автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Выбор конструктивных решений сочлененных грузовых вагонов-платформ

На правах рукописи

ТАНИЧЕВА Наталия Андреевна

ВЫБОР КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ СОЧЛЕНЕННЫХ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ-ПЛАТФОРМ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013

Санкт-Петербург 2013

005543386

005543386

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство»

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Бороненко Юрий Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Быков Анатолий Иванович ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения», профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство»

кандидат технических наук' Тохчукова Малика Рашидовна руководитель направления «Прочность и конструкция вагонов» ОАО «Центр транспортных технологий», Санкт-Петербург

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «27» декабря 2013 года в 10 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 218.008.05 на базе Петербургского государственного университета путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д.9, ауд.5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «27» ноября 2013 года.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять в адрес ученого совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Актуальность проблемы.

Инновационное развитие железнодорожного транспорта обусловлено необходимостью повышения эффективности и снижения стоимости железнодорожных перевозок. Одним из новых для России видов подвижного состава являются сочлененные вагоны, широко распространенные за рубежом. Ряд очевидных недостатков этих вагонов сдерживал их применение на железных дорогах СССР, а затем и Российской Федерации.

Первые созданные для колеи 1520 мм сочлененные вагоны АО «TATRAVAGÖNKA» и ОАО «Азовмаш» имеют ряд ограничений, затрудняющих их эксплуатацию, а по погонной нагрузке они существенно уступают длиннобазным четырехосным вагонам. В этой связи являются актуальными вопросы создания усовершенствованных сочлененных вагонов для российских железных дорог: выбора параметров, определения нагрузок, оценки технических решений, условий прохождения сортировочных горок и кривых малого радиуса. Объективная оценка сочлененных вагонов позволит найти их место в структуре вагонного парка страны и выбрать конструктивные решения, отвечающие условиям эксплуатации на железных дорогах колеи 1520 мм.

Целью работы является разработка научно обоснованных технических решений сочлененных вагонов для колеи 1520 мм, позволяющих повысить их технико-экономическую эффективность и обеспечить безопасность движения.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Сравнить технико-экономические характеристики существующих сочлененных платформ и обычных платформ.

2. Разработать методику выбора конструктивных решений, обеспечивающих прохождение сочлененными платформами сортировочных горок и кривых малого радиуса.

3. Разработать новые технические решения, позволяющие реализовать их преимущества и применить их в инновационной конструкции сочлененной платформы.

4. Проверить предложенные методики расчета и технические решения при испытаниях опытных образцов.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Проведено сравнение по технико-экономическим параметрам сочлененных вагонов-платформ стран Северной Америки и Европы. Определены перспективные технические решения сочлененных вагонов-платформ для железных дорог колеи 1520 мм.

2. Разработана методика моделирования в программном комплексе SolidWorks Motion прохождения сочлененными платформами для перевозки контейнеров с турникетными опорами и без них кривых участков пути и горбов сортировочных горок для определения оптимальных размеров конструктивных элементов для безопасного прохождения указанных участков пути.

3. Проведены исследования влияния гурникетных опор на геометрическую проходимость сочлененными вагонами горбов сортировочных горок и кривых малого радиуса. Определены зазоры, гарантирующие безопасность движения.

4. Получено аналитическое выражение для определения выносов контейнера, установленного над узлом сочленения шестиосной сочлененной платформы, позволяющее уточнить требования к устройству турни-кетных опор и их размещению на вагоне.

Практическая значимость работы:

1. Проведенные в диссертации исследования зарубежного опыта эксплуатации сочлененных вагонов позволили выявить перспективы конструирования сочлененных вагонов в условиях эксплуатации на колее 1520 мм.

2

2. Разработанные методики расчета прохождения вагонами сортировочных горок и кривых участков пути позволяют определить оптимальные размеры конструктивных элементов сочлененной платформы.

3. Проведенные исследования уточняют существующие данные в нормативной документации и восполняют недостающие расчеты, касающиеся сочлененных вагонов.

Реализация результатов работы:

Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, были применены при проектировании сочлененных грузовых вагонов-платформ моделей 13-470-01 и 13-9894.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на VI и VII Международных научно-технических конференциях «Подвижной состав XXI века (идеи, требования, проекты)» (Санкт-Петербург, ПГУПС, ОАО «НВЦ «Вагоны», 2009, 2011 гг.), обсуждались на XIII Международной конференции «Проблемы механики железнодорожного транспорта» (г.Днепропетровск, ДИИТ, 2012 г.), на научных семинарах кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПС (2010-2013 гг.).

Публикации: Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах, из них 2 - в изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК Минобразования Российской Федерации.

Структура и объем работы: Диссертация включает в себя введение, 6 глав, заключение и изложена на 143 страницах машинописного текста, в том числе 32 таблицы и 84 рисунка. Список использованных источников включает 64 наименования.

Основное содержание работы

Введение содержит обоснование актуальности выбранной темы, формулировку цели работы, основные задачи, общую характеристику диссертационной работы.

В первой главе представлен обзор и анализ существующих моделей сочлененных вагонов-платформ, эксплуатирующихся на железных дорогах Северной Америки, Европы и в пространстве колеи 1520 мм. Также проведено исследование развития конструкций устройств сочленения, применяющихся в вагонах сочлененного типа.

