Вагон-цистерна для перевозки вязких и застывающих грузов модель 15-1255-01

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вагон-цистерна для перевозки вязких и застывающих грузов модель 15-1255-01

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Расчет статических напряжений

2. Расчет параметров циклического нагружения продольными нагрузками

3. Расчет параметров циклического нагружения вертикальными нагрузками

4. Расчет амплитуд динамических напряжений

5. Расчет пределов выносливости

6. 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 уТ, МПа 345

- временное сопротивление уВ, МПа 490

- предел выносливости (среднее значение гладкого

стандартного образца) , МПа 225

Расчетные механические свойства материала броневого листа и днищ [1, с. 294]:

- предел текучести уТ, МПа 325

- временное сопротивление уВ, 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 ; у1Б 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;

шу = 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; ; шу = 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
		У =	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; ; шу = 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
		У =	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;; шу = 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
		У =	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;

b - 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];

fСТ - расчетный статический прогиб рессорного подвешивания груженого вагона

БРУТТО = 94 т - масса БРУТТО вагона-цистерны;

mТ = 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; шу = 0,05)

Средняя скорость Vj, м/с		Уровни амплитуд напряжений
			МПа	Частость 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
			У =	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; шу = 0,05)

Средняя скорость Vj, м/с		Уровни амплитуд напряжений
			МПа	Частость р2j
6,25	0,021	0,4	1,8	0,03	0,3
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
			У =	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; шу = 0,05)

Средняя скорость Vj, м/с		Уровни амплитуд напряжений
			МПа	Частость 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
			У =	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

L = 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);

VТ = 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 уa,N определялись по формуле [1, с. 58, формула 3.8]

;

;

где , , , МПа - среднее (медианное) значение предела выносливости контрольной зоны;

zP = 1,645 - квантиль распределения уa,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.

2. СТО-00212127-07104-2005 «Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества». М.: ГосНИИВ, 1995 г.

3 Расчет на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. М.: Машиностроение, 1993 - 640 с.

4 ТУ 3182-155-00217403-2010 Вагон-цистерна для перевозки вязких и застывающих грузов модель 15-1255-01

Размещено на Allbest.ru