Влияние параметров вагонов-платформ сочлененного типа на устойчивость от выжимания и опрокидывания

Актуальность работы. В России рост объемов контейнерных перевозок по железной дороге наблюдается с 1995 г. Если в 1997 г. в контейнерах перевозилось 7,2 млн т грузов, то в 2010 г. — уже 18,1 млн т. А к концу 2012 прогнозируется увеличение объемов перевозок свыше 30 млн т. [55]. Рост объемов железнодорожных контейнерных перевозок, конкуренция со стороны автомобильного транспорта и требование грузовладельцев по увеличению количества контейнеров в поезде создали предпосылки для разработки вагоностроителями новых моделей конкурентных контейнерных платформ.

Одним из решений по повышению эффективности перевозок является создание шестиосных сочлененных вагонов-платформ. Опыт США показал, что применение сочлененных конструкций позволяет снизить на 7% прямые затраты и повысить на 25% провозную способность железных дорог. Технико-экономические преимущества вагонов-платформ сочлененного типа обоснованы их увеличенной вместимостью и надежностью в эксплуатации, что позволяет снизить себестоимость и повысить рентабельность перевозок.

Конкурентоспособность вагонов-платформ сочлененного типа в области контейнерных и контрейлерных перевозок отразилась потребностью компаний экспедиторов в создании подобных конструкций и, как следствие, финансированием проектов по их разработке. Вместе с тем, условия эксплуатации вагонов на железных дорогах пространства колеи 1520 мм отличаются от зарубежных массами поездов до 10−12 тыс. т, устройством и содержанием рельсового пути. Этим подтверждается актуальность работы по исследованию влияния параметров сочлененных вагонов на показатели, определяющие безопасность при эксплуатации по железным дорогам колеи 1520 мм (устойчивость от выжимания и опрокидывания).

Целью работы является исследование влияния конструктивных характеристик вагонов-платформ сочлененного типа на устойчивость от выжимания и опрокидывания.

При этом конструктивные характеристики включают в себя линейные и инерционные параметры, параметры связи груз — рама — тележки, смещения центров тяжести кузова и груза за счет зазоров в металлоконструкции и подвижности опор, а устойчивость колесной пары от схода с рельсов по условию вкатывания гребня колеса на головку рельса оценивается в прямой и кривых участках железнодорожного пути, коэффициент запаса поперечной устойчивости вагона от опрокидывания — в кривой.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Предложена классификация используемых в грузовых вагонах сочлененного типа устройств, обеспечивающих передачу сил между секциями вагона и опору смежных секций на общую тележку, отличающаяся учетом способов ограничения перемещений в шарнирах, соединяющих секции вагона, а также параллельной или последовательной установки упругих элементов боковых скользунов постоянного контакта.

2. Аналитически получены уравнения для коэффициента запаса устойчивости от схода колеса с рельса и коэффициента запаса устойчивости от опрокидывания при движении шестиосного грузового вагона сочлененного типа на прямой и в кривых участках ж. д. пути, отличающиеся учетом опоры двух секций вагона на одну тележку, его базы, зазора в узле сочленения, схем установки и жесткости боковых скользунов постоянного контакта, характеристик подвешивания перевозимого автомобильного полуприцепа и схем размещения контейнеров, позволяющие создавать вагоны, обеспечивающие безопасность от схода с рельсов в условиях железных дорог пространства колеи 1520 мм.

3. Установлены зависимости коэффициента запаса устойчивости от схода колеса с рельса при выжимании шестиосного вагона-платформы сочлененного типа от зазора в устройстве сочленения и базы секции вагона.

4. Получены зависимости коэффициента запаса устойчивости от опрокидывания в кривых от вариантов установки и жесткости боковых скользунов постоянного контакта, поперечной и вертикальной жесткости собственной подвески автомобильного полуприцепа и схем размещения контейнеров на шестиосном вагоне-платформе сочлененного типа.

Практическая значимость работы.