Вопросами выбора параметров грузовых вагонов и методов их расчета посвящено большое количество работ. К числу самых известных авторов в нашей стране и за рубежом можно отнести Анисимова П.С., Бубнова В.М., Вериго М.Ф., Вертинского C.B., Дмитриева В.И., Котуранова В.Н., Коч-нова А.Д., Лазаряна В.А., Лукина В.В., Львова A.A., Михальцева Е.В., Никольского Е.Н, Орловой A.M., Петрова Г.И., Петрова Н.П., Плоткина И.Л., Ромена Ю.С., Травина В.И., Устича В.А., Хохлова A.A., Хусидова В.Д., Челнокова И.И., Черкашина Ю.М., Шадура Л.А., Щукина Н.Л. Большие работы выполнены в ОАО «ВНИИЖТ», ОАО «ВНИКТИ», ОАО «НИИ вагоностроения», НО «Тверской институт вагоностроения», ОАО «НПК «Уралвагонзавод», ООО «ГСК БВ им. В.М.Бубнова», ПГУПС, МГУПС, УрГУПС, СГУПС, ОмГУПС, СамГУПС, ИрГУПС, РГУПС, ДГУПС, ДИИТ и в других организациях.

По вопросам создания первых сочлененных вагонов для пространства колеи 1520 мм большой вклад внесли ОАО «Азовмаш», ООО «Инновационное вагоностроение», ОАО «ВНИИЖТ», ОАО «ВНИКТИ», ОАО «НВЦ «Вагоны», ОАО «Трансконтейнер», АО «TATRAVAGÔNKA», Департамент технической политики ОАО «РЖД».

Конкретные вопросы создания сочлененных вагонов рассмотрены в работах Битюцкого A.A., Бороненко Ю.П., Киреевой Ю.С., Мещерина Ю.В., Тимофеева В.К., Цыганской Л.В., Шпади Д.В. Вопросы динамики и устойчивости рассмотрены в работах Орловой A.M., Козлова П.В., Рудаковой Е.А. Однако в них не оценивались технико-экономические преимуще-

4

ства различных решений и не рассматривались важные для эксплуатации вопросы прохождения сортировочных горок, кривых малого радиуса.

Во второй главе проведен анализ технико-экономических характеристик существующих грузовых сочлененных вагонов-платформ. В результате анализа было выявлено, что преимущества по погонной нагрузке и в коэффициенте тары в случае североамериканских сочлененных платформ обеспечиваются за счет высокой допускаемой нагрузки на ось. В то время как европейские сочлененные платформы по данным показателям уступают существующим длиннобазным платформам.

Сочлененные контейнерные вагоны-платформы превосходят эксплуатирующиеся в России четырехосные вагоны-платформы по технико-экономическим показателям только при перевозке 45-футовых контейнеров. При перевозке 20-футовых контейнеров они уступают вагонам-платформам с погрузочной длиной 60 футов, а при перевозке 40-футовых контейнеров —длиннобазным вагонам-платформам длиной 80 футов.

Анализ нагруженности рам четырехосного длиннобазного и сочлененного вагонов-платформ показал, что конструкция последнего позволяет снизить нагруженность рамы вертикальной нагрузкой в 3,5 раза.

Проведенная оценка экономической эффективности эксплуатации сочлененных вагонов платформ в сравнении с четырехосными длиннобаз-ными платформами показала, что увеличение количества секций сочлененного вагона снижает стоимость, но ведет к увеличению расходов на ремонт и уменьшает производительность вагонов из-за увеличения простоев в отцепочном ремонте. Этот недостаток можно устранить применением ходовых частей повышенной эксплуатационной надежности.

В результате проведенного исследования был сделан вывод, что сочлененные вагоны целесообразно использовать при перевозке легковесных

грузов, например, контейнеров, автомобилей и автоприцепов, а также в

5

специальных скоростных поездах, для которых необходимо снизить нагрузку от колес на рельсы. Другим эффективным направлением применения сочлененных вагонов может стать их использование с перевозкой 40-футового контейнера над узлом сочленения. В этом случае повышается погонная нагрузка и шестиосная сочлененная вагон-платформа по погонной нагрузке и стоимости ходовых частей приближается к длиннобазной четырехосной.

В третьей главе предложена методика расчета прохождения кривых участков пути сочлененной платформой. В связи с отсутствием в нормативных документах соответствующих сочлененной платформе расчетных схем предложено воспользоваться моделированием прохождения кривых малого радиуса. При проведении моделирования ставились две задачи: выбрать необходимые зазоры и расположение частей вагона, обеспечивающие прохождение кривых участков пути без касания элементов секций сочлененной платформы с ходовыми частями; определить возможность прохождения кривых участков пути сочлененными вагонами с контейнером над средней тележкой при различных вариантах установки и выбрать один, отвечающий безопасности перевозок.

Общая методика моделирования кинематических ограничений вагона при прохождении кривых участков пути описана схемой, представленной на рисунке 1.

Сочлененный вагон-платформа относится ко II группе грузовых вагонов в соответствии с «Нормами расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» (длина по осям сцепления более 21 м), поэтому расчет проводился для трех участков пути: участок сопряжения прямой и кривой радиуса 110 м без переходного радиуса; круговой кривой радиуса 80 м; в-образной кривой радиуса 160 м без прямой вставки.

Результатом моделирования прохождения указанных участков пути твердотельной моделью сочлененного вагона в программном пакете Solid Works Motion стали графики изменения контролируемых зазоров между элементами вагона (рисунок 2).

