Файл: Москва 2 0 1 9министерство транспорта российской федерациифедеральное государственное бюджетное.pdf

34
является важнейшей задачей вагоностроения. Снижение тары вагона позволяет уменьшить эксплуатационные затраты, свя- занные с передвижением вагонов, снизить расход материалов на их изготовление и повысить грузоподъемность в пределах допускаемой осевой нагрузки.
Снижение тары вагонов достигают следующими путями:
— уменьшением динамических сил, действующих на вагон, за счет совершенствования ходовых частей и автосцепного устройства (повышение статического прогиба и обеспечение оптимальных величин демпфирующих усилий, уменьшение массы необрессоренных частей вагона и устранение дефектов колёсных пар, снижение центра тяжести вагона);
— выбором целесообразных конструктивных форм вагонов и их элементов (кузова каплевидной формы у вагонов-хоп- перов, цельнонесущие кузова с облегчёнными или частично удалёнными хребтовыми балками, рационализация сечений и профилей);
— применением более прогрессивных материалов для эле- ментов вагонов (низколегированных сталей, сталей повышен- ной прочности и коррозийной стойкости, высокопрочных алюминиевых сплавов и пластмасс);
— совершенствованием технологии изготовления и ремонта вагонов (применение сварных автоматов, колёсных пар
S-об- разного профиля, кассетных букс, улучшение качества по- верхности, применение поверхностного упрочнения деталей, совершенствование технологии литья и проката, повышение качества сварки);
— совершенствованием методов расчета и испытаний ваго- нов (устранение излишних запасов прочности в деталях кузо- ва, применение систем автоматизированного проектирования на основе метода конечных элементов).
Снижение тары вагона является одной из важнейших за- дач вагонного хозяйства. Это обусловлено не только большим расходом материала (преимущественно металла) на построй- ку вагонов, но главным образом значительными постоянны- ми затратами на передвижение вагонов, которые возрастают

35
с увеличением их тары. Даже небольшое уменьшение тары ва- гонов сопровождается значительным эффектом, что обуслов- лено массовостью вагонного парка. Однако снижение тары вагонов должно осуществляться без ущерба для безопасности движения поездов и эксплуатационной надёжное вагонов.
Эффективность снижения тары грузового вагона оценива- ется техническим коэффициентом тары, который характери- зует качество конструкции вагона: чем меньше
k
т
, тем меньше собственного веса вагона приходится на каждую тонну пере- возимого груза, а следовательно, меньше затраты па перевозку самого вагона и вагон экономически выгоднее. Поэтому при проектировании новых вагонов необходимо стремиться к сни- жению
k
г
Коэффициент тары грузового вагона представляет собой от- ношение тары вагона к его грузоподъёмности. Для пассажир- ских вагонов коэффициент тары определяется как отношение массы тары к населенности вагона.
Грузовые и пассажирские вагоны характеризуются также линейными размерами: длиной
L, шириной B, высотой Н ку- зова внутри и снаружи, длиной рамы
L
р
, базой вагона
l
б и дли- ной вагона по осям сцепления автосцепок
L
ас
Длина, ширина и высота кузова внутри и снаружи опреде- ляются заданной вместимостью и габаритом подвижного со- става.
Длина платформы и полувагона обычно выбирается с учё- том существующих сортаментов длинномерных грузов. В част- ности, длину платформы и полувагона желательно иметь крат- ной величине 6,6...6,7 м, соответствующей длине распростра- нённых лесоматериалов с учётом зазоров между штабелями и стенами вагона. Исходя из условий размещения контейнеров, внутреннюю длину платформы и полувагона целесообразно принимать кратной 2170 мм. Кроме того, длина, ширина и высота полувагона должны соответствовать размерам вагоно- опрокидывателей.
Длина котла цистерны зависит от диаметра котла, форм днища, колпака и других частей, определяющих объём котла.