1. Предложенные уравнения позволяют на стадии проектирования грузовых вагонов сочлененного типа оценить их запас устойчивости от выжимания и бокового опрокидывания при движении по прямым и кривым участкам железнодорожного пути.

2. Полученные зависимости коэффициента запаса устойчивости по условию выжимания и опрокидывания от устройства и параметров шестиосных вагонов-платформ сочлененного типа позволяют производить выбор рациональных характеристик конструкции вагона, схем размещения контейнеров и способов крепления автомобильных полуприцепов, обеспечивающих безопасность при движении в условиях железных дорог колеи 1520 мм.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы ОАО «НВЦ «Вагоны» при создании вагона-платформы модели 13−470−01 для перевозки трех 40-футовых контейнеров, а также ФГБОУ ВПО «ПГУПС» на стадии проектирования вагона-платформы модели 13−9894 для перевозки контейнеров и вагона-платформы модели 13−9921 для перевозки автомобильных полуприцепов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «Подвижной состав XXI века (идеи, требования, проекты)» (ПГУПС, 2009 г., 2011 г.), «Шаг в будущее (Неделя науки)» (ПГУПС, 2010;2012 гг.), «Проблемы механики железнодорожного транспорта. Динамика, надежность и безопасность подвижного состава» (г. Днепропетровск, Украина, 2012 г.), на научных семинарах кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПС (2010;2012 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них 2 — в изданиях, включённых в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 4 главы, заключение и изложена на 150 страницах машинописного текста, в том числе 16 таблиц 66 рисунков.

Список использованных источников

насчитывает 101 наименование.

4.6 Выводы по результатам исследований.

1. Обзор конструкций устройств сочленения показал, что в результате износа трущихся элементов между ответными частями устройства могут возникнуть зазоры в вертикальном и поперечном направлении до 12 мм.

Наличие зазоров приводит к снижению коэффициент устойчивости от схода.

134 колеса с рельса при торможении состава в кривой. Снижения коэффициента устойчивости происходят пропорционально росту зазоров до максимального значения. Данные снижения незначительны и составляют не более 1% при наличии зазора в вертикальном направлении и не более 2% при наличии зазора в поперечном направлении.

2. Передачи боковых нагрузок от рамы вагона сочлененного типа на среднюю тележку производится с помощью опор секций рамы на среднюю тележку через боковые скользуны постоянного контакта. При этом опора секций рамы может происходить зависимо и независимо друг с другом. Созданная аналитическая модель устойчивости от опрокидывания позволила исследовать влияния параметров скользунов и способы опоры секций рамы платформы сочлененного типа на устойчивость движения. Наибольшим запасом устойчивости от опрокидывания наружу кривой будет обладать вагон-платформа сочлененного типа, у которого опора смежных секций на среднюю тележку производится согласно схеме 1. Так вагон-платформа сочлененного типа модели 13−470−01, симметрично загруженный контейнерами массой брутто, с опорой секций рамы через скользуны постоянного контакта по схеме 1, будет иметь минимальный коэффициент запаса устойчивости от опрокидывания наружу кривой равный 2,05, что выше нормативного значения 1,2 [61]. При вертикальной жесткости бокового скользуна постоянного контакта не менее 2,5 кН/мм замыкания колпака скользуна о корпус не происходит.

3. Исследование зависимостей коэффициента запаса устойчивости от базы секции рамы сочлененного вагона-платформы при торможении на прямом участке пути и в кривой показал, что при базе секции рамы не превышающей 10 м, значения коэффициента запаса устойчивости по условию выжимания в прямой ниже нормируемой величины 1,3. Значения коэффициента запаса устойчивости по условию выжимания в кривой во всем исследуемом диапазоне базы (от 3 до 20 м) превышают нормируемую величину 1,2, хотя и имеют регрессирующую зависимость с ростом длины вагона.

