Ситуационная адаптация вагонов для международных перевозок грузов

Многолетний опыт наиболее развитых стран мира позволяет констатировать, что международная торговля наиболее эффективно способствует развитию национальных экономик, но одновременно требует применения новых подходов к организации этих перевозок.

Основой новой организации перевозок является ситуационная адаптация межгосударственных транспортных комплексов с учетом следующих принципов: присоединение всех стран по транспортным коридорам в качестве субъектов международного права к международным конвенциям и их вступление в международные транспортные организацииприменение принципа свободного предпринимательства и равенства перед закономприватизация транспортных системжелание получать инвестиции для развитияунификация национальных предписаний с предписаниями мирового сообществаулучшение условий для конкуренции и синергетики между видами транспорта и в рамках каждого вида транспортаразвитие транспортной инфраструктуры с применением результатов научно-исследовательских работ, самых современных технологий и методов.

Реализация этих принципов позволяет экономить и рационально использовать топливно-энергетические ресурсы, лучше эксплуатировать транспортные средства, ускорять таможенные процедуры, повышать скорость и снижать сроки поставок, уменьшать потребности в складских помещениях и т. д.

Основным документом, регламентирующим межгосударственные перевозки, является Конвенция о международных смешанных перевозках грузов от 1980 г., принятая на Дипломатической конференции в Женеве (Конвенция 1980 г.). Конвенция распространяется на все виды транспорта. Смешанные перевозки регламентируются также рядом транспортных Конвенций (Соглашение КОТИФ, Конвенция ЦМР, Варшавская конвенция и др.).

По Конвенции 1980 г. смешанные перевозки осуществляются оператором, который объединяет функции оператора и перевозчика. Оператор принимает груз для исполнения смешанной перевозки в пункт назначения. Он берет на себя обязанности оформлять в процессе перевозки необходимые документы, производить (за счет грузовладельца) соответствующие платежи, выполнять таможенные формальности и другие действия, связанные с перевозкой.

Обычно в перевозки вовлекаются различные компании (транспортные, торговые, экспедиторские, промышленные и др.), что, в свою очередь, накладывает специфические требования на формы их взаимодействия по следующим направлениям:

— комплексное развитие материально-технической базы транспортных систем (подвижного состава, контейнерного и трейлерного парков и т. д.);

— адаптация параметров развития подвижного состава по габаритам, грузоподъемности и вместимости, обеспечение возможности перевозки грузов на разном подвижном составе в одной и той же таре и упаковке;

— управление движением укрупненных грузовых единиц (УГЕ) посредством организации системы мониторинга;

— применение единообразного коммерческо-правового режима перевозки УГЕ.

В то же время, опыт организации и функционирования международных транспортных комплексов выявил, что сдерживающим звеном дальнейшего повышения эффективности таких систем начинает становиться железнодорожный подвижной состав, который, в основном, создавался для прямых железнодорожных перевозок в рамках одной или нескольких стран, с одинаковой шириной рельсовой колеи и другими совместимыми параметрами.

Существенным техническим противоречием, в настоящее время, является отсутствие единого метода ситуационной адаптации подвижного состава к международным перевозкам. Это приводит к необходимости выполнения частых перегрузок и перевалок груза, ухудшает качество транспортной продукции, снижает эффективность международной торговли.

Следовательно, комплексная проблема организации рациональных международных перевозок грузов приобретает, в настоящее время, особую актуальность и должна решаться на основе системного подхода при проведении глубоких научных исследований, особенно по ситуационной адаптации подвижного состава к интермодальным перевозкам.

Анализ технической информации показал, что созданию новых и совершенствованию существующих вагонов посвящены монографии и научные труды многих ученых ВНИИЖТа, ГосНИИВа, МГУПСа, ПГУПСа, Ур-ГУПСа и ряда других научных и производственных коллективов. Однако эти исследования, в основном, были направлены на выбор конструктивных схем и оптимальных параметров вагонов для дорог стран СНГ. Значительно меньшее внимание уделялось разработке теории и способов адаптации вагонов для смешанных международных перевозок УГЕ с минимизацией перегрузок, с приспособлением к рыночным условиям функционирования, в том числе подсистем технического обслуживания и ремонта вагонов.