Рисунок 1 - Общая методика расчета прохождения вагоном кривых участков пути

Лисс кряш.'юинаш iKO.TaS'juaa biippu

ЗС'ЗЯ) пе*&1 я&ы&яЯ

¡_, /шбэСУШ G3lXO»l

__ Знюс кехду xpasxnsateHv сксямроО tpoScj

йига нехНу фяв/дейяни

Ш.ЪУрОб CKtpipU! KpldC'j

иежду ^i-iOTtr«: скакь-уыз5 счеруы <iv£U!

Рисунок 2 - Измеряемые зазоры в узле опирания на среднюю тележку, определяющие возможность прохождения кривой Полученные в результате графики (рисунок 3) наглядно представляют

изменение зазоров между элементами конструкции. Помимо этого контролировались зазоры между фитингами среднего контейнера и соответствующими фитинговыми упорками вагона, а также сцепляемость вагона в

7

кривых участках пути. Для контроля сцепляемости измерялись углы поворота осей автосцепок сочлененного вагона и сцепленного с ним другого сочлененного вагона или вагона-эталона в соответствии с нормативными документами.

- -

- -- \

\

Г .....

160.00 240,05 1 у КГИП

*

! /

\

ч \

V \ ч

V, ! ....

N X - _

* \! \

— ... У /

'-V --- N. -Г -и« ■ Ч

— __-

— 1

I 1 1! I 1: 1 (1 II I и г 1 -1 I IIIII -I •18 !Л1 1 \ 1 I 1 I §! !

Рисунок 3 - Расстояния между элементами секций рамы сочлененной платформы и ее ходовых частей в зависимости от местоположения на кривой Указанные выше расчеты применительно к проектируемому сочлененному вагону показали необходимость установки поворотных турникет-ных опор, поскольку изменение расстояния между стационарными фитин-говыми упорами центрального контейнера на вагоне в кривом участке пути не обеспечивало безопасность движения. Установка турникетной опоры гарантирует сохранность перевозимого контейнера при условии, что одна из турникетных опор будет оборудована ограничителем перемещения контейнера вместо фитинговых упоров.

В четвертой главе разработана общая методика моделирования прохождения сочлененным вагоном сортировочной горки в соответствии с

принятыми в России нормативными документами. При проведении моделирования ставились две задачи: выбрать необходимые зазоры и расположение частей вагона, обеспечивающие прохождение сортировочных горок без касания элементов секций сочлененной платформы с контейнером, установленным над устройством сочленения; определить возможность прохождения сортировочных горок сочлененными вагонами с контейнером над средней тележкой при различных вариантах установки и выбрать один, отвечающий безопасности перевозок.

Общая схема расчета кинематических ограничений вагона при прохождении горбов сортировочных горок может быть описана схемой, представленной на рисунке 4.

Рисунок 4 - Общая методика расчета прохождения вагоном сортировочных горок В соответствии с изученной документацией были вы делены три типа

профиля: профиля надвижной и перевальной частей горки без профильного разделительного элемента и с профильным разделительным элементом в соответствии с «Правилами и нормами проектирования сортировочных устройств на железных дорогах колеи 1520 мм»; профиля надвижной и пе-

ревальной частей горки в соответствии с «Нормами расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)». В каждом из вариантов горок были выбраны граничные условия, обеспечивающие максимальные угол перегиба профиля.

Проверка безопасности прохождения всех трех видов сортировочных горок проводилась с помощью моделирования в программном комплексе Solid Works Motion. Результатом моделирования стали графики изменения расстояний между элементами рамы и установленного над устройством сочленения контейнером (рисунок 5). Дополнительно проверялась сцепля-емость сочлененного вагона с вагоном-эталоном, для чего измерялось расстояние между осями автосцепок при прохождении сортировочных горок.

130,0 180,0

130,0

120,0

5 110,0

S ioo,o Я

90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0

зо,о

2С Э.2 I I

/ 186,0

/ ■•"Л 1 1,0

\ S \

/ У \

/У К 1 V

\ Г \

—г. \

/

\ /

■ \

\\ 1

\ 1

N 1 /

1 \ 1

1

Еер| 1ИКЫ V / :

LUUIU rilDy \(

\

\ V.

б 7,. 13,9

- Линейное перемещение, мм (Горка ; разделительным элементом]

— — Линейное перемещение, мм (Горка по "Нормам") •—■■Линейное геремещепие, мм (Горка без разделительного з.

Рисунок 5 — Изменение зазоров между нижней обвязкой контейнера и верхом внутренней торцевой балки полурамы платформы при высоте турникетной опоры 160 мм для вариантов сортировочных горок В результате анализа данных, полученных при моделировании, выявлено, что сочлененная платформа без турникетных опор не удовлетворяет

условиям безопасного прохождения сортировочных горок в связи с вероятным повреждением фитинговых упоров в продольном направлении и повреждением рамы и контейнера из-за недостаточного зазора между лобовым листом и контейнером.

Сочлененная платформа с турникетными опорами позволяет сохранить целостность конструкции как самого вагона, так и контейнера, установленного над устройством сочленения. При этом важно определить высоту турникетной опоры, чтобы обеспечить необходимый зазор между лобовым листом рамы и средним контейнером. В результате моделирования было выявлено, что минимальная высота турникетной опоры относительно рамы должна составлять не менее 160 мм.

