ПРОЧНОСТЬ КОРПУСА И КЛИНЬЕВ
Корпусы большей части амортизаторов можно рассматривать как призматическую или цилиндрическую оболочку замкнутого профиля. Например, для поглощающего аппарата Ш-1-Т или Ш-2-Т эта оболочка имеет шестигранную форму.
Основной нагрузкой корпуса является распорное давление клиньев амортизатора. Распределение этого давления определяется характером прилегания клиньев, а его величина зависит от конструкции, геометрических параметров и эффективности амортизатора. Сила, с которой клинья нагружают корпус, определяется в зависимости от типа амортизатора по уравнениям вида (22). При полном сжатии амортизатора, кроме указанной нагрузки, на корпус будет действовать через его верхний край сжимающая сила, направленная вдоль оси амортизатора. Величина этой силы зависит от того, насколько энергия удара превышает эффективность амортизатора.
Для уточненного расчета напряжений от сил, действующих со стороны клиньев, корпус можно рассматривать как короткую оболочку и использовать методику В. 3. Власова [3]. Теоретический анализ прочности корпуса аппарата Ш-1-Т был выполнен Е. М. Палечек. В своей работе [33] он, в частности, показал, что сложную пространственную задачу с удовлетворительной точностью можно заменить расчетом плоской замкнутой рамы, вырезанной из горловины корпуса двумя параллельными поперечными сечениями. Расчет такой рамы легко выполняется обычными методами строительной механики.
Давление клиньев на корпус по высоте и ширине с достаточным приближением можно принимать равномерно распределенным. Такой характер нагрузки соответствует работе правильно изготовленного амортизатора с хорошо приработанными поверхностями трения, т. е. отвечает состоянию амортизатора, когда его эффективность и суммарное давление от клиньев ‘на корпус оказываются наибольшими. При неточном изготовлении 9* — 131
Амортизатора и в процессе его приработки неизбежно возникают неравномерности в распределении давления между клиньями и корпусом; однако, пока амортизатор не приработаїн и коэффициенты трения не достигли наибольшей величины, суммарное давление оказывается меньшим, чем при полной приработке.
Фиг. 54. Схемы действия сосредоточенных сил на корпус амортизатора при неблагоприятном сочетании допусков на угол 6- |
![]() |
В некоторых случаях, при неблагоприятном сочетании допусков на изготовление корпуса и клиньев, а также при наличии больших неровностей на поверхностях трения возможно возникновение значительных сосредоточенных сил, например, по краям (фиг. 54, а) или по середине (фиг. 54, б) клиньев. В этом случае процесс приработки может сопровождаться пластическими де —
Фиг. 55. Исходные расчетные схемы для корпусов амортизаторов различной Формы. |
Формациями корпуса, которые приведут к изменению характера прилегания клиньев и соответствующему перераспределению нагрузки.
Незначительные пластические деформации в процессе приработки можно считать допустимыми, если они приводят к равномерному распределению нагрузки между клином и корпусом. Более того, некоторые пластические деформации корпуса могут оказаться даже полезными в эксплуатации, снижая суммарное рабочее напряжение и повышая предел выносливости корпуса, подобно тому, как это имеет место в заневоленных пружинах.. Однако применительно к фрикционным амортизаторам удара этот вопрос требует специальной разработки. Исходные 132
Расчетные схемы для трех корпусов разной формы показаны на фиг. 55. Если форма поперечного сечения корпуса и нагрузка от клиньев симметричны относительно нескольких осей, проходящих через центр сечения (фиг. 55, а и б), то расчет существенно упрощается. В данном случае достаточно рассмотреть часть стенки корпуса как балку, заделанную двумя концами.
Фиг. 56. Расчетная схема для стенки корпуса шестигранного амортизатора: А — с симметричной нагрузкой по длине грани; б — с нагрузкой не по всей длине грани. |
В) |
![]() |
![]() |
Так, для шестигранного корпуса, полагая, что нагрузка приложена по всей длине грани а, получим схему, показанную на
Фиг. 56, а. Нагрузка на одну грань (см. фиг. 55 и 56) со
Гласно уравнению (19) будет
N: |
М‘ (212)
2 sin Є
Для шестигранного аппарата, имеющего угол 0 = 60°,
N: |
(213) |
/з /з-‘
Равномерно распределенная нагрузка по всей длине грани а:
* = Чтг- (214)
А у 3
Напряжения в стенках корпуса возникают от изгиба и от растяжения. Изгибающий момент М в углах корпуса будет
М’—1гт’ <215)
Мг |
Подставив сюда ^ из формулы (214), получим
(216)
12 ^ 3
Величину растягивающей силы N2 найдем из условия равновесия одной панели шестигранника:
N[ = 2Nosin у = ‘2N2sin 30° = ЛА>;
Рассмотренное сечение в углу корпуса между клиньями является основным расчетным. Опыт эксплуатации и результаты испытания показывают, что разрушение корпуса чаще всего наблюдается именно в этих сечениях (фиг. 57).
