлителей, вагоноопро- кидыватёлей и т. п.

Климатические условия — работа на дорогах Севера при низких температурах воздуха и на дорогах Юга в летние месяцы года — обусловливают необходимость предъявлять к вагонам требования, как к машинам и конструкциям северного исполнения с учетом возможности работы их в условиях высоких температур (в част­ности, при обогревах многих типов вагонов в камерах-тепляках перед выгрузкой смерзшихся грузов, перевозки горячего агломе­рата). На снижение несущей способности и долговечности вагонов существенное влияние оказывают коррозионные процессы от атмо­сферных воздействий и агрессивности многих перевозимых грузов.

Типы и конструкции вагонов весьма разнообразны. Наиболее распространенными на сети дорог вагонами общего назначения являются грузовые вагоны с открытым сверху кузовом — полува­гоны. Полувагоны выпускают четырех-, шести - и восьмиосные грузо­подъемностью соответственно 62—63, 94—95 и 125—130 т.

Полувагон имеет цельностальной сварной кузов и раму из низколегированной стали марки 09Г2. По концам кузова находятся сварные металлические двери, открывающиеся внутрь вагона, в полу - разгрузочные люки со стальными штампосварными крышками. Верхняя обвязка боковых стен и стойки выполнены из гнутых, а нижняя обвязка и хребтовая балка из прокатных профилей,

Обшивка стен и торцовых дверей выполнена из стали толщиной 4—5 мм в виде корытообразных и гофровых штамповок.

Аналогичные саморазгружающиеся вагоны — полувагоны, но с некоторыми конструктивными особенностями кузова и разгрузоч­ных устройств — с люками в боковых стенах, грузоподъемностью до 122 т, хопперы с бункерами снизу грузоподъемностью до 120 т, вагоны-самосвалы грузоподъемностью до 180 т и многие другие выпускаются вагоностроительными заводами крупными партиями для промышленного транспорта.

Для перевозки жидких грузов выпускают цистерны более 30 типов, наиболее распространены четырехосные, а в последнее время начали выпускать и восьмиосные цистерны грузоподъемностью соответственно 60 и 120 т для перевозки нефтепродуктов.

Цистерны (котлы и рамы) обычно изготовляют из стали ВСтЗсп или низколегированной 09Г2С. Для отдельных типов цистерн (кислотные и др.) применяют двухслойную нержавеющую сталь, алюминиевые сплавы, различные защитные покрытия.

Цистерны для нефтепродуктов имеют котлы диаметром до 3 м цилиндрические со сферическими или эллипсоидными днищами. Цилиндрическая часть сварена из пяти-шести продольных стальных листов встык до ее вальцовки. После вальцовки днища к цилиндру приваривают также встык.

Около 20 типов грузовых вагонов выпускают с закрытым ку­зовом — крытые вагоны. Они предназначены для перевозок широ­кой номенклатуры грузов, не допускающих использования откры­того подвижного состава.

Современный крытый вагон грузоподъемностью 62—65 т имеет цельносварной несущий кузов в виде замкнутой тонкостенной гофрированной оболочки, подкрепленной каркасом из продольных и поперечных прокатных и штампованных элементов жесткости. Кузов снизу имеет стальную раму, рассчитанную на восприятие вертикальных сил от груза в кузове и продольных сил, возникаю­щих между вагонами в поезде.

В целях рационализации технологии в поточном производстве кузов выполнен из крупных сварных блоков (стены, крыша, рама), соединяемых затем между собой на общем конвейере.

Загрузку и выгрузку вагонов производят через широкие боковые дверные проемы, верхние люки в боковых стенах и в крыше.

Обычно материалом для несущих элементов кузова служит низ­колегированная сталь 09Г2 и в небольшом количестве кузова изготовляют из алюминиево-магниевого сплава АМгб.

Широкое распространение получают контейнерные перевозки. Для этого выпускают контейнеры и платформы различных типо­размеров.

Все современные пассажирские вагоны для поездов локомотив­ной тяги, электро - и дизель-поездов, метрополитенов имеют сварные цельнометаллические кузова в виде замкнутых несущих оболочек, образованных боковыми стенами (с вырезами для окон и дверей), нижней рамой с полом, концевыми и тамбурными стенами, сталь­ной крышей.

Боковые стены обычно изготовляют из тонкого стального листа (с гофрами для жесткости) толщиной 2—2,5 мм, подкрепленного зетообразными поперечными стойками из стали толщиной 3 мм и продольными элементами жесткости углового и омегообразного гнутого профиля.

