ОПТСС-Лекция 14

Расчетная схема действия нагрузки на пол и нижнюю раму контейнера и ее величина показана на рис. 98. Сосредоточенная нагрузка Р действует одновременно на площади опирания двух передних колес. Контактная площадь шины переднего колеса погрузчиков, используемых на загрузке и разгрузке крупнотоннажных контейнеров, составляет 142 см² и среднетоннажных контейнеров — 40 см².

	Рис. 96. Схема нагружения крупнотоннажного контейнера при подъеме за нижние угловые фитинги
	Рис. 97. Схема нагружения нижней рамы крупнотоннажного контейнера сжатием или растяжением

Рис. 98. Схема нагружения пола среднетоннажного контейнера		Рис. 99. Схема нагружения крупнотоннажного контейнера типоразмеров 1C и 1D при подъеме вилочным погрузчиком
	Рис. 100. Схема нагружения среднетоннажных контейнеров при подъеме и перемещении вилочным погрузчиком

Расчетные схемы подъема крупно- и среднетоннажных контейнеров вилочным захватом погрузчика приведены на рис. 99 и 100. Нагрузка на каждую вилу захвата 0,625Р_бр. Вилочный захват (ширина вил по 200 мм) вводится в пазы на длину, равную 3/4 ширины контейнера.

Основные положения расчета конструкций контейнеров

Контейнер представляет собой сложную пространственную систему, ввиду чего проведение прочностных расчетов его конструкции в целом затруднительно. Поэтому при разных видах нагружения допускаются соответствующие упрощения.

Максимальная сила (в Н), действующая на контейнер при его подъеме краном,

где Р_бр — вес брутто контейнера, Н; Kд — коэффициент динамичности, практически колеблющийся в пределах 1,2…1,8.

Схема действия сил на контейнер при подъеме краном и строповке гибкими тросами вручную показана на рис. 101, а. Сила (в Н), действующая на каждое грузоподъемное устройство,

где α — угол наклона стропа (с вертикальной плоскостью).

Наиболее слабым звеном конструкции специализированного контейнера для насыпных грузов является крыша с.отверстием загрузочно-разгрузочного люка.

Рис. 101. Схемы действия сил на специализированный среднетоннажный контейнер с верхним люком: а ‑ действие сил на контейнер при подъеме его краном; б ‑ действие сил на лист крыши контейнера; в ‑ расчетная схема контура люка, занимающего часть крыши

Схема действия сил Р на лист крыши приведена на рис. 101, б. Они раскладываются на силы Р₂ и P₃:

Расчет контура отверстия в крыше для люка ведется, как для рамы, жестко закрепленной в точках А и D по расчетной схеме (рис. 101, в). Изгибающие моменты (в Н·см) и силы Vа, V_d, H_а, H_D (в Н) определяются по формулам

где — моменты инерции.

Напряжения (в Па) в стойках и ригеле определяются далее по уравнению

где W — момент сопротивления изгибу, см³; Р_A — нормальная (сжимающая) сила, действующая на элемент, Н; f — площадь поперечного сечения элемента, см²; — коэффициент продольного изгиба.

Нормальная сила

Гибкость элементов проверяется по формуле

где r—радиус инерции, см; - момент инерции, см⁴.

При наличии в крыше отверстия по всему периметру расчет пояса жесткости следует вести по приведенной расчетной схеме (рис. 102) как рамы, находящейся под действием горизонтальных сил Р₁, приложенных по двум диагонально расположенным углам. Для упрощения расчетов следует превратить раму в статически определимую, путем ввода двух шарниров по углам, в которых не приложено сил и неизвестных моментов X₁, компенсирующих произведенное в раме изменение. Поскольку применяется симметричная система, уравнение для определения неизвестного момента имеет вид

,

где _1x1— перемещение элементов рамы в углах по направлению неизвестного момента X₁, равного 1,0; _1p—перемещение элементов рамы в углах по направлению неизвестного момента от заданных сил.

Приняв за основную систему схему, приведенную на рис. 102, а, строят эпюры изгибающих моментов Мр и М₁ (рис. 102, б, в, г). Затем, пользуясь способом Верещагина, определяют коэффициенты при неизвестных _1x1 и _1p. которые имеют вид

Рис. 102. Расчетная схема контура люка на весь периметр крыши: а ‑ основная схема; б ‑ эпюра моментов М1; в — эпюра моментов МР; г ‑ суммарная эпюра моментов М1. и МР

Расчет обшивки контейнера проводится исходя из того, что наибольшие силы, действующие на стенки и днище, возникают от воздействия сыпучего груза на конструкцию контейнера при транспортировании и подъеме его краном.

