Расчетные схемы и методы расчета несущих элементов вагонов-самосвалов

При проектировании вагонов-самосвалов и их узлов должна быть обеспечена необходимая несущая способность всех элементов, предназначенных для воспринятия эксплуатационных нагрузок. Несущую способность конструкций вагонов оценивают применительно к установленным нормам их расчета на прочность, величинам и сочетаниям основных и дополнительных эксплуатационных нагрузок по следующим критериям: допускаемым напряжениям;

необходимым запасам статической и усталостной прочности; допустимым запасам устойчивости; допускаемой деформации (прогибу); требуемой долговечности.

В каждом конкретном случае расчеты несущей способности следует выполнять по тем критериям, которые являются наиболее характерными для условий работы данного элемента.

Элементы кузовов вагонов рассчитывают по допускаемым напряжениям и запасам устойчивости. Элементы ходовых частей вагонов рассчитывают по допускаемым напряжениям и запасам усталостной прочности. Для расчета элемента или узла вагона на каждый вид нагрузки устанавливают расчетную схему.

Расчетные схемы в зависимости от конструкции элемента или узла и действующих нагрузок могут представлять собой пространственные или плоские рамы, фермы, балки с различным закреплением концов и на разных опорах, стержни, оболочки, тонкостенные стержни, балки на упругом основании и др.

Раму кузова вагона-самосвала на действие вертикальной нагрузки рассчитывают как раму, состоящую из продольных и поперечных элементов, нагруженную равномерно распределенной нагрузкой и лежащую на упругих опорах. Продольные и поперечные балки рам кузова в расчетах на вертикальные нагрузки рассматривают неразрезными, но шарнирно опирающимися друг на друга. При наличии металлического настила пола в расчетное сечение балок вводят часть листа настила. Полезная нагрузка, действующая на настил пола, распределяется между металлическими элементами кузова, поддерживающими этот настил, по закону неразрезных балок на жестких опорах.

Хребтовую балку нижней рамы на действие вертикальной нагрузки рассчитывают как балку, лежащую на двух опорах-пятниках и нагруженную сосредоточенными силами или равномерно распределенной нагрузкой. Поперечные балки и опорные кронштейны хребтовой балки в расчетах на вертикальные нагрузки принимают жестко заделанными и нагруженными сосредоточенными силами.

При расчете вагона-самосвала на продольные нагрузки используют следующие расчетные схемы:

нижнюю раму рассчитывают как балку на опорах-пятниках, нагруженную эксцентрично приложенными продольными силами;

упорные элементы хребтовой балки и поперечные балки рамы кузова рассчитывают на горизонтальные инерционные силы по формуле (12); при этом поперечные балки рамы кузова, воспринимающие продольные инерционные усилия, рассматривают как балки, жестко заделанные по концам.

Лобовую стенку на действие распирающих нагрузок рассчитывают по формуле (13) методом расчета отдельных балок. При этом распределение нагрузки между отдельными стойками устанавливают применительно к особенностям конструкции. Продольный борт при расчете на вертикальную нагрузку принимают в виде балки на двух опорах, расположенных в зоне пятниковых узлов. Нагрузка при такой схеме расчета состоит из веса бортов и равномерно распределенной по длине нагрузки, равной 25% полезной нагрузки.

При расчете продольного борта на распирающее действие сыпучих грузов учитывают пассивное или активное давление. В этом случае борт рассматривают как раму, шарнирно опертую в петлях рамы кузова и в точках присоединения тяг механизма открытия бортов. Давление сыпучего груза рассматривают как равномерно распределенную по длине борта нагрузку, нормальную к его пло-кости; 2/3 этой нагрузки приложено к нижнему поясу борта и 1/3 - к верхнему поясу.

Кососимметричные нагрузки, представляющие собой системы взаимно уравновешенных сил, учитывают только при расчетах систем, имеющих жесткую раму, способную воспринимать эту нагрузку.

Расчетные схемы для элементов вагона-самосвала на действие усилий тормозной системы и механизмов устанавливают в зависимости от их взаимодействия, обусловленного конструкцией.

С учетом специфики работы вагона-самосвала его конструкцию дополнительно рассчитывают на устойчивость при разгрузке, а раму кузова - на прочность от ударных нагрузок, возникающих при погрузке транспортируемого груза экскаваторами.

Расчет вагона-самосвала на устойчивость при разгрузке. Поперечную устойчивость вагона-самосвала при разгрузке оценивают по коэффициенту устойчивости

где Л4В - суммарный момент сил, препятствующих опрокидыванию; Ма - суммарный момент сил, вызывающих опрокидывание.

