ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
ПРАКТИКУМ
по дисциплине
КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ВАГОНОВ
для студентов специальности
23.05.03 «Подвижной состав железных дорог» специализации «Грузовые вагоны»
Составители: С.В. Коркина
А.В. Жебанов
Р.В. Козак
Практикум по дисциплине «Конструирование и расчет вагонов» для студентов
специальности 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог» специализации «Грузовые
вагоны» очной и заочной форм обучения. [Текст] / составители: С.В. Коркина, А.В.
Жебанов, Р.В. Козак. – Самара : СамГУПС, 2021. – 48 с.
Методическое издание предназначено для организации самостоятельной и
аудиторной работы студентов при выполнении практических работ по дисциплине
«Конструирование и расчет вагонов». В издании изложены основное содержание и
методика проведения практических работ.
Утверждены на заседании кафедры «Вагоны» 30.08.21 г. Протокол № 1.
Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.
Рецензенты: к.т.н., доцент кафедры «Вагоны» Г.Г. Киселев;
к.т.н., зав. кафедрой «Электрический транспорт» П.В. Шепелин
Подписано в печать
Формат 60х90 1/16
Бумага писчая. Печать оперативная. Усл.п.л. 2,5
Тираж 100 экз. Заказ №
©Самарский государственный университет путей сообщения, 2023
Введение
Дисциплина «Конструирование и расчет вагонов» является одной из основных
специальных дисциплин (дисциплин специализации), знания и практические навыки,
полученные в результате освоения которой, могут быть применены при изучении
последующих дисциплин, выполнении выпускной квалификационной работы и в
будущей профессиональной деятельности выпускников.
Целью дисциплины «Конструирование и расчет вагонов» является формирование
профессиональных компетенций, необходимых в производственно -технологической
деятельности специалистов, которые предусматривают приобретение знаний по
конструкции грузовых вагонов, методам предпроектных исследований.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: конструкцию грузовых вагонов; силы, действующие на узлы и элементы
вагонов; технико-экономические параметры вагонов; характеристики материалов,
применяемых в вагоностроении;
Уметь: рассчитывать силы, действующие на узлы и элементы вагонов и технико-
экономические параметры вагонов; определять напряжения, возникающие при действии
основных нагрузок, установленных нормативными документами, с учетом характеристик
материалов, применяемых в вагоностроении;
Владеть: навыками предпроектных исследований и методами анализа прочности и
надежности узлов и элементов вагонов с использованием современных информационных
технологий.
Практические работы охватывают вопросы назначения и устройства основных
частей грузовых вагонов, применяемых на Российских железных дорогах.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1
Нагрузка на элементы рессорного подвешивания. Расчет параметров подвешивания.
Оценка их надежности
Цель работы: ознакомиться с нагрузками, действующими на элементы рессорного
подвешивания, методами оценки надежности элементов рессорного подвешивания.
Выполнить расчет параметров подвешивания.
Краткие сведения из теории
Рессорное подвешивание является одним из важнейших элементов ходовых частей,
от которых зависит плавность хода вагона.
Рессорное подвешивание состоит из упругих элементов, возвращающих устройств
и гасителей колебаний.
В качестве упругих элементов применяют витые стальные пружины, резиновые,
пневматические, торсионные, тарельчатые, кольцевые и др. типы упругих элементов, а
также стальные листовые рессоры.
Упругие элементы подвешивания характеризуются жесткостью и гибкостью.
Критерием выбора жесткости упругих элементов является качество хода вагона:
устойчивость колеса против схода с рельсов, плавность хода, динамические качества
тележки и ее воздействие на железнодорожный путь.
Жесткость упругого элемента определяется по формуле:
P
с = f,
(1.1)
где Р – сила, приходящаяся на упругий элемент, Н;
f – прогиб упругого элемента под действием этой силы, м.
Гибкость упругого элемента определяется по формуле:
Л =1
ñ
f
.
