Вагон-цистерна для перевозки вязких и застывающих грузов модель 15-1255-01
Вагон-цистерна
для перевозки вязких и застывающих грузов модель 15-1255-01
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Расчет статических напряжений
. Расчет параметров циклического нагружения продольными
нагрузками
. Расчет параметров циклического нагружения вертикальными
нагрузками
. Расчет амплитуд динамических напряжений
. Расчет пределов выносливости
. Расчет коэффициентов запаса усталостной прочности
Заключение
Перечень ссылочных документов
Лист регистрации изменений
Введение
Настоящий расчет выполнен с целью оценки сопротивления усталости
вагона-цистерны для перевозки вязких и застывающих грузов модели 15-1255-01
(далее по тексту вагона), изготовленного на ОАО «Рузхиммаш» по конструкторской
документации 1237.00.00.000.
Оболочка котла состоит из обечайки и двух днищ. Материал оболочки -
низколегированная сталь марки 09Г2С-14 ГОСТ 5520-79.
Расчет производится в соответствии с «Нормами для расчета и
проектирования вагонов, железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)», 1996
г. [1].
При расчете использовались данные СТО-00212127-07104-2005 «Вагоны
грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества», М.:
ГосНИИВ, 1995 г. [2].
Основные параметры вагона-цистерны:
Масса БРУТТО, т 94
Грузоподъемность, т 62
Диаметр котла внутренний, мм 2890
Номинальная толщина: обечайки котла, мм 8
броневого листа, мм 11
днищ котла, мм 10
Конструкционная скорость движения, м/с 33,3
Назначенный срок службы вагона, лет 32
Расчетные механические свойства материала обечайки котла [1, с. 294]:
- предел
текучести σТ, МПа 345
временное
сопротивление σВ, МПа 490
предел
выносливости (среднее значение гладкого
стандартного
образца) 
, МПа 225
Расчетные механические свойства материала броневого листа и днищ [1, с.
294]:
- предел
текучести σТ, МПа 325
временное
сопротивление σВ, МПа 470
предел
выносливости (среднее значение гладкого
стандартного
образца) , МПа 210
1. Расчет статических напряжений
Для оценки
сопротивления усталости выбраны наиболее напряженные зоны:
тавровое
соединение обечайки люка с обечайкой котла (с полным проваром шва);
нахлесточное
соединение лап с броневым листом (без скоса кромок);
тавровое
соединение опорных швеллеров с броневым листом (без скоса кромок).
Перечисленные
зоны далее имеют условные обозначения А, Б, В (рисунок 1).
Рисунок 1 - Расположение зон оценки сопротивления усталости
Оценка
усталостной прочности производилась в соответствии с указаниями «Норм…», по
коэффициенту запаса сопротивления усталости по формуле [1, с. 57, формула 3.7]
для каждой потенциально опасной зоны
; 
; 
где 
, 
, 
МПа - предел выносливости (по амплитуде) при
симметричном цикле и установившемся режиме нагружения при базовом числе циклов
N0 =107;
, 
, 
, МПа -
величина амплитуды динамического напряжения условного симметричного цикла,
приведенная к базовому числу циклов N0, эквивалентная повреждающему воздействию
реальному режиму эксплуатационных напряжений за расчетный срок службы;
[n]
= 1,8 - минимально допустимый коэффициент запаса сопротивления усталости за
выбранный срок службы [1, с. 75, таблица 3.6].
Для
определения амплитуд динамических напряжений выполнялся расчет
напряженно-деформированных состояний котла вагона:
от
действия инерционных сил и внутреннего давления гидроудара, возникающих
вследствие продольных ударов в автосцепку (рисунок 2);
от
постоянно действующего давления паров битума (рисунок 3);
от
действия веса БРУТТО котла (рисунок 4).