При проверке сцештяемости сочлененного вагона принималось в соответствии с «Нормами расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)», что допускаемая разность высот автосцепок составляет 80 мм, В результате моделирования прохождения сортировочных горок наибольшая разность между осями сцепления автосцепок составила 76 мм в случае прохождения горки без разделительного элемента, что меньше допускаемой величины, а значит сцепляемость сочлененного вагона обеспечивается.

Дополнительно была проведена проверка на вписывание в габарит I -Т сечения вагона в зоне узла сочленения с установленным контейнером, которая позволила выявить максимальную высоту турникетных опор. Требования нормативной документации не учитывают особенности сочлененных платформ, поэтому потребовалось уточнить расчетные формулы. Для этого была поставлена геометрическая задача, представленная на рисунке 6.

При вписывании сочлененной платформы с грузом, установленным

над сцепом, в габарит 1-Т, максимальный суммарный вынос платформы с

установленным над сцепом контейнером будет равен:

11

_ С21 - рь Ь2 (1ту

Тсч 2Й 2Я 8К

При расчете выноса груза, установленного над сцепом двух вагонов, при вписывании в основной габарит погрузки рекомендуется применять следующую формулу;

Гси =

(21 - 1)1

2 Я

+ —- 105 2Л

(3)

Проведенные расчеты вписывания в габарит показали, что турникет-ные опоры на сочлененном вагоне-платформе модели 13-470-01 для безопасного прохождения горбов сортировочных горок должны иметь высоту до опорной плоскости упоров не более 236 мм относительно пола рамы данной платформы.

В пятой главе на основе проведенных исследований была разработана новая сочленен-

№кеиия -

V "М-7Г-

V' Г'

Рисунок 6 - Схема вычисления выноса груза (контейнера) над узлом сочленения сочлененной платформы: 2Ь - расстояние между опорами груза (контейнера),

расположенного над сцепом; 21 — полубаза вагона; « — расстояние до исследуемого сечения платформы; х - расстояние до исследуемого сечения контейнера;^« - общий вынос вагона с грузом в кривой;// - вынос вагона в кривой;^ - вынос груза (контейнера) в кривой; Д - расчетный радиус кривой

ная шестиосная платформа с погрузочной длиной 120 футов (рисунок 7). Платформа отличается размещением контейнера над узлом сочленения. Применение данной конструктивной схемы позволило повысить погонную

погрузку, снизить стоимость платформы и обеспечить ее эффективность при перевозках 40-футовых контейнеров. Данная платформа на первом этапе изготавливается путем модернизации двух четырехосных платформ модели 13-470, неэффективных при перевозке 40-футовых контейнеров. При ее разработке были учтены требования, предъявленные к конструкции в предыдущих главах, а)

ГНЫ'Л ...IMHIMBiJHHtf Й II 1НИИИН1 II Г II » \rnml

ПКЙ11Ш1 II II „| i_юмМиш II L И И Шк^Г

б)

Рисунок 7 — Общий вид сочлененного вагона-платформы модели 13-470-01: а) в порожнем состоянии; б) загруженного контейнерами Платформа включает в себя следующие сборочные единицы: две секции рамы; устройство сочленения SAC-1 Rus; восемь стационарных фи-тинговых упоров; две турникетные опоры поворотного действия; три двухосные тележки модели 18-100; тормоза автоматический и стояночный; ударно-тяговые устройства; скользуны упругого типа с переходниками к надрессорной балки тележки и рамам вагона.

Соединение секций рамы платформы осуществляется при помощи устройства сочленения SAC-1 Rus производства компании Wabtec, усовершенствованного по техническим требованиям, учитывающим особенности железнодорожного подвижного состава колеи 1520 мм. По предло-

013140310131373101310131343134313731

жению ОАО «НВЦ «Вагоны» присоединительные размеры модернизированного устройства позволяют устанавливать в хребтовые балки вагонов колеи 1520 мм и производить опирание на стандартные российские тележки.

Проведенные расчеты на прочность предложенной конструкции показали соответствие предложенной конструкции нормативным документам. Наиболее нагруженной зоной стала зона хребтовой и боковых балок в зоне турникетной опоры. Максимальные эквивалентные напряжения в раме составили:

• при первом расчетном режиме при ударе и рывке 215 МПа и 160 МПа соответственно (допускаемые напряжения 325 Мпа);

• при первом расчетном режиме при растяжении и сжатии 170 МПа и 180 МПа соответственно (допускаемые напряжения 308,75 Мпа);

• при третьем расчетном режиме при ударе - 140 МПа, при рывке — 135 МПа, при растяжении - 160 МПа, при сжатии — 195МПа (допускаемые напряжения 205 Мпа).

В шестой главе с целью проверки полученных данных были проведены испытания сочлененного вагона-платформы модели 13-470-01.

Во время прохождения сочлененным вагоном кривых участков пути контролируемые зазоры между элементами рамы и тележки были достаточными для безопасного прохождения. Расхождение результатов моделирования и испытаний не превышают 11%.

При проверке прохождения сортировочной горки также подтвердилась безопасность эксплуатации предложенной конструкции. Расхождение результатов расчета высоты турникетной опоры по предложенной методике была оценена в 5,3%.

В результате прочностных испытаний сочлененной платформы были подтверждены расчетные данные. Наиболее нагруженными зонами стали хребтовая и боковая балки в зоне турникетной опоры. Расхождение результатов расчетов в сравнении с экспериментальными данными в наиболее нагруженных элементах конструкции составило 9,9%.