Несущие элементы пассажирских вагонов обычно изготовляют из углеродистой стали СтЗсп или низколегированной. Некоторое количество вагонов изготовляют из сплава АМгб.

Преимущественным видом соединений в кузовах пассажирских вагонов является точечная и шовная контактная сварка.

КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА И МЕТОДЫ РАСЧЕТА

Обеспечение безопасности, долговечности и надежности работы вагонов в процессе длительной эксплуатации достигают рацио­нальным их конструированием, точным расчетом, правильным выбо­ром материала и совершенством технологических процессов изготов­ления. Каждую разновидность конструкции вагона, применение нового материала и технологии изготовления проверяют тщательным стендовым и эксплуатационным экспериментом, проводимым изго­товителем и заказчиком по совместно разработанной программе. Для этих целей все современные вагоностроительные заводы имеют оснащенные лаборатории и экспериментальные цехи.

Вагоны всех разновидностей имеют сходную конструктивную и силовую схему (рис. 1). Главными элементами конструкции явля­ются кузов и тележки, на них действуют вертикальные (Рг, Р„, Р„), боковые (Ру, Рб, Н) и продольные (Рх, Рпр, N) силы, значения ко­торых для всех типов вагонов нормированы.

Нижняя рама кузова большинства вагонов имеет хребтовую балку хб, назначение которой воспринимать продольные ударно­тяговые силы в поезде; шкворневую шб и промежуточные попе­речные балки, связывающие между собой боковые стены и передаю­щие на них приложенные к раме нагрузки.

В ряде вагонов хребтовая балка в средней части рамы отсут­ствует. Примерами таких конструкций являются некоторые типы пассажирских вагонов и безрамные цистерны.

Поскольку в консольной части рамы (между буферной и шквор­невой балками) хребтовая балка необходима, так как в ней разме­щено автосцепное устройство, при проектировании важно обеспе­чить возможно более равномерное распределение силового потока от хребтовой балки на элементы средней части кузова (рис. 2) — гофрированный лист пола и нижние части боковых стен в пас­сажирских вагонах, цилиндрическая оболочка котла в цистерне (рис. 3).

С этой целью в консольных частях рамы для придания большей жесткости применяют систему раскосов, связывающих отрезки хребтовой балки с продольными боковыми.

Кузов вагона без хребтовой балки несколько легче обычного, но конструктивная концентрация напряжений в нем снижает надеж­ность вагона при случайных перегрузках. Опыт показывает, что

Рис. 1. Структурная и силовая схема вагона: а — кузов; б — тележка

на участке рамы непосредственно за шкворневой балкой гофриро­ванный лист пола и нижние обвязки боковых стен (при случайных соударениях вагонов с повышенной скоростью) теряют устойчивость и получают повреждения, не поддающиеся устранению ремонтом. Поэтому конструкторами отечественных вагоностроительных заво­дов часто отдается предпочтение конструкциям кузова пассажир­ского вагона с хребтовой балкой.

Для более равномерной передачи продольной силы на оболочку котла безрамной цистерны опорную часть его усиливают наклад­ными листами 2 сложной конфигурации. Для лучшего втягивания оболочки котла в работу усиливающий лист приваривают к броне­вому листу котла валиковыми швами по наружному контуру и контурам системы прорезных отверстий. Достигаемое при этом распределение напряжений в броневом листе показано на эпюрах (рис. 3, б). Поскольку разрушение оболочки котла безрамной цистерны (в которых часто перевозят легковоспламеняющиеся горючие жидкости) особенно опасно, напряжения в них пони­жают (на 10%) против допускаемых в хребтовых балках.

Вагоны, предназначенные для эксплуатации по всей сети же­лезных дорог СССР на общих основаниях, проектируют и рассчи-

Рис. 2. Рама пассажирского вагона: а — с хребтовой балкой; 6 — без хребтовой балки, но с усилен­ной консолью и гофрированным листом; в — то же, но с под­крепляющими раскосами

тывают на основе междуведомственных норм [4], утвержденных руководством МПС и Минтяжмаша. Специализированные вагон-тран­спортеры для перевозки грузов сверхтяжелых и большого габарита, цистерны для перевозки грузов при высоком давлении и высоких температурах, вагоны промышленного транспорта — самосвалы, рудовозы и др. проектируют по специальным техническим усло­виям и нормам.

Нормами для расчета и проектирования вагонов предусмотрены требования к методам расчета узлов и конструкции в целом, си­стемы действующих сил, их величины и повторяемость во времени. Расчеты сварных соединений в вагонах, определение напряжений и запасов прочности в них основаны на методах, изложенных в гл. Ill—V.