вагон цистерна груз перевозка
Рисунок
2 - Напряженное состояние оболочки котла от инерционных нагрузок при ударе
силой 3,5 МН в автосцепку и давления гидроудара руд = 0,352 МПа
Рисунок
3 - Напряженное состояние оболочки котла от давления паров pпар = 0,07 Мпа
Рисунок
4 - Напряженное состояние оболочки котла от веса БРУТТО
Значения
напряжений для каждой зоны вычислены методом конечных элементов с помощью
программы MSC.PATRAN/NASTRAN.
2. Расчет параметров циклического нагружения
продольными нагрузками
На
основании проведенных расчетов напряжений от действия инерционных сил и
внутреннего давления гидроудара, возникающих вследствие продольных ударов в
автосцепку (рисунок 2) имеем
= 37,0
МПа ; 
= 92,5 МПа ; 
= 14,8
МПа
Уровни
амплитуд напряжений от действия продольной ударной силы и давления гидроудара
можно пересчитать по формулам
; 
; 
где 3,5
МН - расчетная величина продольной ударной силы, соответствующая расчетным
напряжениям ; σ1Б и .
, МН [2,
с. 26, таблица 9.2] - поинтервальный уровень амплитуд ударных сил по
СТО-00212127-07104-2005.
Приведение
величины амплитуд динамических напряжений к эквивалентному симметричному циклу
осуществляется по формуле
; 
; 
где 
, 
и 
- средние значения напряжений;
ψσ = 0,05 [3, с. 34, таблица 3] - коэффициент,
учитывающий влияние постоянной составляющей цикла.
Для
определения средних значений 
рассмотрим
график изменения напряжений в процессе периодически изменяющихся ударных
воздействий от 0 МН до максимума с учетом некоторого уровня постоянно
действующих напряжений от давления паров битума и от веса БРУТТО в статике
(рисунок 5).
Рисунок
5 - График изменения напряжений при отнулевом цикле
В
соответствии с ассиметричным циклом изменения напряжений (рисунок 5) запишем
выражение для определения среднего значения напряжений от действия продольных
ударных сил
и 
и 
и 
Расчет
параметров циклического нагружения продольными нагрузками для зоны «А» приведен
в таблице 1
Таблица
1 - К расчету параметров циклического нагружения зоны продольными
нагрузками ( = 37,0 МПа; 
= 10,6
МПа; 
; ψσ
= 0,05)
|
Амплитуда цикла F1i, МН
|
Уровни амплитуд напряжений
|
Частость р1i
|
|
, МПа
,
|
МПа
|
|
|
|
|
|
0,25
|
2,6
|
5,5
|
0,126
|
115,3
|
|
0,6
|
6,3
|
9,4
|
0,285
|
2225,1
|
|
1
|
10,6
|
13,9
|
0,28
|
10452,4
|
|
1,4
|
14,8
|
18,3
|
0,183
|
20523,7
|
|
1,8
|
19
|
22,7
|
0,077
|
20445,3
|
|
2,2
|
23,3
|
27,2
|
0,036
|
19705,1
|
|
2,6
|
27,5
|
31,6
|
0,0102
|
10170,6
|
|
3
|
31,7
|
36
|
0,0024
|
4031,1
|
|