Поэтому основная цель данной диссертации состояла в разработке, на основе обобщения ранее выполненных исследований и системного анализа конструктивных схем основных элементов грузовых вагонов разных стран мира, метода ситуационной адаптации вагонов (SAW) для международных перевозок грузов и решении, на его основе, ряда важных задач для железнодорожного транспорта по проведению рациональной модернизации востребованных рынком типов подвижного состава.

Реализация поставленной цели вносит существенный вклад в теорию и практику организации международных перевозок грузов и способствует ускорению научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан метод ситуационной адаптации вагонов для международных перевозок грузов, основанный на учете габарито-массовых ограничений транспортных коридоров и совместимости автомобильного, водного и железнодорожного подвижного состава при перевозке укрупненных грузовых единиц (УГЕ).

2. Установлены особенности габарито-массовых ограничений подвижного состава железных дорог разных стран мира и предложена методика экспериментальной оценки безопасной транспортировки грузонесущих вагонов с минимизированными зазорами между габаритами приближения строений и подвижного состава. Обоснована необходимость введения новых структурно-габаритных характеристик для идентификации вагонов — габаритов ходовых частей, сцепного и тормозного оборудования.

3. Скорректирована методика генерации вариантов адаптации составных частей вагонов к различным условиям эксплуатации, с учетом совместимости экипажей с конструктивными особенностями кузовов, ходовых частей, сцепного и тормозного оборудования. Разработан алгоритм переоборудования вагонов для международных перевозок грузов.

4. Адаптированы методики расчетно-экспериментальной оценки характеристик модернизированных вагонов, с учетом способов погрузки и крепления к раме укрупненных грузовых единиц.

5. Уточнена методика тестирования влияния аэродинамических воздействий на грузонесущий вагон, с учетом климатических условий его эксплуатации.

6. Обоснована эффективность применения системы упреждающего технического обслуживания вагонов для международных перевозок на основе специальной технологии контроля и регулировочных элементов.

7. Установлены закономерности изменения прочностных, динамических и аэродинамических характеристик грузонесущих вагонов с разными конструктивными схемами кузовов, рам, ходовых частей и с учетом одно-и многоуровневой перевозки укрупненных грузовых единиц.

Практическая значимость работы заключается в использовании результатов исследований при решении научных и практических задач, связанных с созданием специализированных вагонов и их составных частей.

Применение SAW метода для переоборудования цистерн-цементовозов в цистерны для международных перевозок светлых нефтепродуктов позволило с высокой экономической эффективностью и в минимальные сроки освоить поточную технологию модернизации вагонов в промышленных масштабах (переоборудовано более 800 единиц цистерн).

Применение экспериментальной методики оценки габарито-массовых параметров транспортной единицы позволяет исключить пропуск в поезда вагонов со скрытой негабаритностью, полнее использовать габариты приближения строений и повысить безопасность движения поездов.

Использование новых характеристик — габаритов ходовых частей, сцепного и тормозного оборудования позволит более рационально разрабатывать варианты взаимозаменяемых или совместимых составных частей вагонов для международных перевозок УГЕ.

Предложенная и апробированная методика генерации вариантов адаптации вагонов к международным перевозкам позволяет разрабатывать патентозащищенные новые конструкции кузовов, рам, ходовых частей, сцепного, тормозного оборудования и других элементов подвижного состава.

Разработанные прикладные методики расчета прочностных, динамических и аэродинамических характеристик специализированных вагонов позволяют ускорить процессы проектирования и переоборудования транспортных единиц для международных перевозок УГЕ.

Методика и стендовое оборудования для тестирования аэродинамических воздействий на грузонесущий вагон позволяют разрабатывать новые варианты экипажей с уменьшенным воздушным сопротивлением и повышенной защитой грузов от воздействий внешней среды.

Внедрение уточненной методики контроля элементов тележек 18−100 в технологические процессы на вагоноремонтных предприятиях повысит качество ремонта, снизит сопротивление движению и увеличит работоспособность ходовых частей вагонов.

Внедрение методики адресного упреждающего технического обслуживания вагонов в транспортных компаниях «М.СБ» и «СТ» позволило в два раза повысить безотцепочный пробег вагонов.

Разработанные съемные регулировочные элементы в соединениях частей тележек 18−100 успешно прошли эксплуатационные испытания на вагонах и обеспечили повышение ресурса и снижение трудоемкости технического обслуживания и ремонта.