Расчет напряжений и деформаций кузовов, рам вагонов и теле­жек, котлов цистерн выполняется, как правило, точными методами

Рис. 3. Опорная конструкция безрамной цистерны (а) и эпюры напряжений (б) в нижней части оболочки котла от продольной силы N — 250 тс, в сечениях В — В и Г — Г:

1 — котел; 2 — усиливающий лист; 3 — консольная хребтовая балка, приваренная к котлу; 4 — шкворневая балка; 5 — пятники

строительной механики [6]. Многие из таких методов специально раз­работаны с учетом специфики вагонных конструкций [3]. При этом ”в практике проектирования вагонов применяют упрощенные методы, с помощью которых определяются ориентировочные размеры основ­ных элементов конструкции и уточненные с учетом усложняю­щих напряженное состояние отдельных конструктивных и техноло­гических факторов.

Так, например, при проектировании кузова пассажирского ва­гона размеры элементов его среднего сечения (толщины обшивки, размеры и количество продольных подкрепляющих элементов—

стрингеров, гофров) определяют, рассматривая кузов как простую балку (рис. 4), пользуясь формулой [1]

М. N

ах — т— z + р—,

/ пр ■‘пр

где /пр, Fap — момент инерции и площадь поперечного сечения с учетом неполного включения в работу тонкой, обшивки.

<>х

бх 6Х

ЦТ

Ш. і г

щез jjLjQl xNXVvV-

TTZ 6)

N

N м

	1	г,,
	ч	к
		£ /
		* (
	4
!

Рис. 4. Общая схема нагружения кузова и эпюры My Q, N (a) и распределение нор­мальных напряжений в сечении кузова (б)

Т={(Тг-Ъ)

Мнд-йні-ок Рис. 5. Схемы для расчета дополнитель­ных напряжений в поясах (а) и простен­ках (б) кузова пассажирского вагона

При подборе сечений межоконных простенков, надоконных и под­оконных поясов кузов рассматривают как балку с отверстиями, в пределах которых пояса и простенки под действием поперечной силы получают дополнительный изгиб (рис. 5).

Принимая, что участки поясов и простенки деформируются как балки с защемленными концами при параллельном относительном смещении заделок, возникающие при этой дополнительные напря­жения определяют по следующим формулам:

в поясах

п __ СУ OK U. п Qh^ok U.

а1 — ------- 7—^вЪ °4 “7 дн4»

1 в. 'и

QB=r%-; Q„ = Q-QB;

в простенках

1 в “Г 7 н

М Th

yrimax г, “ок ts,

' ^ О W

тах “ w 2W

Т =

• ло

где QB, QH — поперечные силы соответственно в верхнем и

нижнем поясе;

2/ок — ширина оконного проема;

/в, /н, Fв, FH — моменты инерции и площади сечения соответ­ственно верхнего и нижнего поясов;

Къ Кі — расстояния от нейтральных осей соответствен­но верхнего и нижнего поясов до рассматри­ваемых точек 1 и 4

Q — половина поперечной силы от вертикальной нагрузки кузова для сечения посредине рас­сматриваемого окна (см. эпюру Q, рис, 4); I — момент инерции всего сечения кузова по окну;

S = Fsh — статический момент площади сечения верх­него пояса кузова относительно нейтральной оси всего сечения;

/м0 — расстояние между серединами смежных окон­ных проемов;

W — момент сопротивления сечения простенка; h0K — высота оконного проема;

Fj,0 — площадь сечения листа обшивки простенка; К — коэффициент концентрации, зависящий от ра­диуса закругления углов оконного проема.

Сконструированный кузов подвергают уточненному расчету как пространственную безраскосную систему,- составленную из слож­ных сплошных элементов — стенок, призматических и цилиндри­ческих оболочек.

При раскрытии статической неопределенности обычно кузов рассматривают как стержневую рамную конструкцию и применяют метод сил.

Для уменьшения числа лишних - неизвестных применяют спе­циальную основную систему, рекомендованную Е. Никольским [6] с учетом конструктивных особенностей кузова, приводящую к трех­
членной системе канонических уравнений относительно продольных сил в верхнем поясе над каждым оконным и дверным проемом.

Расчет котла цистерны на гидростатическое, гидродинамиче­ское и внутреннее испытательное давление, а также на действие продольных и поперечных (опорное давление) внешних сил выпол­няют методами строительной механики оболочек с учетом изгибаю­щих моментов (моментная теория). В качестве расчетной схемы при­нимают замкнутую цилиндрическую оболочку, сопряженную по концам с эллиптическими или сферическими днищами, опертую на шкворневые балки через систему брусьев (рамная конструкция цистерны) или жестко с ней связанную (безрамная цистерна).