3,4
|
35,9
|
40,4
|
0,0003
|
799,2
|
|
3,8
|
40,2
|
44,9
|
0,0001
|
406,4
|
|
|
Σ
=
|
1
|
88875
|
Расчет параметров циклического нагружения продольными нагрузками для зоны
«Б» приведен в таблице 2
Таблица
2 - К расчету параметров циклического нагружения зоны "Б"
продольными нагрузками ( = 92,5 МПа; 
= 9,5 МПа;
; ψσ =
0,05)
|
Амплитуда цикла F1i, МН
|
Уровни амплитуд напряжений
|
Частость р1i
|
|
, МПа
,
|
МПа
|
|
|
|
|
|
0,25
|
6,6
|
8,3
|
0,126
|
598
|
|
0,6
|
15,9
|
18,1
|
0,285
|
30588,6
|
|
1
|
26,4
|
29,1
|
0,28
|
200784,4
|
|
1,4
|
37
|
40,3
|
0,183
|
482693,3
|
|
1,8
|
47,6
|
51,4
|
0,077
|
537456,4
|
|
2,2
|
58,1
|
62,4
|
0,036
|
545809,2
|
|
2,6
|
68,7
|
73,5
|
0,0102
|
297679,9
|
|
3
|
79,3
|
84,7
|
0,0024
|
123522,2
|
|
3,4
|
89,9
|
95,8
|
0,0003
|
25268,7
|
|
3,8
|
100,4
|
106,8
|
0,0001
|
13010,2
|
|
|
Σ
=
|
1
|
2257411
|
Расчет параметров циклического нагружения продольными нагрузками для зоны
«В» приведен в таблице 3
Таблица
3 - К расчету параметров циклического нагружения зоны "В"
продольными нагрузками ( = 14,8 МПа; 
= 8 МПа;
; ψσ = 0,05)
|
Амплитуда цикла F1i, МН
|
Уровни амплитуд напряжений
|
Частость р1i
|
|
, МПа
,
|
МПа
|
|
|
|
|
|
0,25
|
1,1
|
11,3
|
0,126
|
2054,4
|
|
0,6
|
2,5
|
12,8
|
0,285
|
7650,4
|
|
1
|
4,2
|
14,6
|
0,28
|
12722,4
|
|
1,4
|
5,9
|
16,4
|
0,183
|
13238,1
|
|
1,8
|
7,6
|
18,1
|
0,077
|
8264,3
|
|
2,2
|
9,3
|
19,9
|
0,036
|
5645,7
|
|
2,6
|
11
|
21,7
|
0,0102
|
2261,7
|
|
3
|
12,7
|
23,5
|
0,0024
|
732
|
|
3,4
|
14,4
|
25,3
|
0,0003
|
122,9
|
|
3,8
|
16,1
|
27,1
|
0,0001
|
53,9
|
|
|
Σ
=
|
1
|
52746
|
3. Расчет параметров циклического
нагружения вертикальными нагрузками
На основании проведенных расчетов напряжений от действия веса БРУТТО
(рисунок 4) имеем
= 43,2
МПа ; 
= 17,7 МПа ; 
= 194,3
МПа
Уровни
амплитуд напряжений от действия вертикальных динамических сил определялись по
формуле
; 
; 
Значение
для скоростных интервалов определялись по формулам
[1, с. 16/17, формулы 2.2/2.3]
при 
< 15 м/с 
при ≥ 15 м/с 
где а
= 0,05 [1, с. 17] - коэффициент для элементов кузова;- коэффициент, учитывающий
влияние числа осей n = 2 в тележке под одним концом экипажа
, м/с -
средние скорости интервалов распределения скоростей [1, с. 72, таблица 3.4];СТ
- расчетный статический прогиб рессорного подвешивания груженого вагона
БРУТТО
= 94 т - масса БРУТТО вагона-цистерны;Т = 8,22 т - масса необрессоренных частей
тележек;
Ж
= 8900 кН/м = 8,9·106 Н/м - расчетная жесткость рессорного комплекта.