4. Анализ зависимости Куо = /(ЕС™, ЕСГ) показал, что при значениях суммарной вертикальной жесткости колес и подвески полуприцепа не более 0,4 МН/м во всем диапазоне исследуемых значений поперечной жесткости от 0,03 до 1 МН/м вагон обладает достаточной устойчивостью по условию опрокидывания наружу кривой (Куо > 1,3). Устойчивость от опрокидывания в основном определяется вертикальной жесткостью крепления груза на раме вагона, которая для случая опрокидывания наружу кривой вагона-платформы сочлененного типа, загруженного полуприцепами массой 38 тонн, должна быть не меньше 0,4 МН/м (на сторону).

5. Созданная аналитическая модель устойчивости от опрокидывания позволила исследовать варианты загрузки штучным грузом вагона сочлененного типа и выбрать схемы загрузки безопасные для движения вагона по кривым участкам железнодорожного пути. Так сочлененная платформа модели 13−470−01 с возможными вариантами схем погрузки контейнерами, согласно рисунку 4.17, кроме схем с номерами 4, 8, 9 и 15 обладает достаточным запасом устойчивости по условию опрокидывания наружу и внутрь кривой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Особенностью РЖД является эксплуатация вагонов в поездах массой до 10 тыс. т., когда составляющие продольных сил в режиме тяги и торможения могут привести к соотношению больших горизонтальных сил, прижимающих гребень к головке рельса, и недостаточных вертикальных сил, препятствующих подъемке колеса, что может привести к сходу колеса с рельса порожних и малозагруженных вагонов, поэтому безопасность в основном определяется выжиманием и опрокидыванием. Применительно к вагонам сочлененного типа была поставлена задача разработать аналитические модели, позволяющие исследовать влияние различных параметров вагона на устойчивость от выжимания и опрокидывания.

2. Обзор вагонов сочлененного типа позволил установить технические характеристики, положительно реализованные за рубежом, и выбрать диапазон варьируемых параметров, влияющих на устойчивость от выжимания и опрокидывания. Основным объектом исследования выбран сочлененный вагон платформенного типа, поскольку, он обладает перспективой внедрения на российский рынок контейнерных и контрейлерных железнодорожных перевозок.

Диссертационная работа ограничена рассмотрением двухсекционного шестиосного сочлененного вагона-платформы. Среди параметров, влияющих на устойчивость движения, выбраны база секции рамы платформы, схемы загрузки для допустимых погрузочных длин и подвижность груза.

3. Обзор и анализ устройств сочленения позволил классифицировать их по функциональным признакам на устройство передачи продольных нагрузок и устройство передачи боковых нагрузок. В передаче продольных усилий от одной части к другой выделены варианты со смещением ответных элементов в результате свободного зазора, контролируемого либо упругого зазора. В рамках диссертации поставлена задача исследовать дополнительное смещение смежных секций кузова, которое может перераспределить продольную силу и внести дополнительные составляющие к общему неблагоприятному соотношению вертикальных и поперечных сил.

Устройство передачи боковых нагрузок состоит из опоры секций рамы на среднюю тележку через боковые скользуны постоянного контакта. При этом выявлены варианты опоры зависимо, независимо либо с ограниченной независимостью секций друг с другом. В рамках диссертации поставлена задача исследовать влияние способов опоры и упругих характеристик боковых скользунов на устойчивость сочлененной платформы.

4. Для вагонов сочлененного типа на основе уравнений квазистатики разработаны аналитические модели оценки устойчивости от выжимания на прямом участке пути и в кривой, а также модели оценки устойчивости от опрокидывания в кривой при действии экстремального сочетания нагрузок, учитывающие изменение зазора в устройстве сочленения и базы вагона, жесткости и динамического прогиба боковых скользунов постоянного контакта, жесткости подвешивания и крепления груза и схем его размещения.

5. Достоверность аналитических моделей оценки устойчивости подтверждена сравнением с экспериментом. Значения коэффициентов запаса устойчивости колеса от схода с рельса, полученные по результатам проведенных испытаний, отличаются от рассчитанных не более, чем на 20%.