Нормальное давление (в Па) на вертикальные стенки контейнера

где k_д — коэффициент динамичности (см. формулу выше); п' — коэффициент бокового давления, принимаемый равным коэффициенту подвижности g_П; h — высота загружаемого груза, м; _гр — объемная масса груза, кг/м³.

Коэффициент подвижности

где ' — расчетный угол внутреннего трения.

Листы боковых стенок при этом рассчитывают как пластины, закрепленные по контуру и нагруженные средней равномерно распределенной нагрузкой (рис. 103)

Среднее давление (в Па) на лист от сыпучего груза

Рис. 103. Эпюра средней равномерно распределенной нагрузки на боковую стенку

Максимальный изгибающий момент (в Н-см), принимаемый с некоторым запасом за расчетный, действующий на лист,

где b_расч — длина меньшей стороны листа, см;  — коэффициент пропорциональности.

Момент сопротивления листа (в см³)

где t — толщина листа, см.

На основании уравнения получаем формулу для определения толщины листа

где [] — допускаемое напряжение на изгиб.

Напряжение в гофрированных листах боковых стенок может быть рассчитано по формуле проф. Тимошенко с поправочным коэффициентом и, учитывающим влияние гофр листа:

где q ‑ удельная нагрузка, Па; b ‑ длина меньшей стороны листа, см; t ‑ толщина листа, см; а=b/B; В ‑ длина большей стороны листа. При В = b а = 1.

Поправочный коэффициент и определяется из следующего соотношения моментов сопротивления:

где Wх — момент сопротивления ячейки гофрированного листа шириной b/п (п — число гофр); b/п = 2 (L+)см; W — момент сопротивления гладкого листа такой же ширины b/п, как и ячейки гофрированного листа;

где J_x — момент инерции ячейки гофрированного листа относительно, оси, проходящей через центр тяжести поперечного сечения, см⁴; — наружный радиус полукольца гофрированного профиля, см; У у — положение центра тяжести гофрированного листа, см;

Расчетная схема гофрированного листа приведена на рис. 104.

Рис. 104. Расчетная схема гофрированного листа

Площадь сечения листа (в см²) состоит из площадей сечении его плоской части и полукольца:

Момент инерции полукольца (в см⁴)

Положение центра тяжести полукольца (в см)

Статический момент (в см³) относительно оси ZZ

Момент инерции (в см⁴) ячейки (гофра)

Листы днища рассчитывают аналогично листам боковых стенок, но с полной нагрузкой от груза Р_гр и поправочным коэффициентом 1,25. Для универсальных контейнеров производят проверочный расчет от сосредоточенной нагрузки на пол при заезде внутрь контейнера вилочного погрузчика.

При проектировании резервуаров специализированных контейнеров для наливных грузов и расчете их на прочность необходимо учитывать также гидростатическое давление на стенки резервуара и гидравлические удары. Гидростатическое давление жидкости в Па, достигающее наибольшей величины у дна резервуара; может быть определено по формуле

где _ж — плотность жидкости, кг/см³; h ‑ высота столба жидкости в резервуаре, см; k_д ‑ коэффициент, учитывающий динамичность нагрузки контейнера при перевозках и перегрузках;

где j — наибольшее ускорение вертикальных колебаний резервуара контейнера, практически не превышающее 6 м/с²; g—ускорение свободного падения.

Кроме гидростатического давления, на стенки специализированного контейнера для жидких грузов будет действовать дополнительная нагрузка, появляющаяся в результате гидравлического удара. Последний может возникнуть при торможении подвижного состава на остановках и в случае торможения при спуске вагонов с сортировочных горок или при соударении вагонов. Наихудшие условия, при которых гидравлический удар будет наибольшим, возникают в момент торможения при спуске вагонов с сортировочных горок или при соударении вагонов (Т_с = 0,7 с).

Гидравлический удар может быть полным и неполным. Если время торможения, при котором скорость уменьшается до нуля, будет меньше периода резервуара 2L/V_ (где L — длина резервуара и V_ — скорость распространения ударной волны), то гидравлический удар будет полным, в другом случае он будет неполным.

Скорость распространения ударной волны (в м/с)

где _ж — плотность жидкости, кг/м³; g— ускорение свободного падения, м/с²; Е₁ — модуль упругости перевозимой жидкости, Па; E₂—модуль упругости материала стенок резервуара, Па; D—внутренний диаметр цилиндрического резервуара или приведенный диаметр призматического резервуара, м; t — толщина стенок резервуара, м.

При расчетах контейнеров обычно имеет место условие и, следовательно, гидравлический удар будет, как правило, неполным. Время, при котором происходит такой удар, соответствует времени торможения:

где L.—длина резервуара, м; v—скорость движения перед началом торможения, м/с; g — ускорение свободного падения, м/с²; h — гидростатический напор, м; h_гидр — максимальный напор, возникающий при гидравлическом ударе, м.