Решение дифференциальных уравнений для определения сило­вых факторов на гранях элемента оболочки обычно получают в форме метода начальных параметров 16].

Внешнюю нагрузку, приложенную к котлу, разлагают в ряды по дуге сечения и решение получают также в рядах.

Для сложных расчетов конструкций кузовов, рам тележек, кот­лов цистерн разработаны матричные алгоритмы, которые применяют при практических расчетах на ЭЦВМ.

Нормы расчета и проектирования вагонов разрабатывают науч­но-исследовательские организации железных дорог и промышлен­ности на основе тщательного изучения настоящих и перспективных условий эксплуатации, рациональности и работоспособности типо­вых и опытных конструкций вагонов, измерений сил, действующих на вагоны, теоретической и экспериментальной проверки прочно­сти и устойчивости элементов и конструкции вагона в целом и сопоставления с результатами эксплуатационных наблюдений.

На основе обобщений материалов исследования условий нагру­жения вагонов в эксплуатации разработана следующая система расчетных нагрузок.

Вертикальная нагрузка — слагающаяся из стати­чески приложенных собственного веса, полезной нагрузки, обуслов­ленной техническим заданием на проектирование и динамических сил, возникающих при движении вагона. Динамические силы опре­деляют умножением статической нагрузки на коэффициент верти­кальной динамики: „ 0,00079 (г>—15,3)

Ад — о+ 6 ,

/ст

где а — коэффициент, принимаемый 0,05 — для элементов кузова, 0,10 — для обрессоренных частей тележки и 0,15 — для необрессоренных частей тележки;

в — коэффициент, учитывающий число осей тт в тележке:

v — расчетная скорость движения вагона, м/с; /ст — статический прогиб рессор.

Боковая нагрузка — определяемая центробежной си­лой при движении вагона в кривых участках пути, давлением ветра и силами динамического взаимодействия колес с рельсами.

Продольные нагрузки — возникающие между ваго­нами в поезде, в соответствии с тремя расчетными режимами движе­ния:

I — переходные режимы (трогание с места, торможение поезда,

соударения при маневровой работе), при которых возникают наибольшие по величине силы ударного характера, но редко повторяющиеся (до 1000 раз за срок службы вагона);

II — движение тяжелого поезда на подъем с расчетной скоростью

v15 м/с; возникающие силы имеют повторно-статический характер (до 150 000 раз за срок службы);

III — движение поезда с наибольшей допускаемой скоростью; возникающие силы принимают как повторно-ударные или вибрационные (до 300 000 раз).

Расчетные силы, соответствующие указанным режимам, приве­дены в табл. 1.

1. Расчетные силы, действующие на вагон Параметры Режим нагрузки для пасса­жирских вагонов Режим нагрузки для грузовых вагонов 1 II Ш I и рефриже­ раторных [I осталь­ ных Расчетная про­дольная сила, тс -250 + 150 ±100 ±250 ±100 Вертикальная статическая нагрузка Брутто вагона Тара Брутто вагона Расчетная * ско­рость, м/с Не учи­тывают у = 15 у = 45 Не учи­тывают С2 II О 0 = 33 Боковая ** нагрузка * Учитывают г ** Учитывают ; увеличением напряж Не учитывают іри определении верти для боковых балок ( ений от вертикальных На 12,5% кальных си [стен) и пог нагрузок. Не учи­тывают л. теречных ЭJ На 12,5% іементов раї На 10% мы кузова

Кроме перечисленных основных нагрузок при расчетах следует учитывать также системы взаимно уравновешенных вертикальных сил (кососимметричная нагрузка при движении вагона на пути с кососимметричными неровностями), сил распора сыпучего и жид­кого груза, силы от элементов тормозной системы и др.

Для необрессоренных элементов, не воспринимающих действие силы тяжести вагона, расчет ведут на действие сил инерции,.исхо­дя из ускорения их масс, вычисляемого по формуле

/ —(2 + 0,47у) g,

где v — расчетная скорость движения, м/с;

g — ускорение силы тяжести, м/с2.

Нормами обусловлены расчетные силы, возникающие при меха­низированной погрузке и выгрузке вагонов.

Поскольку спектр действующих на вагон сил весьма широк — от больших, редко возникающих в эксплуатации сил, до сравнительно меньших, прикладываемых сотни миллионов раз, наряду с постоянно действующей или относительно редко изменяющейся статической нагрузкой при расчете вагона приходится руководствоваться не­сколькими критериями оценок: по допускаемым напряжениям, до­пускаемым запасам статической прочности; запасам выносливости; требуемой долговечности (техническому ресурсу), а также по запасам устойчивости и допускаемым деформациям (прогпбам).