P
(1.2)
Для параллельно расположенных упругих элементов жесткость всего комплекта
определяется по формуле:
n
С = х Ci
i=1
(1.3)
При последовательном расположении упругих элементов жесткость определяется
по формуле:
-=z-
С £ч
(1.4)
На основании опыта теоретических и экспериментальных исследований для
тележек пассажирских вагонов общего назначения суммарный статический прогиб
рессорного подвешивания под тарой должен быть 150-200 мм для скоростей до 160 км/ч
и 230-280 мм для скоростей до 200 км/ч; для тележек почтовых и багажных вагонов под
массой брутто 130-180 мм, изотермических под массой брутто 80-120 мм и грузовых под
массой брутто 45-65 мм.
Полный расчетный прогиб получается из расчетного статического, умноженного
на коэффициент конструктивного запаса прогиба, который для тележек грузовых вагонов
с прогибом до 50 мм принимается равным 1,8, свыше 50 мм – 1,75; для изотермических
вагонов – 1,65; почтовых, багажных и пассажирских – 1,5.
Статическая сила вагона брутто, приходящаяся на упругий элемент, определяется
по формуле:
Рст
Р- -р
бр нч
пэ
(1.5)
где Рбр – масса вагона брутто (вес вагона с грузом), т;
Рнч – масса необрессоренных частей вагона, для четырехосных грузовых вагонов
Рнч = 8,8 т; для восьмиосных грузовых вагонов Рнч = 17,6 т;
пэ – число параллельно нагруженных упругих элементов (при расчете двухрядной
пружины принимается равным количеству двухрядных пружин в вагоне).
Наибольшая вертикальная расчетная сила, действующая на упругий элемент (с
учетом коэффициента конструктивного запаса прогиба) определяется по формуле:
Рр = Рст · Ккз , (1.6)
где Ккз – коэффициент конструктивного запаса прогиба упругого элемента,
учитывающий динамические нагрузки.
Вертикальная жесткость цилиндрической пружины (в MH/м) определяется по
формуле:
Gd4
8 D3 n ’
(1.7)
где G – модуль сдвига, МПа;
d – диаметр прутка пружины, для наружных пружин тележек грузовых вагонов d =
0,03 м, для внутренних пружин тележек грузовых вагонов d = 0,019 м;
D – средний диаметр пружины, для наружных пружин тележек грузовых вагонов
D = 0,17 м, для внутренних пружин тележек грузовых вагонов D = 0,105 м;
n – число рабочих витков пружины, для наружных пружин тележек грузовых
вагонов n = 4,2, для внутренних пружин тележек грузовых вагонов n = 7,2.
Модуль сдвига определяется по формуле:
G=0,385Е, (1.8)
где Е – модуль упругости материала пружины, для стальных пружин
Е =2,1·105 МПа.
При расчете на прочность двухрядных пружин вертикальные силы, действующие
на наружную Рн и внутреннюю Рв пружины определяются пропорционально их
жесткостям:
РсРс
ннвв
Р ~ с ’ Р ~ с ’
(1.9)
где Р – вертикальная сила, действующая на двухрядную пружину, т;
с – жесткость двухрядной пружины, MH/м;
сн - жесткость наружной пружины, MH/м;
св - жесткость внутренней пружины, MH/м.
Касательные напряжения, возникающие в пружине, определяются по формуле:
16 PR „
T = “&
π⋅d
(1.10)
где Р – вертикальная сила, действующая на пружину, МН;
R – средний радиус пружины, м;
ξ - поправочный коэффициент кривизны витой пружины, определяемый по
формуле:
t = i+1,25 + 0,875, (1.11)
т т
где m=D/d – индекс пружины.
Прочность пружины будет обеспечена при выполнении условия:
т < [t], (1.12)
где [t] - допускаемые касательные напряжения, МПа.
Для пружин по ГОСТ 1452-79 с круглым сечением витков при расчете на
прочность [τ] = 750 МПа для сталей 55С2, 55С2А и 60С2 и [τ] = 1050 МПа для стали
60С2ХФА.