Заключение

1. Проведен сравнительный анализ технических характеристик и технических решений сочлененных и четырехосных вагонов-платформ, позволивший выделить основные направления применения сочлененных платформ при эксплуатации на пространстве колеи 1520 мм: при перевозке легковесных грузов, например автомобилей и автоприцепов, а также в специальных скоростных поездах, для которых необходимо снизить нагрузку от колес на рельсы; эффективным направлением применения сочлененных вагонов может стать их использование с перевозкой 40 футового контейнера над узлом сочленения.

2. Разработана методика проверки прохождения кривых участков пути и сортировочных горок методом моделирования с использованием программного пакета SolidWorks Motion, которая позволяет уменьшить трудоемкость расчета и повысить его точность.

3. Разработаны технические решения, удовлетворяющие установленным в результате моделирования ограничениям. На их основе разработана конструкция сочлененной платформы для перевозки трех 40-футовых контейнеров.

4. Проведены расчеты на прочность конструкции сочлененной платформы в программном комплексе Ansys WorkBench. Расчеты показали, что предложенная конструкция удовлетворяет требованиям нормативных документов и учитывает все предъявленные по результатам моделирования требования.

5. Проведенные с целью проверки полученных данных и выдвинутых предположений испытания сочлененного вагона-платформы модели 13-470-01 показали соответствие расчетных и экспериментальных данных: расхождение результатов расчетов на прочность в сравнении с экспериментальными данными в наиболее нагруженных элементах конструкции составила 9,9%; расхождение результатов расчета по сравнению с экспериментальными при прохождении сортировочной горки — 5,3%, а при прохождении кривых участков пути — 11%.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

Публикации, входящие в перечень рекомендованных ВАК Минобразования Российской Федерации:

1. Бороненко Ю.П., Белгородцева Т.М., Кукушина H.A. Выбор конструктивных решений сочлененных грузовых вагонов для колеи 1520 мм // Транспорт Российской Федерации №3 (46), 2013. - 3-9 с.

2. Кукушина H.A. Разработка методики и расчет условий прохождения сочлененными платформами сортировочных горок и кривых участков пути // Транспорт Российской Федерации №2 (45), 2013. — 71-75 с.

Публикации, не входящие в перечень рекомендованных ВАК Минобразования Российской Федерации:

1. Бороненко Ю. П., Белгородцева Т. М., Кукушина Н. А. Выбор конструктивных решений сочлененных грузовых вагонов для колеи 1520 мм // Сборник тезисов VIII Международной научно-технической конференции "Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты". - Санкт-Петербург, 2013.

2. Бороненко Ю.П., Цыганская JI.B., Смирнов Н.В., Кукушина H.A. Разработка сочлененных вагонов-платформ и пути повышения их эффективности // Сборник тезисов VII Международной научно-технической конференции "Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты". -Санкт-Петербург. - 2011.

3. Васильев С.Г., Цыганская JI.B., Кукушина H.A., Атаманчук H.A. Создание сочлененного вагона для перевозки трех 40-футовых контейнеров // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты. Тезисы VI международной научно-технической конференции. - СПб: ПГУПС, 2009. -С.3-5.

4. Кукушина H.A. Поиск оптимальной высоты турникетной опоры сочлененного вагона для обеспечения безопасного прохождения горбов сортировочных горок // Сборник научных статей "Подвижной состав XXI века (идеи, требования, проекты)", Выпуск 6. — СПб, 2011. С. 124.

5. Кукушина H.A. Разработка методики и расчет условий прохождения сочлененными платформами сортировочных горок // Тези доповщей. Х1П Мгжнародна конференщя «Проблеми мехашки загпзничного транспорту (безпека руху, дина\пка, мщшсть рухомого складу та енергозбере-ження)» - Дншрпетровськ, Укршна. - 2012.

Подписано к печати 26.11.2013. Печ.л. — 1,0

Печать— ризография Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 экз._Заказ № 1179._

Тпп. ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр.

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Вагоны и вагонное хозяйство»

На правах рукописи

04201455859

Таничева Наталия Андреевна

Выбор конструктивных решений сочлененных грузовых вагонов-платформ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и

электрификация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Бороненко Ю.П.

Санкт-Петербург 2013

Содержание

Введение...........................................................................................................................2

1 Обзор конструкций сочлененных вагонов-платформ и постановка задач исследования....................................................................................................................5

1.1 Обзор конструкций сочлененных вагонов-платформ......................................6

1.2 Обзор устройств сочленения.............................................................................17

1.3 Постановка задач исследования........................................................................32

2 Анализ технико-экономических характеристик грузовых сочлененных вагонов-платформ..........................................................................................................33

2.1 Сравнение технических характеристик существующих сочлененных вагонов-платформ.......................................................................................................33

2.2 Экономическая эффективность сочлененных вагонов-платформ................43

2.3 Выводы................................................................................................................47

3 Выбор конструктивных решений сочлененных вагонов-платформ, обеспечивающих прохождение кривых участков пути.............................................49

3.1 Разработка методики расчета кинематических ограничений при прохождении кривых малого радиуса......................................................................50

3.2 Результаты моделирования прохождения сочлененными платформами кривых малого радиуса..............................................................................................56

3.3 Выводы................................................................................................................64

4 Выбор конструктивных решений сочлененных вагонов-платформ, обеспечивающих прохождение горбов сортировочных горок.................................65

