Статический режим нагружения характеризуется однократным и длительным приложением внешней нагрузки к узлам вагона, монотонно достигающей своей максимальной величины. Основными задачами статических прочностных испытаний являются:
- всестороннее исследование прочности новой конструкции вагона или исследование прочности только его отдельных элементов или узлов в связи с частичным изменением конструкции вагона;
- исследование устойчивости несущей конструкции вагона в целом или ее отдельных элементов;
- проверка правильности и рациональности конструктивного решения;
- проверка правильности применения расчетных схем вагона и результатов расчетов и сопоставление между собою результатов расчетов и испытаний.
Режим нагружения вагона выбирается с учетом максимальных сил, возникающих в эксплуатации вагона. При статических прочностных испытаниях основными силами являются силы от вертикальной статической нагрузки (вес груза и тары вагона), продольные силы, силы скручивания кузова вагона, приложенные в плоскости шкворневых балок; силы от распора сыпучих грузов на боковые стены кузова вагона; гидростатическое давление жидкости и внутреннее давление газов в котле цистерны; силы, возникающие при разгрузке вагона на вагоноопрокидывателе; силы, возникающие при подъеме кузова вагона домкратами при ремонте вагона, располагаемыми по диагонали под концами шкворневых балок или под одним концом шкворневой балки, или под лобовой (торцевой) балкой рамы кузова.
При статических прочностных испытаниях важное значение имеет правильный выбор мест наклейки тензодатчиков для измерения деформаций, по которым впоследствии определяются напряжения в элементах вагона. Тензодатчики должны наклеиваться в местах ожидания наибольших напряжений, в местах предположения излишней затраты металла конструкции вагона; в местах, позволяющих проверить расчетную схему и результаты расчетов, а также на наиболее ответственных элементах, от которых непосредственно зависит безопасность движения вагона по условиям его прочности.
Направление установки тензодатчиков и их количество в каком-либо месте конструкции вагона зависит от вида напряженного состояния. При простом линейном напряженном состоянии достаточно установить в каждом исследуемом месте вагона один активный тензодатчик в направлении наибольших деформаций. В этом случае можно использовать измерительные схемы размещения тензодатчиков (А — активный, К — компенсационный), приведенные в табл. 14.2.
При плоском линейном напряженном состоянии могут быть два случая: направления главных напряжений известны; направления главных напряжений неизвестны. В первом случае каждый из двух тензодатчиков наклеивается по направлениям действия главных напряжений (рис. 14.16). При такой схеме размещения тензодатчиков напряжения равны:
где Е — модуль упругости стали;
u— коэффициент Пуассона;
ε 1 и ε 2 —деформации элемента конструкции вагона, регистрируемые тензодатчиками соответственно первым и вторым:
Во втором случае необходимо использовать три тензодатчика (рис. 14.17), при расположении которых под углами 0°, 45° и 90° направление первого главного напряжения определяется углом а:
где ε 0, ε 45 и ε 90 — деформации, измененные тензодатчиками, расположенными под углами соответственно 0°, 45° и 90°.
Величины деформаций по направлению главных напряжений определяются по формулам:
Рассмотрим на ряде примеров схемы расположения тензодатчиков на некоторых элементах вагона. Для определения силовых факторов (продольная сила и изгибающие моменты в вертикальном и поперечном направлениях) для стержня в виде уголка, входящего в конструкцию кузова вагона, необходимо наклеивать три тензодатчика (рис. 14.18) по числу неизвестных силовых факторов. При этом каждая деформация в точках наклейки тензодатчиков складывается из трех деформаций от каждого силового фактора в отдельности.
Для элементов кузова, на которые нагрузка от соседних стержней передается только в узлах, тензодатчики надо наклеивать вблизи узлов. Панели тонкостенной металлической обшивки кузова обычно находятся в условиях двухосного напряженного состояния, поэтому для измерения деформацией в них необходимо применять розетки тензодатчиков (три тензодатчика с пересекающимися в одной точке их продольными осями).
Для оценки усилий, которые способна воспринимать обшивка кузова, определяются срединная деформация, возникающая от усилий сжатия или растяжения, и деформация изгиба, возникающая из-за технологических неровностей на обшивке кузова или из-за неровностей, возникающих вследствие местной потери устойчивости обшивки кузова.
Для измерения напряжений в оси колесной пары от статической вертикальной нагрузки на испытательном стенде тензодатчики наклеиваются на подступичной и средней частях оси по двум схемам (рис. 14.19). При второй схеме накладки тензодатчиков, соединенных между собой в единую электрическую цепь, чувствительность измерительной схемы увеличивается в два раза. Активные тензодатчики А ориентированы вдоль продольной оси, а температурные тензодатчики К — поперек продольной оси рядом с активными тензодатчиками. В этом случае действительная деформация волокон металла оси будет меньше измеренной деформации в 1,25—1,3 раза (с учетом коэффициента Пуассона u = 0,25—0,3).
Для измерения напряжений в прутках цилиндрической пружины от деформации кручения, сдвига и изгиба применяется схема накладки датчиков, показанная на рис. 14.20.
Активные датчики А наклеиваются на внешней стороне прутков под углом 45° к продольной оси прутка, а компенсационные датчики К — на отдельной металлической пластине. Определяются напряжения в двух сечениях пружины с целью подтверждения положения о равенстве напряжений при последовательном соединение витков пружины.
Для определения напряжений рамы тележки КВЗ-ЦНИИ применяется схема наклейки тензодатчиков, показанная на рис. 14.21, в сечении В—В балки. Тензодатчики наклеиваются на верхнем поясе и на вертикальной стенке, при этом активные датчики А наклеиваются вдоль продольной оси балки, а компенсационные К — в поперечном направлении. Каждый активный и компенсационный тензодатчики соединены попарно в отдельные электронные схемы (девять схем), как показано на рис. 14.21, б.
