Расчет кузовов трамваев на прочность и устойчивость.

 

Прочность и эксплуатационная надежность несущих элементов кузова определяется максимальными напряжениями при наиболее невыгодном сочетании действующих на них сил, а также устойчивостью и деформациями сжатых элементов.

Основным видом расчета кузова является расчет на прочность по максимальным нагрузкам, включающим в себя:

1. Выбор расчетной схемы рассматриваемой конструкции.

2. Определение расчетных нагрузок.

3. Расчет элементов кузова по действующим нагрузкам с определением напряжения в опасных сечениях.

4. Сравнение расчетных напряжений с допускаемыми и определение запасов прочности.

Выбор расчетной схемы зависит от конструктивного исполнения кузова. Несущие элементы кузова (рама, каркасы стенок и крыши) представляют собой нагруженную статически неопределимую пространственную систему балок и стержней, линейные размеры которых, как правило относительно велики по сравнению с размерами поперечного сечения. Преобразование статически неопределимой системы с целью их расчета обычными методами статики приводит к получению завышенных расчетных напряжений и высоким фактическим запасам прочности. Расчетные схемы кузовов с несущей рамой составляют исходя из допущения, что отдельные элементы кузова (рама, боковые и торцевые стенки и крыша) работают независимо друг от друга. При расчете рамы принимается, что нагрузка боковых и торцевых стен и крыши передается на соответствующие продольные и концевые балки рамы кузова равномерно по их длине. При расчете боковых и торцевых стенок и крыши считают, что они не воспринимают со стороны рамы никаких нагрузок. При принятых этих условиях расчет кузова значительно упрощается.

При расчете кузова с несущими стенками и рамой боковые стенки принимаются недеформирующимися, поскольку обычно они обладают значительно более высокой жесткостью на изгиб в вертикальной плоскости, чем продольные балки рамы. Такое допущение позволяет как и в первом случае вести расчет рамы и боковых стенок как самостоятельных элементов. При этом балки, образующие обвязку рамы рассматриваются как жестко соединенные по всей длине. Боковые несущие стенки рассчитываются отдельно как фермы или балки на двух опорах от действующих в их плоскости вертикальных нагрузок. За опоры этих ферм или балок принимают концы шкворневых балок рамы кузова. Нагрузки, передаваемые на боковые стенки от рамы, прикладываются в виде сосредоточенных сил в узлах креплений поперечных балок.

Наибольшей сложностью отличается расчет цельнонесущего кузова. Цельнонесущий кузов представляет собой коробчатую, тонкостяжную оболочку с каркасом в виде ряда продольных и поперечных элементов жесткости. При расчете цельнонесущего кузова действующую нагрузку нельзя разделять между рамой и боковыми стенками, как это делается при расчете кузовов с несущей рамой или с несущими стенками и рамой, т.к. такая схема расчета не отражает действительное напряженное состояние кузова, поэтому целесообразно цельнонесущие кузова рассчитывать как тонкостенные оболочки специальными методами статики сооружений.

При расчете кузовов на прочность учитываются следующие нагрузки:

1) Расчетная статическая нагрузка кузова при максимальном заполнении его пассажирами. При распределении статической нагрузки между элементами кузова нагрузка от всех пассажиров подсчитывается отдельно для площадок, проходов и площадей, занятых сидениями. Нагрузка от сидений и сидящих пассажиров распределяется равномерно по соответствующей площади, а пассажиров, стоящих в проходе, – по площади прохода. Отдельные нагрузки от веса тяжелого оборудования (токоприемники, контроллеры и т.д.) прикладываются в виде сосредоточенных сил на соответствующих элементах кузова. Вес оборудования, неучтенного отдельно (рамы, каркасы, обшивки) распределяются равномерно по соответствующей площади. Интенсивность распределения нагрузки определяется по выражению:

q = Q/A,

где Q – соответствующая нагрузка

А – площадь, на которую распределяется нагрузка

2) Вертикальная динамическая нагрузка, получаемая умножением статической нагрузки на коэффициент вертикальной динамической нагрузки Кд.

3) Вертикальная несимметричная нагрузка, появление которой связано с неравенством жесткостей и стрел прогиба рессор, отклонением опорных поверхностей рамы кузова на неровностях пути и при входе в кривую поворота. Из-за трудности количественного учета факторов, определяющих величину несимметричной нагрузки на рельсовом транспорте она ориентировочно учитывается увеличением максимальных статических напряжений в конструкциях кузова на 10…12 %, Кк = 1,1…1,2.