4.1 Разработка методики расчета кинематических ограничений при прохождении горбов сортировочных горок............................................................66

4.2 Результаты моделирования прохождения сочлененными платформами горбов сортировочных горок....................................................................................77

4.3 Выводы................................................................................................................88

5 Разработка конструкции сочлененной платформы длиной 120 футов..............89

5.1 Описание конструкции......................................................................................90

5.2 Расчет на прочность...........................................................................................96

5.3 Выводы..............................................................................................................118

6 Экспериментальные исследования прохождения кривых малого радиуса и горбов сортировочных горок сочлененной платформой и испытания на прочность......................................................................................................................119

6.1 Экспериментальные исследования прохождения кривых участков пути.. 120

6.2 Экспериментальные исследования прохождения сортировочной горки... 122

6.3 Экспериментальные исследования прочности конструкции.......................124

6.4 Выводы..............................................................................................................132

Заключение...................................................................................................................133

Список литературы......................................................................................................137

Введение

Актуальность проблемы. Инновационное развитие железнодорожного транспорта обусловлено необходимостью повышения эффективности и снижения стоимости железнодорожных перевозок. Одним из новых для России видов подвижного состава являются сочлененные вагоны, широко распространенные за рубежом. Ряд очевидных недостатков этих вагонов сдерживал их применение на железных дорогах СССР, а затем и Российской Федерации.

Первые созданные для колеи 1520 мм сочлененные вагоны АО

_ ______г

«ТАТЯАУАООМКА» и ОАО «Азовмаш» имеют ряд ограничений, затрудняющих их эксплуатацию, а по погонной нагрузке они существенно уступают длиннобазным четырехосным вагонам. В этой связи являются актуальными вопросы создания сочлененных вагонов с новыми конструктивными решениями, с увеличенной погонной нагрузкой и улучшенными технико-экономическими параметрами для российских железных дорог, а также выбора параметров, определения нагрузок, оценки технических решений, условий прохождения сортировочных горок и кривых малого радиуса сочлененными вагонами.

Объективная оценка сочлененных вагонов позволит найти их место в структуре вагонного парка страны и выбрать конструктивные решения, отвечающие условиям эксплуатации на железных дорогах колеи 1520 мм.

Целью работы является разработка научно обоснованных технических решений сочлененных вагонов для колеи 1520 мм, позволяющих повысить их технико-экономическую эффективность и обеспечить безопасность движения.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Провести сравнение технико-экономических характеристик сочлененных вагонов-платформ с другими видами вагонов-платформ и определить сферу их эффективного применения.

2. Разработать методику выбора конструктивных решений, обеспечивающих прохождение сортировочных горок и кривых малого радиуса.

3. Разработать новые технические решения, позволяющие реализовать их преимущества и применить их в инновационной конструкции платформы.

4. Проверить предложенные методики расчета и технические решения при испытаниях опытных образцов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведено сравнение по технико-экономическим параметрам сочлененных вагонов-платформ стран Северной Америки и Европы. Определены перспективные технические решения сочлененных вагонов-платформ для железных дорог колеи 1520 мм.

2. Разработана методика моделирования в программном комплексе SolidWorks Motion прохождения сочлененными платформами для перевозки контейнеров с турникетными опорами и без них кривых участков пути и горбов сортировочных горок для определения оптимальных размеров конструктивных элементов для безопасного прохождения указанных участков пути.

3. Проведены исследования влияния турникетных опор на геометрическую проходимость сочлененными вагонами горбов сортировочных горок и кривых малого радиуса. Определены зазоры, гарантирующие безопасность движения.

4. Получено аналитическое выражение для определения выносов контейнера, установленного над узлом сочленения шестиосной сочлененной платформы, позволяющее уточнить требования к устройству турникетных опор и их размещению на вагоне.

Практическая значимость работы.

1. Проведенные в диссертации исследования зарубежного опыта эксплуатации сочлененных вагонов позволили выявить перспективы конструирования сочлененных вагонов в условиях эксплуатации на колее 1520 мм.

2. Разработанные методики расчета прохождения вагонами сортировочных горок и кривых участков пути позволяют определить оптимальные размеры конструктивных элементов сочлененной платформы.

3. Проведенные исследования уточняют существующие данные в нормативной документации и восполняют недостающие расчеты, касающиеся сочлененных вагонов.

Внедрение. Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, были применены при проектировании сочлененного грузового вагона-платформы модели 13-470-01 и скоростного грузового вагона-платформы модели 13-9894.

1 Обзор конструкций сочлененных вагонов-платформ и

постановка задач исследования

Вопросами выбора параметров грузовых вагонов и методов их расчета посвящено большое количество работ. К числу самых известных авторов в нашей стране и за рубежом можно отнести Анисимова П.С., Бубнова В.М., Вериго М.Ф., Вершинского C.B., Дмитриева В.И., Котуранова В.Н., Кочнова А.Д., Лазаряна В.А., Лукина В.В., Львова A.A., Михальцева Е.В., Никольского Е.Н, Орловой

A.M., Петрова Г.И., Петрова Н.П., Плоткина И.Л., Ромена Ю.С., Травина В.И., Устича В.А., Хохлова A.A., Хусидова В.Д., Челнокова И.И., Черкашина Ю.М., Шадура Л.А., Щукина Н.Л. Большие работы выполнены в ОАО «ВНИИЖТ», ОАО «ВНИКТИ», ОАО «НИИ вагоностроения», НО «Тверской институт вагоностроения», ОАО «НПК «Уралвагонзавод», ООО «ГСК БВ им.