Расчет на устойчивость выполняют исходя из следующих положений:

веса рамы кузова фк, хребтовой балки с устройством (2хр, бортов (2б и тележек фт приложены к соответствующим центрам тяжести;

сила давления ветра, действующая на вагон-самосвал, характеризуется площадью боковой поверхности кузова, умноженной на давление ветра, равное 50 кгс/см2;

плечи действия перечисленных усилий определяют построением (рис. ПО);

при разгрузке груз перемещается единой массой по полу кузова, имеет в поперечном сечении форму неравнобокой трапеции, у которой передняя боковая сторона с горизонтом составляет угол 90°;

угол наклона кузова принят максимальным, предусмотренным техническим заданием;

призма груза со стороны открытого борта ограничена плоскостью, составляющей с горизонтальной плоскостью угол, равный углу обрушивания груза. Остальные стороны призмы при перемещении груза сохраняют первоначальную форму, соответствующую геометрическому объему;

коэффициент устойчивости /гр подсчитывают при различных сдвигах груза (Сг, С2, Сз, . . .) и строят график зависимости &р = (С), где коэффициент &р вагона-самосвала при разгрузке должен быть больше единицы;

ось наклона кузова проходит вдоль головки рельса с внутренней стороны (расстояние от оси симметрии вагона до оси наклона кузова равно 762 мм);

максимальное значение коэффициента трения груза о кузов, при котором сохраняется движение груза единой массой, принято равным 0,67-0,7;

Расчетная схема для определения коэффициента устойчивости вагона-самосвала при разгрузке
Рис. 110. Расчетная схема для определения коэффициента устойчивости вагона-самосвала при разгрузке

заполнение кузова грузом принято на уровне бортов; плотность груза (в т/м3)

где <2 - грузоподъемность вагона-самосвала в т; V - объем кузова в м8.

Полностью открытый борт составляет продолжение настила пола кузова.

С учетом перечисленных допущений коэффициент устойчивости вагона-самосвала где QT - вес порожнего думпкара (тара вагона); АД - сила нормального давления основной части груза на пол кузова; АД = = Q2 cos a; Q2 - вес основной части груза; а - угол наклона кузова; а = 45°; АД- сила нормального давления груза на борт; АД - Ql cos (а Д- Р); QI - вес груза, находящегося на борту; р - угол опережения борта; Р =9°; F4 и F2 - силы трения груза о пол кузова и борт; f - коэффициент трения груза о кузов; F6 - сила трения груза о лобовые стенки; F6 = 0,1 (F4 + F2); Рв - сила давления ветра, действующая на думпкар; Рв = a\S„; w - расчетное давление ветра; w = 50 кгс/м2; Sv - площадь проекции думпкара на вертикальную плоскость, проходящую через ось рельсового пути; Д - расстояние от оси опрокидывания до линии действия силы QT; /2 и /4 - расстояние от оси опрокидывания до соответствующих линий действия сил N4 и N2; 13 и 1^3 - расстояние от оси опрокидывания до линий действия сил трения соответственно F\ и F2; 1ъ - расстояние от оси опрокидывания до линии действия силы давления ветра; h ¦- высота кузова.

При определении расстояний /2 и /4 учитывают, что силы iV4 и N 2 смещены от центров тяжести частей груза в сторону разгрузки на расстояния 1 и где - расстояние от настила пола кузова до центра тяжести основной части груза (призма 2-2-3-3); - расстояние от поверхности борта до центра тяжести груза, расположенного на борту (призма 3-3-4-4).

Для обеспечения необходимой устойчивости вагона-самосвала при разгрузке коэффициент устойчивости должен быть больше единицы. Для серийных вагонов-самосвалов коэффициент устойчивости составляет 1,15-1,3.

(15)

Расчет верхней рамы кузова думпкара на удар падающим грузом.

Многочисленными исследованиями по определению прочности и надежности различных конструкций вагонов-самосвалов, а также опытом их эксплуатации на предприятиях горнодобывающей промышленности установлено, что наиболее наблагоприятными условиями с точки зрения воздействия на конструкцию вагона являются те, которые возникают при погрузке в карьерах экскаваторами с ковшами большой емкости. Наиболее напряженными узлами в конструкции вагонов-самосвалов являются несущие элементы верхней рамы кузова, так как они испытывают большие воздействия при погрузке от ударного нагружения.

Рассмотрим метод расчета на прочность от ударного нагружения рамы вагона-самосвала, в основу которого положено уравнение С. П. Тимошенко для поперечного упругого удара. Это уравнение объединяет теорию общих деформаций (Сен-Венана-Бусинеска) и теорию местных деформаций (Герца).

Верхнюю раму думпкара рассматривают как плоское перекрытие, состоящее из поперечных и продольных балок. При этом учитывают следующие допущения:

поперечные балки одинаковы, расположены на равном расстоянии, жестко связанны с продольными балками в узловых точках, нагружены собственным весом и весом участка пола; нагрузка сосредоточена в узловых точках;

опираются поперечные балки на упругие опоры; жесткость упругих опор определяют по жесткости бортовых продольных балок, продольных бортов и хребтовой балки;

центральные продольные балки шарнирно оперты по концам; удар упругий; при центральном ударе вследствие симметрии думпкара рассматривают одну продольную балку;

продольный болт соединен с верхней рамой без зазоров. Плоское перекрытие представляет собой пространственную статически неопределимую конструкцию. Для раскрытия статической неопределимости перекрытия пользуются условием равенства перемещений узловых точек Шупоп поперечных и Шупрод продольных балок, т. е.