 

4) Тяговая нагрузка, передаваемая на раму через пятниковые узлы (у вагонов тележечного исполнения) или направляющие устройства (у вагонов бестележечного исполнения)

Тяговую нагрузку определяют исходя из расчета коэффициента сцепления . Для расчета = 0,2…0,25

5) Продольная нагрузка, обозначаемая F_сц, от удара по сцепке берется из расчета сцепного прибора (устройства) или при ориентировочных расчетах определяется из условия трогания заторможенного прицепного звена трамвайного поезда при коэффициенте сцепления = 0,3 – 0,4.

Тогда F_сц определяется как: F_сц = G_пр, где G_пр – вес прицепного звена

6) Нагрузки на элементы кузова от сил инерции при пуске с максимальным ускорением или при экстремальном торможении. При расчетах кузова трамвая они учитываются увеличением максимальных статических напряжений на 10%, К_п = 1,1.

7) Боковые нагрузки кузова при движении вагона в кривой, центробежные силы и боковое давление ветра.

В ориентировочных расчетах боковая нагрузка кузова учитывается увеличением максимальных статических напряжений на коэффициент

8) Добавочные нагрузки на элементы, связанные с работой тяговых двигателей и тормозных устройств.

Кузов рассчитывают при действии вертикальных, продольных и боковых сил в отдельности. Ориентировочных расчет кузова включает в себя:

- расчет на эквивалентную статическую нагрузку

G_кэ = G K_д К_к К_n K

- расчет на действие тяговой или тормозной нагрузки и добавочных нагрузок, связанных с работой тяговых двигателей и тормозных устройств.

Экспериментальное исследование напряжений в конструкциях цельнонесущих сварных кузовов показывает, что эти напряжения распределяются между элементами каркаса и обшивкой достаточно неравномерно (расчетная схема сварного кузова). Они достигают наибольших величин в элементах, подкрепляющих обшивку каркаса, и уменьшаются по мере удаления от этих элементов (схемы а, б).

Часть обшивки как бы не работает, воспринимая нагрузку лишь частично, поэтому в расчете учитывается не вся ширина обшивки В, а только часть ее, так называемая приведенная ширина В_пр.

Величина В_пр определяется из условия равенства нагрузок обшивки шириной В_пр при постоянных напряжениях G_р и нагрузок реальной обшивки G_д шириной В при действительном законе распределения напряжений.

Это условие имеет вид:

где - толщина обшивки

Отношение G_д/G_р равняется отношению В_пр /В и равно , где - редукционный коэффициент обшивки.

Если известно, то приведенная толщина обшивки bпр определяется: В_пр = В.

Рисунок 8. Расчетная схема сварного кузова:

 

а) Схема нагружения и эпюры силовых факторов

б) расчетное сечение кузова

в) фактическое и расчетное распределение напряжений

в обшивке, подкрепленной ребрами жесткости

 

В том случае, когда в поперечное сечение кузова входят продольные связи разной жесткости нагрузки распределяются неравномерно, не только между продольными элементами каркаса и обшивкой, но и между самими элементами каркаса, это обстоятельство учитывается введением в расчет редукционных коэффициентов соответствующих продольных элементов.

Для жестких несущих элементов каркаса, например обвязок рамы кузова, редукционный коэффициент принимается равным 1. Для легких штампованных продольных связей – в пределах от 0,7 до 0,86.

Величины редукционных коэффициентов и приведенной ширины плоской обшивки кузовов трамвая определяются по формулам:

 

В_пр = 40

где и В – толщина и ширина обшивки в пределах между подкрепляющими элементами.

Среднее нормальное напряжение G_д при изгибе и касательное напряжение от перерезывающей силы в каждом из элементов редуцированного сечения кузова определяются по следующим соотношениям:

М и Q – момент и перерезывающая сила в рассматриваемом сечении кузова

i и Jред - редукционный коэффициент и момент инерции сечения элемента, в котором определяется напряжение

y – расстояние от центральной оси редуцированного сечения кузова до рассматриваемого элемента.

Ei – модуль упругости материала рассматриваемого элемента

Ес – модуль упругости стали

Аред – площадь элементов редуцированного поперечного сечения кузова.