Предложенные конструктивные схемы: платформа для вагона (патент RU N 42 493 U1 от 07.09.2004) — буфер вагона (RU N 41 690 U1 от 15.07.2004) — сцепное устройство (RU N 41 688 U1 от 8.07.2004) — тележка подвижного состава (RU N 41 289 U1 от 8.07.2004) — вагон со съемным кузовом (RU N 42 802 U1 от 28.9.2004) — железнодорожное транспортное средство (RU N 41 286 U1 от 8.07.2004) — скользун тележки грузового вагона (U1013 от 20.06.2003) — регулировочная накладка буксового узла тележки грузового вагона (U1014 от 20.06.2003) — стенд для проверки монтажа тележки грузового вагона (U1038 от 18.09.2003) — железнодорожная цистерна для жидких нефтепродуктов (RU N 35 998 U1 от 21.10.2003), будут способствовать дальнейшему развитию вагоностроения, повышая технический уровень и экономическую эффективность новых типов подвижного состава для международных перевозок.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических советах и конференциях: в Департаменте вагонного хозяйства МПС (1999—2002 гг.), на НТС Горьковской дороги (2002 г.),.

НПК Октябрьской дороги (2002 г.), на научных семинарах кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» и НИЛ «Динамика вагонов» ПГУПСа (2003— 2005 гг.), на Международной конференции «Подвижной состав XXI века» в Санкт-Петербурге (2003 г.), на Международной конференции «Перевозка нефти и нефтепродуктов в странах СНГ и Балтии 2004» (Москва, 2004 г.), на Всероссийской НТК с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005 г.), на Международной НТК «Подвижной состав XXI века» (Санкт-Петербург, 2005 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в шести монографиях и 36 печатных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 8 разделов, заключения, списка библиографических источников из 188 наименований и приложения. Общий объем работы 354 страницы, в тексте содержится 124 рисунка и 13 таблиц.

Выводы по разделу 8.

1. Адаптацию систем технического обслуживания вагонов при международных перевозках УГЕ целесообразно проводить на основе алгоритма SAW-метода.

2. Исследования ускоренного неравномерного износа колесных пар тележек 18−100 выявили, что главными отказами их являются: тонкий гребень — 51%, остроконечный накат — 17%, ползуны — 15% и другие отказы. Установленные зависимости износа колесных пар при различных перекосах в буксовых узлах, рессорном подвешивании и другие позволяют разрабатывать мероприятия по увеличению работоспособности колес, за счет упреждающего ТО тележек.

3. Разработанная усовершенствованная технология контроля технического состояния составных частей тележек 18−100 будет способствовать повышению качества ремонта ходовых частей грузовых вагонов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Обобщения, теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в диссертации, позволяют сделать следующие общие выводы и рекомендации.

1. Организация бесперегрузочных международных перевозок грузов наиболее эффективно способствует развитию национальных экономик и решению социальных проблем всех государств мира. Однако такая технология перевозки УГЕ во многом сдерживается из-за имеющихся существенных различий в конструкции подвижного состава, путевых структур, принятых систем погрузки и выгрузки, обеспечения безопасности движения, технического обслуживания и ремонта подвижного состава в разных странах мира.

2. Решение проблемы бесперегрузочных международных перевозок УГЕ возможно при создании универсального или адаптированного подвижного состава. Универсальный подвижной состав должен представлять собой сложную регулируемую систему как по габарито-массовым параметрам кузовов вагонов, так и по конструкции ходовых частей с раздвижными колесными парами, сцепного оборудования с различными контурами сцепных устройств, тормозного оборудования с разными управляющими и исполнительными механизмами, а также другими регулируемыми составными частями, взаимодействующими с разными типами погрузочно-разгрузочных устройств. Такой универсальный подвижной состав, в современных условиях, имел бы очень высокую цену, низкую надежность и не обеспечивал бы необходимую рентабельность при международных перевозках УГЕ. В работе показано, что более рациональным является другой подход к организации международных перевозок, при котором для конкретных транспортных коридоров производится ситуационная адаптация экипажей, путем проведения модернизации существующих конструкций вагонов с минимальными затратами и сроками переоборудования.

3. Разработанный метод ситуационной адаптации вагонов для международных перевозок грузов, основанный на системном учете габирито-массовых ограничений транспортных коридоров и совместимости различных типов подвижного состава позволяет проводить рациональную модернизацию железнодорожных экипажей для перевозки грузов рыночной востребованности.