_ Допускаемые напряжения в случае учета действия наибольших расчетных сил принимают весьма высокие — до 0,85—0,9 предела текучести материала. При этом учитывают возможность появления в единичных случаях эксплуатации сил, превышающих наибольшие расчетные значения, а следовательно, и возникновения небольших пластических деформаций в элементах конструкции.

При расчетах конструкций на действие основных, часто повто­ряющихся в эксплуатации, сил допускаемые напряжения принимают существенно (на 30—40%) меньшими, при установлении которых учитывают усталостные явления в материале конструкции.

Расчетными нормами предусмотрена проверка деталей вагона, работающих в условиях интенсивного вибрационного нагружения, дополнительно на выносливость, пр формуле

где ffjjv — предел выносливости для натурной детали, полученный экспериментально при базовом числе циклов Na = 107 или найденный расчетным путем по пределу выносли­вости при круговом изгибе стандартного образца и приведенным в нормах значениям коэффициентов (Ка)к снижения выносливости для различных видов сварных соединений;

°-і» °о — пределы выносливости гладкого образца при симметрич­ном и пульсирующем циклах соответственно.

В расчетах деталей из низкоуглеродистой конструкционной стали принимают if>0 = 0,3.

Исходя из зависимостей теории накопления повреждений в де­талях вагонов от действия в них повторных динамических напряже­ний, могут быть рассчитаны сроки службы деталей в эксплуатации. Однако в практике вагоностроения обычно принято исходить из установленных на основе технико-экономических соображений сроков службы вагонных конструкций, а указанные расчеты приме­нять при назначении коэффициентов запаса прочности и допускае­мых напряжений.

Допускаемые напряжения в соответствии с нормами расчета вагонов на прочность приведены в табл. 2.

Учитывая, что в вагонах широко используют тонкостенные несущие элементы и оболочки, большое внимание при проектирова-. нии уделяют расчетам их устойчивости. В частности, расчет устой­чивости, оболочки кузова с тонкой металлической обшивкой про­изводят с учетом ее конструктивной кривизны. Коэффициенты запаса устойчивости принимают для таких элементов весьма высо­кими, в связи с чем предъявляют повышенные требования по ограни­чению сварочных деформаций в процессе производства.

Весьма важными являются требования к обеспечению устойчи­вости оболочки котлов железнодорожных цистерн. В последние годы выпускаемые заводами цистерны имеют повышенную емкость котлов (61,2—136,8 м3) с толщиной стенок 8—10 мм и нижнего (броневого) листа 11—12 мм. Устойчивость такой оболочки должна рассчитываться на действие внешнего давления рр = 0,5 кгс/см2 (возникновение вакуума при сливе или резком охлаждении паров жидкости при закрытой заливной горловине) по формуле

n=O.6kfrRc(0^].

где

1_

, (1 -—а4-а/2)4 .

1—а+а<3 ’

б, R, L — толщина, радиус и длина цилиндрической обо­лочки;

а — отношение ширины броневого листа к длине окруж­ности сечения котла;

t — отношение наименьшей толщины цилиндрической оболочки к толщине броневого листа;

Е — модуль упругости материала оболочки.

При этом для котлов,' подкрепленных круговыми шпангоутами (такие конструкции признаны перспективными для восьмиосных

2. Допускаемые напряжения для деталей (элементов) вагонов Допускаемые напряжения, кгс/мм2 и to Алюминиевые сплавы Наплавленный металл Расчетный режим Вид деформации (напряжения) , СтЗ, сталь 20, Ml і Ст5, сталь 30 і Сталь 09Г2Д § и £ <  § U <  <  Электроды Э42 при автоматиче­ской сварке Однорядное, то­чечное и ролико­вое соединение Многорядное то­чечное или роли­ковое соединение Хребтовая и шкворневая балки I Растяжение, сжатие, изгиб Срез............... Смятйе.... 0,9сгт — 0,85сгт 12,5 14,0 16,0 0,8$ат — — II Растяжение, сжатие, изгиб Срез............... Смятие.... 0,8сгт — 0,75сгт 11,0 12,0 14,0 0,Т5сгт — — III Растяжение, сжатие, изгиб Срез............... Смятие.... 15,5 9,5 — 19,0 11,5 9,0 10,0 11,0 15,5 9,5 — — Остальные элементы кузова I Растяжение, сжатие, изгиб Срез............... Смятие.... 0,9сгт 0,9а г 0,85ат 13,0 14,5 16,5 0,85сгт 13,0 8,0 II Растяжение, сжатие, изгиб Срез............... Смятие.... 0,8сгт 11,0 0,8ат 12,0 'if 12,0 13,0 14,5 0,8сгт 11,0 11,5 7,0 III Растяжение, сжатие, изгиб Срез............... Смятие.... 16,5 10,0 18,5 11,0 20,0 12,0 9,5 11,0 12,0 15,5 10,0 10,0 10,0 6,0