Фиг. 58. Основная расчетная схема для расчета корпуса амортизатора, сечение которого представлено на фиг. 55, в, методом сил. |
Где ХРх и ^— соответственно момент сопротивления и площадь расчетного сечения. |
Фиг. 57. Корпус поглощающего аппарата Ш-1-Т с типичным разрушением в углу между клиньями. |
![]() |
Напряжение в расчетном сечении с учетом изгиба и растя — жения будет
Расчетное сечение представляет собой трапецию с высотой А и шириной оснований 6 и Для аппаратов Ш-1-Т.
Ввиду малого угла 7 =2°, можно считать расчетное сечение прямоугольником с площадью
Р=Ъ-к. (219)
На величину напряжения в рассматриваемом сечении неко — торое влияние оказывает также кривизна бруса; однако ввиду сравнительно малой кривизны в приближенном расчете это влияние можно не учитывать.
Размер б соответствует толщине стенки корпуса по верхнему обрезу горловины; к — высота горловины, которая включается в работу при полном сжатии аппарата. Применительно к конструкции аппарата Ш-1-Т высоту Н можно принимать равной расстоянию от верхнего обреза горловины до нижнего края
134
Клина при полном его погружении (/г = 160 мм) вследствие этого запас прочности увеличивается.
Кроме напряжений а и действующих в плоскости, перпендикулярной к оси амортизатора, возникают напряжения сжатия сг2 вдоль оси амортизатора. Величину этих напряжений найдем из условия
Рщр
А2 = — р~=—(220) г к 1 к
Где Ртр — сила трения, направленная вдоль оси аппарата от всех клиньев;
-/V’ — нормальная сила для одной грани, определяемая
По формуле (19); п — число граней;
/—коэффициент трения между клином и гранью корпуса;
Рк — площадь поперечного сечения корпуса в месте определения напряжений.
Если в отличие от рассмотренного случая нагрузка приложена не по всей длине грани, то для расчета следует взять часть стенки с симметричной нагрузкой (см. фиг. 56, б). Когда не все грани корпуса одинаково загружены (фиг. 55, в), для расчета напряжений применйм метод сил. При этом для корпуса, представленного на фиг. 55, в, основную расчетную схему можно принять такой, как показано на фиг. 58, для которой составляют обьгчіную систему канонических уравнений метода сил. По этой системе вычисляют силовые факторы Х и Х%.
Когда при ударе амортизатор закрывается полностью и часть силы передается на корпус непосредственно от нажимной плиты, то в дополнение к напряжениям сжатия, вычисленным от сил со стороны клиньев, нужно учесть напряжения аз от непосредственного сжатия корпуса силой Р3. Величина этой силы определяется по энергии Эк удара, дополнительно воспринятой корпусом:
ЭК = Э-ЭЯ9 (221)
Где Э — полная энергия удара, приходящаяся на амортизатор, за вычетом энергии, затраченной на деформацию конструкции, на которой установлен амортизатор;
Эп — эффективность амортизатора, которая должна определяться с учетом изменения коэффициентов трения от скорости скольжения [см. формулу (181)].
Где жк |
Если деформация корпуса остается в пределах упругости, силу Р3 находят из соотношения
Жесткость корпуса при сжатии. Заменяя корпус эквивалентным призматическим стержнем, получим
Жк = Щ*~, (223)
Где Е— модуль упругости материала корпуса;
/^ — площадь поперечного сечения корпуса;
Н— высота корпуса.
Напряжение сжатия от силы Р3 будет
. (224)
К
Суммарное расчетное напряжение сжатия в стенках корпуса находим из условия
°сж = а2 + аз — (225)
Нижняя часть корпуса амортизатора, не воспринимающая непосредственно давление клиньев, испытывает в основном напряжение, вызываемое силами, сжимающими корпус.
У поглощающих аппаратов автосцепного устройства корпус обычно делается литым, а его форма и размеры определяются
Также технологическими соображениями и необходимостью фик
Сировать положение аппарата в хребтовой балке вагона. Нередко элементы корпуса характеризуются существенной нерав — иопрочностью; наибольшие напряжения обычно бывают в горловине в зоне прилегания клиньев. Например, в аппаратах Ш-1-Т, как выше указывалось, обычно наблюдаются разрушения в углах горловины.