поп прод- О®)

Определение коэффициента приведения массы поперечной балки и реакции поперечной балки в узловой точке. Согласно принятым допущениям поперечную балку можно представить как систему с двумя степенями свободы. Расчетная схема балки приведена на рис. 111.

Тогда

где тб - масса поперечной балки и участка пола; к. - коэффициент приведения.

Рис. 111. Расчетная схема поперечной балки рамы вагона

Для нахождения коэффициента к пользуемся методом Релея. Считаем, что масса балки существенно не влияет на форму колебаний. Тогда

(18)

где до (у, /) - динамическое перемещение любого сечения балки; 1 (/) - динамическое перемещение узловых точек; дост (у) - перемещение любого сечения балки, статически нагруженной силами Рб = т.(? в узловых точках; /ст - перемещение узловых точек под действием тех же сил.

Перемещение дост (у) находим по методу начальных параметров. Тогда

(19)

где EJllр - приведенная (средняя) к длине поперечной балки жесткость; с3 = I3 - Ъ3 - а3.

Перемещение

где тар-^5--сила инерции; у - коэффициент влияния, равный прогибу балки в точках С и С от единичных сил, приложенных в этих точках.

Коэффициент влияния у = У* + У**, (26)

где у* - прогиб балки в точках С и О при шарнирном опирании (определяют обычным путем, например, при помощи интеграла Мора); у** - податливость упругих опор А я В.

Упругими опорами А и В для поперечной балки служат боковые продольные балки, продольные борта и хребтовая балка. Продольный борт и продольную боковую балку при определении у** заменим одной эквивалентной балкой. Жесткость эквивалентной балки находим из условия (20) и равенства прогибов А6орт от единичной силы совместно работающих продольной боковой балки и продольного борта и прогиба Лэкв эквивалентной балки от такой же силы. Расчет ведем по методу сил. Основные системы с «лишними» неизвестными приведены на рис. 112. Системы канонических уравнений для данных систем имеют вид 6ц*і + • • • + 6хв = Дір! _

бвЛ + ¦ • • + <5бв*в = Авр; .

6ц*і + • • • + 613х3 = А; | ^

631*1 -!-•••+ 633X3 = А. |

Коэффициенты б,к, 6гк и свободные члены А, Дгр находим при помощи интеграла Мора (способа Верещагина). Затем решаем системы уравнений (27) и (28).

Расчетные основные системы с «лишними» неизвестными
Рис. 112. Расчетные основные системы с «лишними» неизвестными
Расчетная схема продольной балки, нагруженной распределенными силами инерции
Рис. 113. Расчетная схема продольной балки, нагруженной распределенными силами инерции

Далее определяем прогибы Аборт и Дэкв. Приравняв Дборт и Дэкв, находим /экв.

Для определения у** вычисляем перемещение эквивалентной и хребтовой балок от распределенной нагрузки дЬ = 1 (здесь Ь- длина балки для тех сечений, где расположены поперечные балки). Средняя величина у** для вагонов-самосвалов составляет 42/Е, где Е - модуль упругости стали. Из уравнения (25) найдем

^ = (29)

Дифференциальное уравнение движения поперечной балки и его решение. Продольная балка (рис. 113) нагружена распределенными силами инерции т и силами Д1. Заменяя силы равномерно распределенной нагрузкой г = после преобразований получим

Ь)

(30)

где - расстояние между поперечными балками.

Тогда уравнение движения продольной балки как системы с распределенной массой будет иметь вид

(31)

где Е1 и т* - соответственно жесткость и масса продольной балки.

Это уравнение удовлетворяется лишь в узловых точках х = ]ЬГ Однако при достаточно большом числе балок можно распространить уравнение (31) на все промежуточные значения х в пределах длины продольной балки 0 х Т. Подставив в уравнение (31) выражение (30), получим

(32)

где Р (/) - интенсивность внешней нагрузки.

Выражение (32) представляет собой уравнение свободных колебаний продольной балки. Разделив уравнение (32) на т=-^2- + + т*, получим

^ + ^ + ** = ^(0. (33)

Для случая соударения шара и плоскости (материал одинаков) коэффициент

<40>

где р - коэффициент Пуассона; Р - радиус шара.

Подставив в уравнение (39) выражение для т (?0, Т) из уравнения (38), получим

Из уравнения (46) находим максимальное значение ударной силы, а затем определяем напряжения в элементах рамы вагона.

Нагрузки, действующие на вагоны-самосвалы при их работе | Вагоны-самосвалы | Вагоны-самосвалы, построенные за рубежом