Порядок выполнения работы
Порядок выполнения расчета:
Таблица 1.1
Варианты заданий
|
Вариант |
Тип вагона |
|
1 |
Четырехосный крытый вагон-хоппер для цемента модели 19-758 |
|
2 |
Крытый вагон модели 11-260 |
|
3 |
Четырехосная универсальная платформа модели 13-4085 |
|
4 |
Крытый вагон-хоппер для зерна модели 19-752 |
|
5 |
Четырехосная цистерна модели 15-956 |
|
6 |
Двухъярусный крытый вагон для перевозки автомобилей модели 11-835 |
|
7 |
Восьмиосная цистерна для светлых нефтепродуктов модели 15-1500 |
|
8 |
Платформа для перевозки контейнеров модели 13-935 |
|
9 |
Полувагон модели 12-196 |
|
0 |
Крытый вагон-хоппер для минеральных удобрений модели 19-193 |
Содержание отчета
Тема занятий; дата проведения работы; цель работы; результаты работы (расчет на
прочность двухрядной пружины); ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2
Определение нагрузок на кузова грузовых и пассажирских вагонов.
Расчетные схемы кузовов
Цель работы: изучить нагрузки, действующие на кузова грузовых и пассажирских
вагонов, учитываемые при расчетах на прочность.
При оценке прочности элементов кузова необходимо рассматривать сочетания
действия отдельных схем приложения расчетных нагрузок. Такие схемы используются
для построения расчетных схем кузовов вагонов. Схемы приложения нагрузок,
учитываемых режимами норм при расчёте кузовов вагонов показаны на рис. 2.1.
Рис. 2.1 Схемы приложения нагрузок, учитываемых режимами норм при расчёте кузовов
вагонов: а - продольная квазистатическая сила сжатия; б - продольная квазистатическая
сила растяжения; в - вертикальная сила из-за эксцентриситета между осями автосцепок;
г - поперечные силы в кривых при квазистатическом сжатии; д - поперечные силы в
кривых при квазистатическом растяжении; е – вертикальная нагрузка от массы груза и
собственной массы (показана условно равномерно распределённой по длине – в каждом
конкретном случае имеет свой характер распределения); ж - кососимметричная нагрузка
(для вагонов с базой более 16 м); з - удар в автосцепку; и - рывок
На схемах приняты следующие обозначения:
2Lp - длина кузова по раме;
2L3y, 2Lny - расстояния между опорными поверхностями задних и передних упоров
автосцепки соответственно;
21б - база вагона;
b - выбирается по расчетной схеме, соответствующей конкретному вагону.
В частности, это может быть расстояние от оси скользуна до оси пятника:
а = (2Lp - 2Lny) / 2; с = (2Lp - 2L3y) / 2;
q - равномерно распределённая нагрузка от массы груза и собственной массы
кузова;
п - распределённая нагрузка, представляющая собой силу инерции,
уравновешивающая силу удара N;
пТ - сила инерции тележки.
В схемах на рис. 2.1 кузов представляется в виде пространственной проекции
вертикальной плоскости, проходящей через пятниковые сечения.
Анализируя отдельные схемы на рис. 2.1, можно сформировать суммарные
нагружения кузова по режимам норм. Оценка сил по I и III расчетным режимам может
быть получена путем наложения отдельных схем. В каждой из приведенных схем
приложения нагрузок при расчете кузова проектируемого вагона должны быть также
учтены дополнительные силы, обусловленные спецификой конструкции (внутреннее
давление, распор и др.).
Таким образом, при выборе расчетной схемы кузова проектируемого вагона для
последующего расчета на прочность любыми из существующих специализированных
расчетных комплексов на ЭВМ, основное внимание следует уделять выбору и
правильному приложению действующих нагрузок.
Нормами для расчета и проектирования вагонов установлены два основных и один
дополнительный расчетные режимы нагружения.
Расчетному режиму I для грузовых вагонов соответствуют усилия, возникающие
при трогании состава повышенной массы и длины и его осаживания (торможения), при
производстве маневровых работ, соударении и экстренном торможении, а для
пассажирских вагонов - усилия, возникающие от ударов и толчков при маневрах и
аварийных соударениях. Величины продольных нагрузок для I режима при расчете на
прочность кузовов вагонов принимаются равными:
при действии сжимающих сил квазистатические силы и силы при ударных
процессах для грузовых вагонов основных типов составляют соответственно 3 и 3,5 МН;
для изотермических вагонов, хоппер-дозаторов и вагонов-самосвалов - 2,5 и 3 МН; для
пассажирских вагонов всех типов - 2,5 МН в обоих случаях;
при действии растягивающих сил квазистатические силы и силы при рывках для
грузовых вагонов и изотермических вагонов составляют 2,5 МН в обоих случаях; для
пассажирских вагонов - 1,5 и 2 МН соответственно.