4. Предложенный алгоритм формирования банка данных по организации международных перевозок УГЕ позволяет компании-оператору иметь интерактивное информационное обеспечение по проведению маркетинговых исследований, рационально выбирая маршруты транспортировки, типы подвижного состава, параметры УГЕ и других элементов транспортной системы.

5. Сформированная расчетно-экспериментальная методика оценки габарито-массовых параметров грузонесущего вагона позволяет исключить пропуск в поезда транспортных единиц со скрытой негабаритностью, полнее использовать габариты приближения строений и повысить безопасность движения поездов.

Введение

новых характеристик — габаритов ходовых частей, сцепного и тормозного оборудования способствует более рациональной разработке вариантов взаимозаменяемых или совместимых составных частей вагонов для международных перевозок УГЕ.

6. Скорректированная методика генерации вариантов адаптации составных частей вагонов к различным условиям эксплуатации, позволяет модернизировать экипажи с учетом совместимости конструктивных особенностей кузовов, ходовых частей, сцепного и тормозного оборудования. Разработанный алгоритм переоборудования вагонов для международных перевозок грузов позволяет с минимальными затратами и сроками модернизации восполнять дефицит востребованного рынком специализированного подвижного состава.

7. Разработанные прикладные методики оценки прочностных, динамических и аэродинамических характеристик модернизированных вагонов позволяют ускорить процессы проектирования и переоборудования транспортных единиц для международных перевозок УГЕ.

8. Предложенная методика упреждающего технического обслуживания вагонов для международных перевозок грузов, позволяет снизить внеплановые отцепки вагонов в текущий ремонт и повысить экономическую эффективность транспортных услуг.

9. Предложенные способы изменения конструктивной схемы цистерны-цементовоза при ее переоборудовании в цистерну для международных перевозок светлых нефтепродуктов могут быть использованы при модернизации других типов вагонов. Исследованиями было установлено следующее:

— проверочный расчет котла модернизированной цистерны выявил, что переоборудованная цистерна отвечает требованиям «Норм.» в части прочности и устойчивости котла при номинальных толщинах листов обечаек;

— при толщинах верхнего листа котла менее 8,0 мм, в обечайке котла появляются повышенные напряжения, которые не удовлетворяют требованиям «Норм.» в части устойчивости при действии избыточного внешнего давления равного — 40 КПа. Поэтому данная цистерна должна снабжаться дублирующими предохранительными клапанами, а выгрузка должна производиться через верхний люк-лаз. Рекомендуется проводить усиление котла постановкой шпангоутов в районе люка-лаза;

— при испытании на статическую прочность было установлено, что наиболее нагруженной частью котла цистерны является зона люка-лаза, где максимальные напряжения при III режиме нагружения составляют 0,76 от допускаемых напряжений. В основной части конструкции котла цистерны обеспечивается запас прочности с коэффициентом не менее чем 1,8;

— сравнение значений расчетных напряжений с экспериментальными данными в соответствующих сечениях котла модернизированной цистерны показало их хорошую сопоставимость, так как расхождение величин напряжений в наиболее нагруженных областях не превышало 15%;

— испытания модернизированной цистерны на ударную прочность подтвердили ее достаточную прочность, так как при расчетном количестве циклов соударений не было обнаружено повреждений котла и элементов его крепления к раме вагона. Разработанные требования к отбору цистерн для их модернизации позволяют проводить переоборудование вагонов при капитальном ремонте, с экономически обоснованными затратами.

10. Исследованиями характеристик нагруженности элементов вагона для перевозки контейнеров и флетов установлено:

— предложенные изменения в конструктивной схеме специализированной платформы позволяют с приемлемыми затратами адаптировать ее ходовые части, сцепное и тормозное оборудование для международных бесперегрузочных перевозок контейнеров и флетов по конкретным транспортным коридорам;

— рационально подбирая сечения стержней несущей конструкции флета можно обеспечить высокую ее надежность не только при погрузоч-но-разгрузочных операциях, но и при перевозках УГЕ в самых сложных условиях их транспортировки;

— полученные зависимости динамической нагруженности подрессоренных масс позволяют рационально подбирать параметры амортизации и крепления УГЕ.