6. Проведены экспериментальные исследования для определения характеристик боковых скользунов постоянного контакта, используемых в устройствах сочленения секций кузова вагона. Установлено, что приведенная жесткость в схеме установки скользунов параллельно может изменяться в диапазоне от 0,5 до 2,5 кН/мм, а динамический прогиб — в диапазоне до 10 мм, в схеме установки скользунов последовательно эти величины изменяются в диапазонах 0,25—1,25 кН/мм и 0.20 соответственно.

7. По результатам расчета устойчивости установлено, что смещения в результате зазоров в устройстве сочленения продольных осей секций рамы вагона в вертикальном и поперечном направлении приводят к снижению коэффициента устойчивости от схода колеса с рельса при торможении состава в кривой. Снижение коэффициента устойчивости происходит пропорционально росту зазоров до максимального значения. Данное снижение незначительно и при изменении зазора от 0 до 12 мм составляет не более 1% при наличии зазора в вертикальном направлении и не более 2% при наличии зазора в поперечном направлении. Наибольшим запасом устойчивости от выжимания обладает сочлененный вагон с установкой узла сочленения шарнирного типа без зазора между шарнирной и пятниковой частями.

8. Исследование зависимостей коэффициента запаса устойчивости от базы секции рамы сочлененного вагона-платформы (в диапазоне 3.20 м) при торможении на прямом участке пути и в кривой показало, что при базе секции более 10 м, значения коэффициента запаса устойчивости по условию выжимания в прямой удовлетворяет нормативным требованиям (более 1,3). Значения коэффициента запаса устойчивости по условию выжимания в кривой во всем исследуемом диапазоне базы соответствует нормативным требованиям (более 1,2), хотя и имеют регрессирующую зависимость с ростом длины вагона.

9. Обзор конструкций вагонов-платформ сочлененного типа показал, что опора груза на раму вагона может осуществляться не только жестко, но и иметь собственное подвешивание, как при перевозке автомобильных полуприцепов. Для исследования влияния подвижности груза на устойчивость вагона-платформы сочлененного типа в качестве переменных выбрана общая вертикальная жесткость последовательного соединения колес и подвески полуприцепа, которые варьировались в диапазоне от 0,03 до 1 МН/м. Исследование показало, что устойчивость от опрокидывания в основном определяется вертикальной жесткостью крепления груза на раме вагона, которая для случая опрокидывания наружу кривой вагонаплатформы сочлененного типа, загруженного полуприцепами массой 38 тонн, должна быть не меньше 0,4 МН/м (на сторону).

10. Для исследования влияния схем размещения груза на устойчивость вагона-платформы сочлененного типа было рассмотрено 15 вариантов возможных схем установки контейнеров длиной 40 футов и массой 4150 кг, 26 500 кг и 30 480 кг на вагон-платформу модели 13−470−01. Исследование показало, что вагон-платформа сочлененного типа модели 13 470−01 не обладает достаточным запасом устойчивости по условию опрокидывания наружу и внутрь кривой, когда размещение порожних и груженых контейнеров на раме производится по схеме с одним крайним контейнером массой брутто, одним порожним средним контейнером, одним средним контейнером массой брутто, одним порожним средним контейнером совместно с порожним крайним и крайним контейнером массой брутто. Во всех остальных случаях размещения контейнеров коэффициент запаса устойчивости вагона соответствует нормативным требованиям (не менее 1,3 для случая опрокидывания наружу кривой и не менее 1,2 для случая опрокидывания внутрь кривой).

11. По результатам исследования влияния параметров скользунов и способов опоры секций рамы платформы сочлененного типа на устойчивость движения установлено: наибольшим запасом устойчивости от опрокидывания наружу кривой обладает вагон-платформа сочлененного типа, у которого опора смежных секций на среднюю тележку производится независимо друг от друга, когда боковые скользуны постоянного контакта расположены поперек надрессорной балки, симметрично относительно центра тележки. При вертикальной жесткости бокового скользуна постоянного контакта не менее 2,5 кНУмм замыкания колпака скользуна о корпус не происходит.