Дополнительный специальный расчетный режим II 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.
Расчетному режиму III в условиях эксплуатации соответствуют силы,
возникающие при движении вагона в составе поезда при умеренных рывках и толчках и
периодических служебных торможениях. Продольные сжимающие и растягивающие
силы (квазистатические силы и силы при ударных процессах и рывках) при расчете по III
режиму для всех вагонов принимаются равными 1 МН.
Вертикальную статическую нагрузку, действующую от кузова вагона брутто
можно определить вычитая из силы тяжести брутто вагона силу тяжести тележек.
Реакции, возникающие при этом в подпятниках будут вдвое меньше. Равномерно
распределённая нагрузка q (рис. 2.1 е) определяется по формуле:
Р-
бр Т
q =----------,
2LP
где Рбр – сила тяжести брутто вагона (вес вагона с грузом), т;
РТ – сила тяжести одной тележки, т;
2LP – длина рамы вагона, м.
Сила тяжести брутто пассажирского вагона определяется по формуле:
Рбр = п · mпас + Т,
где Т – тара вагона, т;
(2.1)
(2.2)
Для почтовых, багажных и почтово-багажных вагонов к сумме в формуле (2.2)
следует прибавить грузоподъемность вагона.
Порядок выполнения работы
Логин ХХ-ХХ-7 Вариант 7
Логин ХХ-ХХ-17 Вариант 17
Выбрать свой вариант из таблицы 2.1 – вагон, для которого необходимо выполнить
расчет.
распределённой нагрузки. Сила тяжести тележки и длина рамы вагона принимается
студентом применительно к вагону заданного варианта по источникам [1, 4, 5].
Варианты заданий
Таблица 2.1
Вариант | Тип вагона |
0 | Четырехосная универсальная платформа модели 13-4085 |
1 | Крытый вагон модели 11-260 |
2 | Платформа для перевозки контейнеров модели 13-935 |
3 | Полувагон модели 12-132 |
4 | Четырехосная цистерна модели 15-150 |
5 | Двухъярусный крытый вагон для перевозки автомобилей модели 11-835 |
6 | Восьмиосная цистерна для светлых нефтепродуктов модели 15-1500 |
7 | Крытый вагон-хоппер для зерна модели 19-752 |
8 | Крытый вагон модели 11-217 |
9 | Платформа для перевозки контейнеров модели 13-192 |
10 | Полувагон модели 12-196 |
11 | Четырехосная цистерна модели 15-156 |
12 | Крытый вагон-хоппер для цемента модели 19-758 |
13 | Восьмиосная цистерна для светлых нефтепродуктов модели 15-880 |
14 | Четырехосная цистерна модели 15-956 |
15 | Крытый вагон-хоппер для минеральных удобрений модели 19-193 |
16 | Полувагон модели 12-146 |
17 | Крытый вагон модели 11-270 |
18 | Платформа для перевозки леса модели 13-198 |
19 | Четырехосная цистерна модели 15-897 |
20 | Полувагон модели 12-175 |
Содержание отчета
Тема занятий; дата выполнения; цель работы; результаты работы; ответы на
контрольные вопросы.
Контрольные вопросы
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3
Расчет котла цистерны на внутреннее давление и вертикальные нагрузки
Цель работы: научиться выполнять расчет котла цистерны на внутреннее
давление и определять вертикальные нагрузки, действующие на котел.
Внутреннее давление в котле цистерны возникает вследствие налива и испарения
жидкого груза или заполнения котла грузом с избыточным давлением (например, в
цистернах для сжиженных газов). Наибольшая величина р1 такого давления определяется
по регулировке предохранительных клапанов.
Также внутреннее давление в котле цистерны возникает в результате
гидравлических ударов жидкости, обусловленных продольными силами инерции. При
равномерном распределении продольной силы инерции Тц на вертикальную проекцию
днища, перпендикулярную продольной оси котла, внутреннее давление определяется по
формуле:
Т
ц
nR 2
(3.1)
где R1 - радиус цилиндрической части котла;
Р
гр
Тц =Т р ,
Рбр
(3.2)
где Т - продольная нагрузка для I и III расчётных режимов;
Ргр - масса груза в котле, т;
Рбр - масса брутто цистерны, т.