B.М.Бубнова», ПГУПС, МГУПС, УрГУПС, СГУПС, ОмГУПС, СамГУПС, ИрГУПС, РГУПС, ДГУПС, ДИИТ и в других организациях.

По вопросам создания первых сочлененных вагонов для пространства колеи 1520 мм большой вклад внесли ОАО «Азовмаш», ООО «Инновационное вагоностроение», ОАО «ВНИИЖТ», ОАО «ВНИКТИ», ОАО «НВЦ «Вагоны», ОАО «Трансконтейнер», АО «TATRAVAGONKA», Департамент технической политики ОАО «РЖД».

Конкретные вопросы создания сочлененных вагонов рассмотрены в работах Битюцкого A.A., Бороненко Ю.П., Киреевой Ю.С., Мещерина Ю.В., Тимофеева В.К., Цыганской Л.В., Шпади Д.В. Вопросы динамики и устойчивости рассмотрены в работах Орловой A.M., Козлова П.В., Рудаковой Е.А. Однако в них не оценивались технико-экономические преимущества различных решений и не рассматривались важные для эксплуатации вопросы прохождения сортировочных горок, кривых малого радиуса.

Поэтому в дальнейшем в диссертации был проведен анализ конструкций сочлененных платформ и их главного отличия — узлов сочленения.

1.1 Обзор конструкций сочлененных вагонов-платформ

Наиболее применяемыми в эксплуатации вагонами сочлененного типа являются платформы, причем в Европе и Китае количество вагонов-платформ сочлененного типа достигает ориентировочно 95%. В Соединенных Штатах Америки и Канаде, количество вагонов-платформ сочлененного типа достигает 80% [42]. Вагоны сочлененного типа эксплуатируются в основном в поездах постоянного формирования.

Сочлененные вагоны-платформы универсального типа для перевозки тарно-штучных грузов практически не эксплуатируются на железных дорогах Мира, а некоторые типы представлены только установочной серией.

Сочлененные вагоны-платформы, эксплуатируемые на железных дорогах США и Канады, максимально используют допускаемую в этих странах высокую осевую нагрузку (до 35 т/ось). Так компания Greenbrier разработала несколько типов сочлененных вагонов-контейнеровозов для США, удовлетворяющих различным требованиям.

Maxi-Stack I (рисунок 1.1) - сочлененная платформа, состоящая из пяти секций, которая осуществляет перевозку одного 40-футового или двух 20-футовых контейнеров на каждом из пяти составляющих платформ. Кроме того, вагон может перевозить 40, 45 или 48-футовые контейнеры вторым ярусом.

Maxi-Stack IV (рисунок 1.2) - сочлененный вагон-контейнеровоз, состоящий из трех секций, которые могут перевозить контейнеры от 20 до 53 футов первым ярусом и контейнеры от 40 до 57 футов верхним ярусом.

265 1 11T LENGTH OVER COUPLERS

Рисунок 1.1— Gunderson Maxi-Stackl, Greenbier

203-9 44- LENGTH OVER COUPLERS

Рисунок 1.2 - Gunderson Maxi-Stack IV, Greenbier

Европейские сочлененные вагоны-платформы состоят из двух секций, в отличие от североамериканских, но номенклатура перевозимых ими грузов намного шире.

Той же компанией Greenbrier были разработаны модели сочлененных вагонов-контейнеровозов для стран Европы. Сочлененный вагон Sggrss80' (рисунок 1.3) был спроектирован для перевозки четырех 20-футовых контейнеров, двух 40-футовых контейнеров или двух 20-футовых контейнеров с одним 40-футовым контейнером. Вагон оснащен тремя двухосными тележками с максимальной нагрузкой 20 тонн/ось и имеет грузоподъемность 94 т.

Рисунок 1.3 - Sggrss80', Greenbrier Europe

Чешская вагоностроительная фирма ЬОЭТЯ производит широкий спектр платформ сочлененного типа.

Сочлененный вагон Sggrss80' (рисунок 1.4). Сочлененные вагоны этой серии с тремя двухосными тележки типа ¥251^(11 предназначены для перевозки контейнеров 20 и 40 футов. Вагон состоит из двух рам одинаковой конструкции, связанных устройством сочленения типа ШС/ЕЯЯТ На платформе установлено восемь откидывающихся фитинговых упоров, которые переводятся в рабочее положение для установки контейнеров различных размеров.

Сочлененный вагон Sggrss80' (рисунок 1.5) предназначен для перевозки контейнеров длиной 20, 30 и 40 футов. Над шарнирным сочленением находится участок перекрестных листов. Платформа может изгибаться на угол до 1°30' и проходить кривые участки пути с радиусом до 120 м. Установленные на платформе фитинговые упоры откидывающиеся.

Сочлененный вагон Sggrss90' (рисунок 1.6) оборудован тремя двухосными тележками и предназначен для перевозки контейнеров 20, 30, 40, 45 футов и

съемных кузовов 6.05-8.15 м, 9.125-9.3 м, 12,192 м, 13,6 м. В соответствии с просьбой Чешских железных дорог вагон оборудован пневматическим тормозом ОАКО. Также как и на предыдущих двух моделях вагонов данной компании на этом вагоне установлены откидывающиеся фитинговые упоры.