ааэ — амплитуда расчетного эквивалентного напряжения при знакопеременных сложных эксплуатационных нагруже­ниях;

[п] — допускаемое значение коэффициента запаса выносли­вости, принимаемое в пределах 1,3—2,2 в зависимости от надежности экспериментальных данных о нагрузках детали и прочностных характеристик образцов.

Эквивалентное напряжение сгаэ в приближенных расчетах до­пускается определить по условной формуле

где (Ух, сг2, 03, сг4 — напряжения в детали от нагрузок по нормам, соответствующим средним эксплуатационным для вагона динами­ческим — вертикальным, горизонтальным боковым, кососимметрич­ным и от продольных инерционных сил при торможениях поезда.

При более точных расчетах напряжение сгаэ рекомендуется определять по формулам статистической выносливости с учетом нестационарности нагружений. Такие методы приводятся в нормах для расчета вагонов применительно к различным случаям распре­деления как амплитудных, так и текущих напряжений в детали при эксплуатации вагона.

Так, для случая известной функции / (сг) распределения плот­ности вероятности амплитуд переменных напряжений формула имеет вид

где (Jmin, сгщах — амплитудные значения напряжений, несуществен­

но влияющие на выносливость детали соответ­ственно ввиду малости величины и малой повто­ряемости их в эксплуатации; т — показатель степени кривой выносливости детали в логарифмических координатах, определяется по экспериментальным данным или приближенно

по формуле т —777-7-;

(Ао7к

Nc — суммарное число циклов нагружений детали в эксплуатации за срок ее службы; для деталей кузова Nc = (3 7) • 108, для деталей тележек

Nc = (2 - т - 3)-109, причем меньшее значение для пассажирских, а большее для грузовых вагонов.

Результаты статистической обработки опытов по измерениям динамических сил, действующих на вагон при движении его по маги­стральным линиям большой протяженности, показывают, что распре­деление текущих значений динамических сил (напряжений) близко
к нормальному Гауссовому, а их амплитуд—к релеевскому или логарифмически нормальному закону.

В частности, при распределении эксплуатационных напряжений по логарифмически нормальному закону, характерному для вагон­ных конструкций, рекомендуется определять коэффициент запаса прочности детали по формуле [6]

^amin S1/" Na г - і

e0,5s2(m— 1) У Nc [Ф (^тах) — Ф (Сіп)]

„ _ °aN _

amin“257’ amax_a0*

где сГр — напряжение в расчетном сечении детали от расчетной суммарной динамической нагрузки;

0О — то же от средней динамической нагрузки;

S — tQ — У to — 2 ІП ОСщах

(здесь t0 = 3 - г - 4 — число стандартов, учитываемых в фор­муле сложения динамических напряже­ний с их средним значением соответ­ственно для деталей грузовых и пас­сажирских вагонов);

Ф (Сах), Ф (Сіп) — нормированные интегральные функции нормального распределения, значения которых принимают по данным таблиц значений функции вида

ф if) — _L_ t, _?!

К2я Се 2 dz;

о

•sm;

®шах "Ь 2 s

,namin+f-

Cin “ Stn.

В случае динамических напряжений несимметричного цикла (со значительной постоянной составляющей сгс) они приводятся к эквивалентным симметричным а3 по формуле Серенсена — Кина - сошвили ^ „

где г|)ст — коэффициент, который характеризует чувствительноеть материала к несимметрии цикла,

Допускаемые напряжения, кгс/мм2

Наплавленный металл

Алюминиевые сплавы

У і

, о о * <и н я я 4 * <и о-<и о Р. Я _ я *я * 2-Й 8 Й: ег <и О сг л

я я Ч X о <и P. S *. я * ЕС Ч си я о

3

о g S СХ W fj н я £ Й853 & 5 о Ч СХ jj; СО с о

<и о <и я £ В" ® о о СГ «

Вид деформации (напряжения)

Детали, Растяжение, сжатие, изгиб Срез................ Смятие....