Приведение
величины амплитуд динамических напряжений к эквивалентному симметричному циклу
осуществляется по формуле
; 
; 
где 
, 
и 
- средние значения напряжений
В
соответствии с ассиметричным циклом изменения напряжений (рисунок 5) запишем
выражение для определения среднего значения напряжений от действия продольных
ударных сил
и 
и 
и 
Расчет
параметров циклического нагружения вертикальными нагрузками для зоны «А»
приведен в таблице 4
Таблица
4 - К расчету параметров циклического нагружения зоны "А"
вертикальными нагрузками ( = 43,2 МПа; = 10,6
МПа; ψσ = 0,05)
|
Средняя скорость Vj, м/с
|
Уровни амплитуд напряжений
|
|
|
|
|
МПаЧастость р2j
|
|
|
|
|
|
6,25
|
0,021
|
0,9
|
3,6
|
0,03
|
5
|
|
13,75
|
0,046
|
2
|
4,8
|
0,07
|
37,2
|
|
16,25
|
0,060
|
2,6
|
5,4
|
0,09
|
76,5
|
|
18,75
|
0,079
|
3,4
|
6,3
|
0,12
|
189
|
|
21,25
|
0,098
|
4,2
|
7,1
|
0,16
|
406,6
|
|
23,75
|
0,117
|
5,1
|
8
|
0,19
|
778,2
|
|
26,25
|
0,136
|
5,9
|
8,9
|
0,16
|
1003,9
|
|
28,75
|
0,155
|
6,7
|
9,7
|
0,1
|
885,3
|
|
31,25
|
0,174
|
7,5
|
10,6
|
0,06
|
757,5
|
|
33,75
|
0,194
|
8,4
|
11,5
|
0,02
|
349,8
|
|
|
|
Σ
=
|
1
|
4489
|
Расчет параметров циклического нагружения вертикальными нагрузками для
зоны «Б» приведен в таблице 5
Таблица
5 - К расчету параметров циклического нагружения зоны "Б"
вертикальными нагрузками (
= 17,7 МПа; = 9,5
МПа; ψσ = 0,05)
|
Средняя скорость Vj, м/с
|
Уровни амплитуд напряжений
|
|
|
|
|
МПаЧастость р2j
|
|
|
|
|
|
6,25
|
0,021
|
0,4
|
1,8
|
0,03
|
|
13,75
|
0,046
|
0,8
|
2,2
|
0,07
|
1,6
|
|
16,25
|
0,060
|
1,1
|
2,5
|
0,09
|
3,5
|
|
18,75
|
0,079
|
1,4
|
2,8
|
0,12
|
7,4
|
|
21,25
|
0,098
|
1,7
|
3,1
|
0,16
|
14,8
|
|
23,75
|
0,117
|
2,1
|
3,6
|
0,19
|
31,9
|
|
26,25
|
0,136
|
2,4
|
3,9
|
0,16
|
37
|
|
28,75
|
0,155
|
2,7
|
4,2
|
0,1
|
31,1
|
|
31,25
|
0,174
|
3,1
|
4,6
|
0,06
|
26,9
|
|
33,75
|
0,194
|
3,4
|
4,9
|
0,02
|
11,5
|
|
|
|
Σ
=
|
1
|
166
|
Расчет параметров циклического нагружения вертикальными нагрузками для
зоны «В» приведен в таблице 6
Таблица 6 - К расчету параметров циклического нагружения зоны
"В" вертикальными нагрузками ( = 194,3 МПа; = 8 МПа; ψσ
= 0,05)
|
Средняя скорость Vj, м/с
|
Уровни амплитуд напряжений
|
|
|
|
|
МПаЧастость р2j
|
|
|
|
|
|
6,25
|
0,021
|
4,1
|
14,4
|
0,03
|
1289,9
|
|
13,75
|
0,046
|
8,9
|
19,5
|
0,07
|
10121,3
|
|
16,25
|
0,06
|
11,7
|
22,4
|
0,09
|
22658,7
|
|
18,75
|
0,079
|
15,3
|
26,2
|
0,12
|
56544
|
|
21,25
|
0,098
|
19
|
30,1
|
0,16
|
131336,7
|
|
23,75
|
0,117
|
22,7
|
34
|
0,19
|
253903,8
|
|
26,25
|
0,136
|
26,4
|
37,8
|
0,16
|
326653,4
|
|
28,75
|
0,155
|
30,1
|
41,7
|
0,1
|
302373,8
|
|
31,25
|
0,174
|
33,8
|
45,6
|
0,06
|
259424,3
|
|
33,75
|
0,194
|
37,7
|
49,7
|
0,02
|
122026,9
|
|
|
|
Σ
=
|
1
|
1486333
|
4. Расчет амплитуд динамических напряжений
Определяем суммарное число циклов продольной ударной силы за расчетный
срок службы вагона [2, с. 27]
где Nг
= 20197 [2, с. 26, таблица 9.2] - число ударных сил на автосцепку в год;
Тр
= 32 года - назначенный срок службы вагона;
Определяем
суммарное число циклов вертикальных динамических сил за расчетный срок службы
вагона [1, с. 69]
где fЭ
- центральная (эффективная) частота процесса изменения динамических напряжений
[1, с. 69, формула 3.15]
а
= 1,4 [1, с. 69] - коэффициент для кузова;
-
среднесуточный пробег вагона
=
210000 км - наибольший срок пробега от постройки до первого деповского ремонта
(согласно ТУ 3182-155-00217403-2010);
Т
= 3 года - наибольший срок пробега от постройки до первого деповского ремонта
(согласно ТУ 3182-155-00217403-2010);Т = 22,4 м/с [1, с. 72, формула 3.4] - средняя
техническая скорость движения.