Подставляя вместо Т наименьшее время торможения Т_С и обозначая h_гидр/h = х, получим

Откуда

Обозначив , получим уравнение или

Подставляя в полученное уравнение значение а для рассчитываемого контейнера, находим величину х, зная которую нетрудно определить. наибольшее давление при гидравлическом ударе

или

где h — высота столба жидкости в контейнере, м.

Таким образом, стенка резервуара может подвергаться гидростатическому давлению с учетом коэффициента динамичности р =р_стk_д или динамическому давлению p_гидр, возникающему при гидравлическом ударе.

Расчет стенки резервуара на прочность производится по большему давлению p_тах. Толщина стенки цилиндрического резервуара контейнера

где D —внутренний диаметр резервуара, см; р_тах—максимальное давление на стенку, Па; []  допускаемое напряжение, Па.

Допускаемое напряжение

где _T — предел текучести материала резервуара. Па; п₁ — коэффициент запаса прочности, учитывающий влияние последствий поломок; при расчете контейнеров можно принимать n₁ = 1,3; n₂, — коэффициент запаса прочности, учитывающий характер нагрузки; может быть принят равным 1,05; n₃ — коэффициент запаса прочности, учитывающий неточности расчетной схемы; n₃= 1,15—1,20.

Найденная толщина стенки округляется до ближайшего большего значения толщины листов по стандарту, но принимается не менее 2 мм.

Сферические днища цилиндрических контейнеров могут быть выпуклыми или вогнутыми (рис. 105). Выпуклые днища работают на растяжение, а вогнутые — на сжатие. Напряжение в стенке сферического днища, работающего на растяжение,

(1)

где р_тах — максимальное давление в резервуаре контейнера, Па;  — радиус сферы днища, см; tо — толщина стенки днища, см. Напряжения в переходной части кривой днища

откуда напряжение ₂ по сечению переходной части днища после подстановки значения р_тах/t₀ из формулы (1) и преобразований будет

Рис. 105. Схема к расчету на прочность днища цилиндрического контейнера

Практически целесообразно принимать для контейнеров  =1,523 и /r= 10-15.

При проектировании призматического контейнера стенку резервуара, разделенную гофрами и окаймленную жесткими элементами, можно рассматривать как ряд прямоугольных пластин, опертых по контуру. В этом случае условием прочности является

где р_тах — максимальное давление на стенку резервуара (при гидравлическом ударе давление на стенку резервуара распределяется равномерно), Па; t— толщина стенки расчетной пластины (резервуара), см; b — длина меньшей стороны расчетной пластины, см; а = b/В (В — длина большей стороны расчетной пластины); [] — допускаемое напряжение, Па.

В контейнерах, внутренняя поверхность которых покрывается эмалью или другими специальными антикоррозийными покрытиями, необходимо дополнительно установить величину прогиба (выпучивания) рассчитываемых стенок. Наибольший прогиб в центре расчетной пластинки, считая ее жестко опертой по контуру, может быть определен по формуле

где Е — модуль упругости материала стенки.

Величина допускаемого прогиба зависит от условий работы и материала антикоррозийного покрытия. При эмалевом покрытии допускаемый прогиб стенки контейнера не должен превышать 0,1 мм.

Прочность резервуара контейнера должна быть проверена на нагрузках, возникающих при подъеме его краном. В этом случае резервуар будет работать на изгиб под действием массы брутто контейнера и сил инерции, возникающих при перегрузках. Уравнение прочности на изгиб для опасного сечения контейнера, проходящего по его середине (между рымами или ножками),

где k_д — коэффициент динамичности, учитывающий дополнительные динамические нагрузки, возникающие при перегрузках контейнеров; k_д = 1,5—1,7; M_и—изгибающий момент; полагая нагрузку брутто контейнера Р_бр равномерно распределенной, получим Ми =ql²/8 (здесь l — расстояние между рымами или ножками резервуара, см; q= Р_бр/l — интенсивность нагрузки, Н/см); W — момент сопротивления опасного сечения резервуара (рис. 106), ослабленного загрузочным отверстием диаметром D₀.

Рис. 106. Схемы к расчету на прочность резервуаров контейнеров

Для призматических резервуаров

Для цилиндрических контейнеров, у которых разгрузочное отверстие обычно невелико, его наличием можно пренебречь; тогда

В приведенных формулах В и Н — наружные размеры резервуара контейнера; b и h ‑ его внутренние размеры; D_о—диаметр горловины; с — расстояние от центра контейнера до горловины; t — толщина стенки; D_НАР — наружный диаметр цилиндрического резервуара; а — отношение внутреннего диаметра D_ВН резервуара к наружному диаметру Dнар.

Расчет сварных швов резервуаров контейнеров производится по общеизвестному методу.

17

М-400401. Лекция 14