тележки, за исключением колесных пар

I и II

0,9от

0,85сгх

0,9 ат

III

15.5 9.5 14,0

18,0 11,0 18,0

15.5 9.5

16,5 10,0 18,0

Растяжение, сжатие, изгиб Срез................ Смятие....

Примечания: 1. В пассажирских вагонах допускаемые напряжения во всех элементах (кроме тележек и колесных пар) для режима I принимают равными пределу текучести.

2. Для стальных деталей и сварных соединений допускаемые касательные напря­жения принимают равными 0,6 допускаемых нормальных.

цистерн с облегченным котлом), дополнительно должно выполняться условие 0,6рріш^

где /ш — момент инерции сечения шпангоута с присоединенной частью оболочки котла, равной ширине шпангоута;

Яш — радиус окружности, образованный осевой линией сече­ний шпангоута:

Ьш — половина суммы расстояний до смежных шпангоутов. Котлы цистерн безрамной конструкции, в которых продольная сила тяги поезда воспринимается не хребтовой балкой рамы, как в обычных вагонах, а нижней частью самого котла — его броневым листом — следует рассчитывать на устойчивость от действия про­дольной сжимающей силы (возникающей при торможении поезда) по формуле 1р_ £ б

[«].

п= 0,15

где ар — наибольшее расчетное напряжение сжатия в броневом листе котла.

Устойчивость стенки котла проверяют и на случай совместного действия продольных сил сжатия и внешнего давления по формуле

Еб k _ г і

[п],

<yvR

« = 0,15

Ррк L

1+0,25

где

Ррк — расчетное внешнее давление, устанавливаемое по регулировке впускного клапана котла;

[п] = 1,05 — допускаемое значение запаса устойчивости*

КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ

Одним из наиболее сложных в конструктивном и технологическом отношениях является узел соединения хребтовой и шкворневой балок рамы вагона и особенно полувагона (рис. 6).

Рис. 6. Узел соединения хребтовой и шкворневой балок рамы полувагона

В этом узле сосредоточены наибольшие по величине вертикаль­ные нагрузки, передающиеся от кузова на тележку, вызывающие наибольшие изгибающие моменты в "хребтовой и шкворневой балках и продольные ударно-тяговые силы. Наличие в полувагоне разгру­зочных люков в полу кузова осложняет рациональное конструиро­вание узла, обусловливает необходимость применять хребтовую
балку сложной конфигурации — из двух зетов № 31 специального профиля 4 и двутавра № 19 2, к которому приваривают петли разгрузочных люков. Для предотвращения возникновения дополни­тельных изгибающих моментов от действия значительных попереч­ных сил,, появляющихся при опирании кузова краем пятника во время боковой качки вагона в движении, отверстие внутри хреб­товой балки заделывают сварной вставкой 1 с вертикальными реб­рами (диафрагмами), расположенными в плоскости вертикальных стенок 6 шкворневой балки. С этой же целью заделывают впадину

между хребтовой балкой и верх­ним поясом 5 шкворневой балки вваркой сварной коробочки 3.

Рис. 7. Соединение упоров автосцепки с хребтовой балкой: а — клепаное; б — сварное; / спе­циальные выступающие приливы (усы); 2 — усиливающий промежуточный лист

Выполненная таким способом конструкция узла отличается от недостаточно надежной в экс­плуатации традиционной, при­менявшейся в прежних четырех­осных полувагонах с одностен- чатыми шкворневыми балками, и обладает большой прочностью.

Достаточно сложным оказа­лось обеспечить прочность узла соединения вертикальных стоек 7 полувагона с поперечными балками рамы.

Наличие концентраторов на­пряжений в зоне внутреннего угла типичного узла, показанно­го на рис. 6, приводило к частым повреждениям его вследствие динамического действия сил распора сыпучих грузов при движении полувагона. Применением усиливаю­щих накладок специальной формы повреждения узла были резко сокращены, но для повышения его технологичности и надежности сейчас ведутся поиски более совершенной формы узла по типу криволинейных шпангоутов.

К' наиболее сложным узлам конструкции рамы вагона, подвер­гающимся знакопеременным ударно-тяговым нагружениям, следует отнести также участок хребтовой балки в районе автосцепки. Упорные кронштейны, непосредственно воспринимающие силу от автосцепки, обычно присоединяют к хребтовой балке с помощью заклепок (рис. 7, а). Стенки хребтовой балки, ослабленные отвер­стиями под заклепки, часто в эксплуатации разрушаются. Опыты с непосредственной приваркой к хребтовой балке упорных кронштей­нов, имеющих стандартную стальную литую конструкцию, приво­дили к быстрым разрушениям как сварных швов, так и самих хреб­товых балок. Поэтому под сварку были специально сконструированы

упорные кронштейны (рис. 7, б), отличающиеся наличием на прива - лочных поверхностях постепенно утоняющихся выступов (фланцев), способствующих более равномерной передаче силового потока на хребтовую балку.