Дно корпуса рассчитывается как пластина, условия загру — жения и опирания которой зависят от конструкции корпуса и элементов сооружения, воспринимающего давление от амортизатора. Конструкция дна корпуса и условия его нагружения весьма сложны, в частности, имеет место неопределенность в условиях прилегания корпуса к упорам хребтовой балки [22]. В качестве грубо приближенного расчета напряжений в дне призматического или цилиндрического корпуса можно рассматривать его как свободно опертую круглую пластину с радиусом, равным радиусу окружности, описанной вокруг многогранника. Вследствие этого допущения запас прочности увеличивается. Расчетное напряжение в данном случае будет [38]
— з (3 + ц) /оодч
^тах 0^ » 2i2b)
Где г — радиус пластины; б — толщина пластины;
Ц — коэффициент Пуассона;
— интенсивность равномерно распределенной нагрузки;
~ -£г ’ <227>
Где Р — сила, действующая на дно амортизатора со стороны упругих элементов.
Прочность и износостойкость клиньев определяются величиной давления р на поверхностях трения и работой трения А. Допускаемые величины р и А следует выбирать в зависимости от материала и его свойств. Для стальных закаленных поверхностей допускают [р]=500-^-600 кГ/см2. Для специальных фрикционных материалов некоторые данные о давлении [р] приведены в гл. XI.
Определить величину [А] пока трудно, так как нет достаточно обоснованных данных. Приближенно можно считать для поглощающих аппаратов автосцепного устройства, что при Л = = 3 500 000 кГм износ не должен приводить к снижению эффективности более чем на 5%.
1. ПРИМЕР РАСЧЕТА
Определить напряжения в стенках корпуса (в углах между клиньями) аппарата Ш-1-Т с хорошо приработанными поверхностями трения (f=0,29), если наибольшая сила ударного сжатия аппарата, соответствующая полному ходу (^сло^ = 70 мм), равна Р = 100 т, жесткость выталкивающих пружин ж=1300 кГ/см, начальная затяжка пружин х0п=Ю мм, угол наклона корпуса 7=2°, толщина стенки 6 = 22 мм, ширина грани а=100 мм.
Суммарную нормальную нагрузку на стенки корпуса от одного клина вычислим по формуле (22):
Дг _ Р ж (х х^) _____________ 100 000 — 1300 (7+ 1) _______ п^ч и г.
1 3 (/! cos у + sin у) ~ 3 (0,335 • 0,999 — f 0,0349) ~ w UUU ’
Здесь
F =____ ….. ….. в>^9 Q оо г
Yi sin 60° — 0,866 — и>00°-
Расчетную растягивающую силу N2 определим по формуле (217):
ЛГ2 = -^==——- = 51 600 кГ.
УЗ 1,74
Изгибающий момент в расчетном сечении найдем по формуле (216):
Дл IV1 и ___________ 90 000 • 10______ .л р
М ———— — р=- =———— = 43 000 кГсм.
12 УЗ 20,9
Момент сопротивления ^х, площадь ¥ расчетного сечения оответственно будут (считая сечение прямоугольником)
УХ = = 16 б2,22 = 12,8 см?- 16 • 2,2^35,2 см2.
Суммарное напряжение в плоскости поперечного сечения равно
‘1=-^-+^=-^-+^-=4820 кГ^.
Напряжение сжатия а2 вдоль оси амортизатора вычислим по формуле (220):
Л^-/г-/ Ых • п • / 90000-6-0,29 ало П1 *
—————— — 1 у — — = 648——— кГ/см2.
2 Р* /3 Рк /3-140
Как видно, для аппаратов с хорошо приработанными клиньями напряжение в углах корпуса может достигать предела текучести. Это иногда наблюдается в эксплуатации, о чем свидетельствует наличие остаточных пластических деформаций в некоторых корпусах аппаратов, находившихся в эксплуатации.
Оценивая влияние износа на прочность корпусов амортизаторов, нужно учитывать два обстоятельства. С одной стороны, уменьшение толщины стенок корпуса снижает их прочность, с другой стороны, под влиянием износа изменяются силовые взаимодействия между элементами амортизатора, причем уменьшаются эффективность и усилия, передаваемые от клиньев на корпус. Величина изменения напряжения в корпусе аппарата зависит от совместного влияния этих обстоятельств. В аппаратах Ш-1-Т часто наблюдаются случаи, когда уменьшение нагрузок на корпус, вызванное износом, снижает напряжения в большей степени, чем они увеличиваются от уменьшения толщины стенок, поэтому износ часто не увеличивает опасность разрушения корпуса.