Величина
амплитуды динамического напряжения условного симметричного цикла, приведенная к
базовому числу циклов N0 = 10000000, эквивалентная повреждающему воздействию
реальному режиму эксплуатационных напряжений за расчетный срок службы
для
зоны «А»
где m
= 4 [1, с. 69] - показатель степени в уравнении кривой усталости в амплитудах;
(см. таблицу
1 на с. 8)
(см.
таблицу 4 на с. 11)
для зоны «Б»
где 
(см. таблицу 2 на с. 8)
(см.
таблицу 5 на с. 11)
для
зоны «В»
где 
(см. таблицу 3 на с. 9)
(см.
таблицу 6 на с. 12).
5. Расчет пределов выносливости
Расчетные значения σa,N определялись по формуле [1, с. 58, формула 3.8]
;
;
где 
, 
, 
, МПа - среднее (медианное) значение предела
выносливости контрольной зоны;= 1,645 - квантиль распределения σa,N, соответствующий односторонней вероятности 95 %
[1, с. 58];
= 0,07 -
коэффициент вариации предела выносливости [1, с. 58].
Значения
определялись по формуле [1, с. 58, формула 3.9]
где 
= 225 МПа, 
= 
= 210 МПа - средние (медианные) пределы выносливости
гладкого стандартного образца при симметричном цикле изгиба на базе No=107
циклов для зон «А», «Б» и «В» соответственно;
= 4, 
= 5,2 и 
= 4,8 -
средние значения общего коэффициента снижения предела выносливости в зонах «А»
, «Б» и «В» соответственно, по отношению к пределу выносливости гладкого
стандартного образца [1, с. 61, таблица 3.2];
Определяем
пределы выносливости для симметричного цикла при базовом числе циклов N0 =107
6. Расчет коэффициентов запаса усталостной
прочности
Оценка
усталостной прочности производилась в соответствии с указаниями «Норм…», по
коэффициенту запаса сопротивления усталости по формуле [1, с. 57, формула 3.7]
для каждой потенциально опасной зоны
Заключение
Выполненные
расчеты по оценке сопротивления усталости показали, что полученные коэффициенты
запаса усталости наиболее напряженных зон котла вагона-цистерны модели
15-1255-01 не меньше допускаемого коэффициента запаса [n]=1,8. Прочность котла обеспечена на весь расчетный срок
службы котла 32 года.
Перечень ссылочных документов
1. Нормы
для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм
(несамоходных). ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996 г. с изменениями и дополнениями 2000 г.
. СТО-00212127-07104-2005
«Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые
качества». М.: ГосНИИВ, 1995 г.
Расчет
на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б.
Иосилевич. М.: Машиностроение, 1993 - 640 с.
ТУ
3182-155-00217403-2010 Вагон-цистерна для перевозки вязких и застывающих грузов
модель 15-1255-01