Поскольку лобовые швы, расположенные между передними и задними упорными кронштейнами, являются наиболее ответствен­ными, так как передают стенкам балки растягивающие напряжения как в случае приложения к вагону растягивающих Np, так и сжи­мающих Nc продольных сиЛ, то в целях дополнительного снижения концентрации напряжений в соединении применены усиливающие промежуточные листы 2, стыкующиеся с фланцевыми выступами упоров. Исследованиями установлено, что при указанном конструк­тивном выполнении этот узел в сварном варианте оказывается более надежным.

Учитывая специфику проектирования сварных конструкций ваго­нов, особенно наиболее ответственных узлов, от надежной работы которых зависит бесперебойность и безопасность .работы железно­дорожного транспорта, в дополнение к общим нормам расчета и проектирования вагонов в нашей стране выпускают обязатель­ные для применения проектными организациями и вагоностроитель­ными заводами технические условия по применению сварки в ваго­ностроении (ТУ-01 Д-52) [2], а также руководящие технические материалы (РТМ), распространяемые на проектирование сварных конструкций железнодорожных вагонов и вагонов городского и промышленного транспорта.

Упомянутые материалы, наряду с общими указаниями, содержат также требования и рекомендации по конструированию сварных соединений и конструкций железнодорожных вагонов; указания по механической обработке и упрочняющему поверхностному наклепу сварных соединений; расчету сварочных деформаций и напряжений (включая определение общих остаточных напряжений в стенках, крыше, раме кузова и тележки, вызванных контактной и дуговой сваркой, местных остаточных деформаций от потери устойчивости) и мероприятия по предотвращению появления сварочных деформа­ций и напряжений при производстве вагонов.

Крупносерийное и даже массовое производство вагонов на отече­ственных заводах осуществляется с применением автоматизации и' механизации большинства процессов сборки и сварки узлов и вагон­ных конструкций в целом на поточно-конвейерных линиях.

В производстве грузовых вагонов и цистерн наиболее широко применяют электродуговую автоматическую сварку под слоем флюса, а также в среде С02. Применение контактной точечной сварки в несущих элементах из-за быстрого разрушения их вследствие кор­розии не рекомендовалось. В связи с разработкой специальных клеев и токопроводящих мастик, препятствующих проникновению влаги в зазор между соединяемыми деталями, точечная сварка

начинает более широко внедряться в производство грузовых ваго­нов, особенно имеющих кузова с тонкой обшивкой.

В современных пассажирских вагонах отечественного производ­ства, имеющих цельносварной кузов, представляющий собой тонко­стенную оболочку, подкрепленную продольными и поперечными элементами жесткости из гнутых профилей, основные соединения обшивки с элементами жесткости (каркасом) выполняют контактной сваркой, односторонней двухточечной или двухсторонней, трехэлек­тродными машинами портального типа.

Стыковку листов обшивки и сварку отдельных блоков кузова между собой выполняют автоматической и полуавтоматической сваркой под слоем флюса и в среде С02.

В ближайшем будущем, в связи с резким увеличением объема производства вагонов1 и некоторым отставанием на вагонострои­тельных предприятиях сталелитейного производства, ряд традици­онно стальных литых узлов (надрессорные и соединительные балки, надпятниковые отливки) необходимо будет выполнять штампо­сварными, что приведет к дальнейшему усилению роли и ответствен­ности сварки в вагоностроении.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

При внешнем осмотре конструкций на всех вагоностроительных заводах контролируют размеры и очертания швов.

Гидравлическим испытаниям подвергают котлы цистерн и резер­вуары, работающие под давлением. Ряд узлов после сварки для контроля и технологического упрочнения подвергают нагружению.

На всех заводах, применяющих контактную сварку, перед нача­лом работ испытывают технологические пробы, по которым опре­деляют размеры литого ядра, глубину проплавления шва и ста­бильность работы сварочного оборудования.

Рентгено - и гамма-лучевое просвечивание сварных швов произ­водят только в наиболее ответственных конструкциях. В частно­сти, при изготовлении восьмиосных цистерн безрамной конструк­ции — просвечивают кольцевые швы котла.

[1]Sn2 = Fп2 (е2 - f - ~2~) • (26)

Швы 4 также вызывают угловой излом

Фі = Дпогі! 7е. (27)