Определение линейных размеров цистерны

Наружная длина котла вычисляется по формуле

, (1.19)

где – толщина днища.

Длина рамы по концевым балкам равна

, (1.20)

где – расстояние от наружной поверхности котла до лобового листа концевой балки; = –-250... +425мм. У 8-осных цистерн котел выступает за раму до 250 мм, а у 4-осных он или равен длине рамы, или не доходит до лобового листа от 90 до 425мм.

База цистерны вычисляется по формуле

. (1.21)

Длина консольной части равна

. (2.22)

Если длина рамы проектируемой цистерны получается больше, чем у унифицированной, т.е. более 10800 мм, то в этом случае необходимо принять = 1500мм, а длину рамы равной наружной длине котла, округлив ее в пределах от 0 до -250мм, получив, таким образом, базу цистерны равной, например, 21 = 7800, 8200, 8400, 8600 мм и т.д.

Длина цистерны по осям сцепления автосцепок

, (1.23)

где – вылет автосцепки, = 0,61 м.

Известно, что сокращение межвагонных промежутков приводит к улучшению характеристик вагона, в том числе основных из них - к повышению погонной нагрузки и снижению транспортных издержек. В цистернах более просто, по сравнению с другими типами вагонов, можно уменьшить расстояние между соседними днищами котла до 500 мм, заглубив автосцепные устройства, при этом можно принять = 0,43 м.

Полная высота цистерны определяется

(1.24)

где – расстояние от головки рельсов до нижней опорной точки котла на раму; для 4-осных цистерн: =1290 мм, для 8-осных цистерн =1134 мм;

– высота люка с крышкой, =0,3 м;

– наружный диаметр котла,

, (1.25)

где – внутренний диаметр котла;

– толщина верхнего листа котла;

– толщина нижнего листа котла.

Величина погонной нагрузки спроектированной цистерны определяется

. (1.26)

Полученное значение погонной нагрузки не должно превышать, допускаемой по заданию

 

2 РАСЧЕТ КОТЛА НА ПРОЧНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ

 

Котлы цистерн рассчитываются на силу внутреннего давления, вертикальные статические и динамические силы, а котлы безрамных цистерн -дополнительно еще и на продольные силы по I и III режимам нагружения /2/. Цилиндрическая оболочка котла проверяется на устойчивость при внешнем давлении.

 

2.1 Расчет котла на внутреннее давление

 

Котел рассчитывается на максимальное внутреннее давление, которое определяется как сумма давления паров жидкости или газа р1 и давления р2, создаваемого гидравлическими ударами жидкости, обусловленных продольными силами инерции, т.е. р = р1+р2.

Расчетная величина давления р1 паров жидкости определяется по регулировке предохранительных клапанов и, в соответствии с техническими требованиями к цистерне данного типа, принимается:

– для цистерн общего назначения p1 =0,15 МПа;

–для кислотных цистерн р1 = (0,25...0,3) МПа.

Наибольшая величина расчетного давления р2, создаваемая гидравлическим ударом в зоне днища, определяется из выражения

(2.1)

где сила инерции жидкости;

внутренний радиус цилиндрической части котла.

Сила инерции жидкости:

(2.2)

где продольная сила, действующая вдоль оси автосцепки, для режима МН, для режима МН;

масса груза.

Достигая наибольшего значения вблизи днища, воспринимающего силу инерции , это давление, в соответствии с нормами расчета вагонов на прочность, убывает по линейному закону до нуля у противоположного днища. Следовательно, расчетное давление р2х, в любом сечении котла, расположенном на расстоянии х от сечения у днища с максимальным значением р2, определяется выражением

; (2.3)

В котле цистерны, подверженном действию внутреннего давления р, возникают напряжения, которые могут быть вычислены по формулам безмоментной теории оболочек. Такие оболочки, не испытывающие изгиба, называют мембранами, а напряжения в них, определяемые без учета изгиба, -мембранными напряжениями. Расчетная схема котла на внутреннее давление представлена на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Расчетная схема котла на внутреннее давление

 

Мембранные напряжения в расчетных сечениях котла составляют:

– в поперечном сечении I – I (меридиональные)

(2.4)

 

– в продольном сечении II-II (экваториальные)

(2.5)

– в сечении Ш-Ш (в месте примыкания цилиндрической части котла к днищу)

, при =0,01…0,12; (2.6)

, при =0,13…0,25. (2.7)

– в оболочке сферического днища

, (2.8)

где – расчетная толщина стенки цилиндрической части котла, (берется на 1мм меньше фактической);

– расчетная толщина днища, (берется на 2 мм меньше фактической);

R2 – радиус днища;

r – радиус переходной зоны от цилиндрической части к днищу.

Помимо этого, в отдельных частях котла возникают дополнительные напряжения:

– в зоне приварки люка к котлу, обусловленные изгибом листов котла и горловины люка;

– в стыковых швах при сварке листов различной толщины.

Эти напряжения суммируются с мембранными напряжениями, определенными по формулам (2.4) и (2.5).

Изгибающий момент для листов котла и горловины люка по средней образующей

, (2.9)

где ррасч – расчетное давление, ррасч = р1 +0,5р2;

β1,β2 – коэффициенты затухания соответственно – для цилиндрической оболочки котла и горловины люка, определяемые по зависимости

, (2.10)

где – внутренний радиус;

– радиус цилиндрической части котла – при определении β1 ; R3 – радиус горловины люка – при определении β3;

– толщина листа; – толщина верхнего листа - при определении β1 ;

– толщина горловины люка при определении β3;

k1, k3 – коэффициенты упругости основания соответственно цилиндрической оболочки и горловины люка

. (2.11)

Дополнительные меридиональные напряжения в цилиндрической части котла в месте приварки люка

. (2.12)

Дополнительные напряжения в горловине люка

. (2.13)

Суммарные меридиональные напряжения в цилиндрической части котла в месте приварки люка

, (2.14)

а напряжения в обечайке люка

, (2.15)

В эти формулы следует подставлять значения Ri и δi котла, если определяются напряжения в верхнем листе котла в месте приварки люка и значения R3 и δз – при определении основных напряжений в люке.

Дополнительные экваториальные напряжения в котле, создаваемые стыковыми швами при сварке листов различной толщины, определяются по формуле′

, (i=1,2), (2,16)

где δб – большая толщина стыкуемого листа котла;

δм – меньшая толщина стыкуемого листа котла;

βi –коэффициент, определяемый из выражения

. (2.17)

При i=1 основные напряжения σ1 и толщина листа δ1 берутся для верхнего листа, а при i= 2: σ2 и δ2 – для нижнего листа.

Экваториальным напряжениям сопутствуют дополнительные меридиональные напряжения

, (2.18)

где μ – коэффициент Пуассона, μ = 0,3.

Суммарные напряжения в месте соединения листов различной толщины:

– меридиональные

; (2.19)

– экваториальные

. (2.20)