Рисунок 1.4 - Sggrss80', Ш8ТЯ

Рисунок 1.5 - Sggrss80,, ЬС^ТИ.

Задтг» 90'

■'Д'Щ*^!.'' ЗГ

ни __МД_■ Л1 14 ЧУЛ_, м 1*4 II»

Рисунок 1.6 - Sggrss90\ ЬОБТЯ Швейцарская компания ААЕ предлагает Sggmrss90, (рисунок 1.7), который подходит для погрузки практически всех видов контейнеров, а также полуприцепов контейнеровозов длиной до 13,6 м.

г .. 1 ¡1 1: • * !' 1 * - Ш

нз^, 1 гггп ап вгШ «црву* ■ ■ ...........

■ ——

Рисунок 1.7 - Sggmrss90,, ААЕ

В пространстве колеи 1520 мм также существует ряд сочлененных вагонов-платформ. Наибольшее число моделей таких вагонов разработано компанией TATRAVAGONKA (Словакия), которые предусматривают перевозку широкой номенклатуры контейнеров и полуприцепов.

Сочлененный вагон Sggrs/ss80' (рисунок 1.8) предназначен для перевозки 20, 30 и 40-футовых контейнеров, а также полуприцепов.

Сочлененный вагон Sggrs80' (рисунок 1.9) предназначен для перевозки 20 и 40-футовых контейнеров.

Сочлененный вагон Sggmrs/ss90' (рисунок 1.10) подходит для перевозки крупногабаритных контейнеров 20, 30, 40 и 45-футов и широкой номенклатуры полуприцепов максимальной длины до 13,6 м.

Сочлененный вагон Sggmrs/ssl04' (рисунок 1.11) подходит для перевозки крупногабаритных контейнеров 20, 30, 40 и 45 футов, а также широкой номенклатуры полуприцепов максимальной длины до 13,6 м.

Сочлененный вагон Sdggmrs (рисунок 1.12) подходит для перевозки всех седловых полуприцепов и контейнеров 20, 30, 40 и 45 футов, высотой 8 футов или 8 футов 6 дюймов.

Сочлененный вагон Sdggmrs Twin (рисунок 1.13) подходит для перевозки всех седловых полуприцепов и мегатрейлеров, 40 и 45-футовых контейнеров без применения передвижных балок и 20 и 30-футовых контейнеров с применением передвижных балок.

Результатом сотрудничества компаний TATRAVAGÓNKA, ОАО «РЖД» и ОАО «ТрансКонтейнер» стал новый скоростной вагон-платформа сочлененного типа модели 13-9851 (рисунок 1.14). Конструкция данной платформы позволяет обеспечить перевозку 45-футовых контейнеров, а также четырех 20-футовых контейнеров, загруженных до полной грузоподъемности. Разработка вагона производилась на основании технических требований ОАО «РЖД». В марте 2010 года были проведены приемочные испытания, PC ФЖТ выдан сертификат соответствия на установочную серию 400 штук.

Рисунок 1.8-Сочлененный вагон Sggrs/ss80', TATRAVAGÓNKA

Рисунок 1.9 - Сочлененный вагон Sggrs80', TATRAVAGÓNKA

аи __м_

Рисунок 1.10 - Сочлененный вагон Sggmrs/ss90', TATRAVAGÖNKA

___ ___ f

Рисунок 1.12 — Сочлененный вагон Sdggmrs, TATRAVAGONKA

Рисунок 1.13 - Сочлененный вагон Sdggmrs Twin, TATRAVAGÖNKA

Рисунок 1.14 - Сочлененный вагон-платформа модели 13-9851,

TATRAVAGÖNKA

К настоящему времени на Украине имеется проект сочлененной платформы модели 13-4123 производства ОАО «Днепровагонмаш» (рисунок 1.15) на скоростных тележках нового поколения, предназначенной для транспортировки крупнотоннажных контейнеров в один ярус. Конструктивно платформа представляет собой две бесхребтовые секции рамы, установленные на три двухосные тележки. Секции соединены узлом сочленения, через который они опираются на среднюю двухосную тележку. Устройство сочленения, применяемое на данном вагоне, предоставлено фирмой ASF. Платформа при длине до 30 м имеет грузоподъемность 96 т и массу тары 29 т.

Вагон-платформа модели 13-1839 производства ОАО «Азовмаш» предназначена для перевозки крупнотоннажных 20, 30, 40, 45-футовых контейнеров. При общей погрузочной длине двух секций 90 футов, возможна перевозка контейнеров (при различных схемах погрузки) с общей массой брутто до 109,5 тонн.

На основе анализа существующих типов конструкций сочлененных вагонов были сделаны следующие выводы:

1. Основное назначение сочлененных вагонов-платформ - перевозка контейнеров различных типоразмеров, полуприцепов и тарно-штучных грузов.

2. Сочлененные вагоны широко применяются за рубежом. В Северной Америке вагоны эксплуатируются с высокими осевыми нагрузками до 35 тонн на ось. В Европе - с осевыми нагрузками до 22 тонн на ось.

3. Сочлененные вагоны разрабатываются в виде сцепов от двух до десяти секций.

Анализ научно-технической ситуации (таблица 1.1) позволил выделить принципиальные критерии оценки сочлененных вагонов-платформ:

• по погрузочной длине;

• по устройству сочленения;

• по допускаемой нагрузке на ось;

• по �