11. Исследования характеристик нагруженности элементов вагона со съемным кузовом выявили следующее:

— разработанная конструктивная схема вагона со съемным кузовом, которая обеспечивает стандартную процедуру погрузки и выгрузки грузов на существующих погрузочно-выгрузочных комплексах, а также позволяет быстро снимать и многоярусно складировать съемные кузова, заменяя их другими типами, является весьма перспективной для международных перевозок, так как значительно сокращает простои вагонов под погрузочно-выгрузочными операциями и в ремонте;

— оценка напряженно-деформированного состояния опорной рамы съемного котла цистерны при многоярусном складировании на грузовой площадке выявила, что максимальные напряжения возникают в зоне сужения вертикальных стоек. Для снижения напряжений опорная рама должна выполняться не в виде шпангоута, а в виде обычной рамной конструкции, с соответствующей опорой для котла.

12. Исследованиями НДС трех вариантов рам вагонов со съемными кузовами установлено следующее:

— стандартная рама вагона с полным набором продольных и поперечных балок имеет значительные запасы прочности и может быть подвергнута модернизации;

— упрощенная конструктивная схема рамы, у которой было изъято ряд поперечных балок и освобождено пространство для размещения выгрузочных устройств съемного кузова, должна усиливаться постановкой раскосов и накладок в зоне соединения консольной части хребтовой балки со шкворневой, для перераспределения нагрузок сжатия между хребтовой и боковыми балками;

— рама платформы без поперечных элементов в средней части является наиболее нагруженной, но после усиления в зоне соединения шкворневой и хребтовой балок, обеспечивается достаточная прочность конструкции и перспективность ее применения в экипажах со съемными кузовами.

13. Исследованиями характеристик нагруженности элементов вагона при двухуровневой перевозке УГЕ установлено следующее:

— в предложенной раме платформы с пониженной погрузочной площадкой и поворотными полурамами наиболее нагруженной зоной являются участки продольных балок (путевых балок), расположенные за шкворневой балкой, однако эти напряжения меньше допускаемых, т. е. обеспечивается достаточная прочность несущих элементов платформы;

— с увеличением эксцентриситета приложения нагрузки напряжения в зоне соединения шкворневой балки с хребтовой балкой растут, а в центральной части хребтовой балки уменьшаются. Следовательно, у таких платформ необходимо усиливать консольные части полурамы, особенно в зонах соединения хребтовой и шкворневой балок;

— не требуется проведения усиления рамы вагона при погрузке (выгрузке) УГЕ с боковой грузовой платформы;

— определена целесообразность оснащения вагонов при перевозке автопоездов дополнительными ограждениями, защищающими груз от внешних воздействий.

14. Исследованиями характеристик нагруженности элементов вагона при трехуровневой перевозке УГЕ установлено следующее:

— перспективным вариантом организации международных перевозок является использование транспортных единиц, совмещающих в единой системе несколько видов подвижного состава с «наездниками»;

— для трехуровневой перевозки УГЕ вагоны должны снабжаться минимизированными многоосными ходовыми частями и рамами с пониженным уровнем пола;

— наиболее нагруженной зоной платформы являются надтележечные участки рамы. Снижение напряженного состояния рамы платформы в этих зонах возможно при реализации передачи нагрузок не через соединение пятник—подпятник, а через скользуны тележек и скользуны на продольных балках рамы;

— перспективными, для платформ с минимизированными колесными парами, являются многоосные ходовые части с гидрораспределителем нагрузок по буксовым узлам, что позволяет снизить динамическую нагру-женность вагона, не повышая гибкость рессорного подвешивания;

— определена целесообразность введения дополнительных конструктивных элементов в вагоны для снижения аэродинамических воздействий на экипаж и УГЕ.

15. Исследованиями адаптации технического обслуживания вагонов при международных перевозках УГЕ установлено следующее:

— применение адресного упреждающего технического обслуживания грузовых вагонов позволяет резко снизить количество отцепок во внеплановый текущий ремонт;

— основными отказами колесных пар тележек 18−100 являются: тонкий гребень — 51%, остроконечный накат — 17%, ползуны — 15% и другие отказы. Установленные зависимости износа колесных пар при различных перекосах в буксовых узлах, рессорном подвешивании и другие позволяют разрабатывать мероприятия по увеличению работоспособности колес, за счет упреждающего ТО тележек;

— применение разработанных и испытанных съемных накладок, регулирующих размерные цепи и структурные связи элементов тележки 18 100, повышает безотцепочный пробег вагонов;

— применение модернизированных тележек 18−100 обеспечивает годовой экономический эффект более 7,0 тыс. долларов США при пробеге вагона в 100 тыс. км.