При испытании котла на прочность давление р3 возникает при отсутствии р1 и р2.
Поэтому расчётной величиной является сумма р1 + р2 или р3. Согласно нормам расчёта
вагонов на прочность, р3 > р1 + р2. Величина р3 при испытании котла на прочность
принимается равной 0,6 МПа у цистерн для перевозки светлых и темных нефтепродуктов
и 3 МПа у цистерн для перевозки сжиженных газов.
В котле цистерны, подверженному действию внутреннего давления р, возникают
напряжения, которые могут быть вычислены по формулам безмоментной теории
оболочек. Такие оболочки, не испытывающие изгиба, иногда называют мембранами, а
напряжения в них, определяемые без учёта изгиба - мембранными напряжениями.
Мембранные напряжения в цилиндрической части котла в поперечном сечении I-I
(рис. 3.1), определяются по формуле:
рR1
2 h ’
(3.3)
где р – расчетное давление в котле, максимальное значение которого достигается
при испытании котла на прочность, МПа;
R1 и h1 - радиус и толщина стенки цилиндрической части котла, м.
Рис. 7.1 Расчетная схема котла цистерны
Мембранные напряжения в цилиндрической части котла в продольном сечении
II-II (по образующей), определяются по формуле:
а=PR
.
(3.4)
При определении мембранных напряжений в цилиндрической части котла следует
учитывать, что наибольшие напряжения будут возникать в верхних и средних листах
цилиндрической части котла, которые имеют наименьшую толщину.
Мембранные напряжения в сферическом днище (или сферической части
эллиптического днища), определяются по формуле:
а = R
3 2h ,
(3.5)
где R2 и h2 - радиус и толщина стенки днища, м.
По таким же формулам определяются мембранные напряжения в колпаке (при
подстановке соответствующих значений R и h).
Осуществлённая в современных конструкциях цистерн отечественных железных
дорог замена нахлёсточных соединений стыковыми и больших колпаков малыми
существенно снизила вышеуказанные местные напряжения.
При расчёте котла цистерны вертикальные нагрузки, действующие на котёл, могут
рассматриваться в качестве равномерно распределённых с общей интенсивностью:
Р„ + P + Рд
q = —--------,
2lц
(3.6)
где Рк – вес котла цистерны, т;
Рд – вертикальная динамическая нагрузка, т;
2lц – длина цилиндрической части котла, м.
При I расчетном режиме вертикальная динамическая нагрузка мала и её можно не
учитывать.
Порядок выполнения работы
Варианты заданий
Таблица 3.1
Вариант | Тип вагона |
1 | Четырехосная цистерна для бензина и светлых нефтепродуктов R1 =1,7 м, h1 = 0,009 м |
2 | Четырехосная цистерна для бензина и светлых нефтепродуктов R1 =1,6 м, h1 = 0,009 м |
3 | Четырехосная цистерна для бензина и светлых нефтепродуктов R1 =1,5 м, h1 = 0,008 м |
4 | Четырехосная цистерна для темных нефтепродуктов R1 =1,6 м, h1 = 0,010 м |
5 | Четырехосная цистерна для темных нефтепродуктов R1 =1,5 м, h1 = 0,009 м |
6 | Восьмиосная цистерна для бензина и светлых нефтепродуктов R1 =1,7 м, h1 = 0,009 м |
7 | Восьмиосная цистерна для бензина и светлых нефтепродуктов R1 =1,5 м, h1 = 0,009 м |
8 | Четырехосная цистерна для сжиженных газов R1 =1,5 м, h1 = 0,030 м |
9 | Четырехосная цистерна для сжиженных газов R1 =1,4 м, h1 = 0,025 м |
0 | Безрамная четырехосная цистерна для бензина и светлых нефтепродуктов R1 =1,7 м, |
Содержание отчета
Тема занятий; дата выполнения; цель работы; результаты работы; ответы на
контрольные вопросы.
Список использованных источников
Комментарии (0)