36
Увеличение диаметра и уменьшение длины котла снижают его массу, но уменьшают прочность и жёсткость. Увеличение диа- метра котла повышает центр тяжести цистерны, а уменьшение длины обычно сокращает базу цистерны. Всё это ведёт к ухуд- шению устойчивости и плавности хода цистерны, что суще- ственно для четырёхосных конструкций.
Исходя из способов размещения съёмного оборудования, внутреннюю ширину крытого вагона принимают равной
2760 мм. Для обеспечения погрузки контейнеров внутрен- нюю ширину полувагона и платформы принимают не менее
2740 мм.
Чтобы обеспечить лучшее использование грузоподъёмно- сти платформ при перевозке в них сыпучих грузов, необхо- димо увеличить высоту бортов. Однако при этом возрастет их масса, что затруднит открытие и закрытие бортов. Кроме того, высота бортов выбирается с учётом возможности перевозки ряда грузов с опущенными бортами. При этом положении они не должны выходить за пределы нижнего очертания габарита подвижного состава, а торцовые борта должны размещаться в межвагонном пространстве с учётом безопасного положения человека между бортами двух платформ.
Для достижения возможно большей погонной нагрузки ши- рину и высоту кузова обычно принимают максимальными для заданного габарита подвижного состава.
Длина рамы
L
р вагона — расстояние между торцами конце- вых балок рамы, база
l
б вагона — расстояние между центрами пятников кузова.
Принятые линейные размеры кузова уточняют путём впи- сывания вагона в габарит и исходя из других требований, предъявляемых к вагонам.
Удельный объем кузова вагона

y представляет собой отно- шение полного объема кузова
V
к к его грузоподъемности
Р.
Для платформ определяется удельная площадь
f как отно- шение площади пола к грузоподъемности.
От величин удельных объемов и удельных площадей зави- сит использование объема и грузоподъемности вагона, а также

37
себестоимость перевозок и приведенные затраты. Поэтому при проектировании вагонов определяют их оптимальные значе- ния.
Осевая нагрузка
Р
о
— это нагрузка от колесной пары на рельсы, определяемая как отношение веса брутто к числу осей.
Допускаемая осевая нагрузка определяется конструкцией и прочностью верхнего строения пути и скоростью движения поездов.
Допускаемую величину осевой нагрузки принимают в зави- симости от типа рельсов, числа шпал на 1 км пути, рода бал- ласта. Существенное влияние оказывает грузонапряжённость линий.
Повышение грузоподъёмности вагона достигается повыше- нием допускаемой осевой нагрузки и осности вагона, а также снижением коэффициента тары. Однако, исходя из мощности пути и экономичности его содержания, для проектируемых основных типов вагонов России осевая нагрузка была огра- ничена величиной 23,5 т. В настоящее время реализуются ме- роприятия по увеличению осевой нагрузки 27 т, что связано с необходимостью увеличения мощности пути по всей сети же- лезных дорог.
Дальнейшее увеличение осевой нагрузки до 30 т связано с необходимостью повышения мощности пути и, при том — по всей сети дорог, поскольку основные типы вагонов являются вездеходными.
При решении вопроса о повышении осевой нагрузки не- обходимо учитывать, что путь является дорогостоящим соо- ружением — на путевое хозяйство приходится 47% основных фондов производственного назначения железнодорожного транспорта. Увеличение осевой нагрузки существенно повы- шает повреждения пути.
Нагрузку, получаемую в результате деления веса брутто вагона на общую его длину (измеряемую по осям сцепления автосцепок), называют погонной нагрузкой
q. Повышение по- гонной нагрузки
q при неизменной длине станционных путей позволяет увеличить полезный вес поезда, следовательно, по-

38
высить провозную способность дорог, отдалить затраты на раз- витие их пропускной способности.
Например, вес брутто поезда, составленного из восьмиос- ных полувагонов с погонной нагрузкой брутто
q = 8,6 т/м на
37% больше веса брутто поезда равной длины, сформиро- ванного из четырёхосных полувагонов с погонной нагрузкой брутто
q = 6,3 т/м.
Кроме большой экономии капитальных вложений, увели- чение погонной нагрузки вагонов обеспечивает значительное уменьшение себестоимости перевозок. Например, увеличение погонной нагрузки с 6 до 8 т/м обеспечивает сокращение экс- плуатационных расходов на однопутных линиях на 6% и на двухпутных — на 5%.
Допускаемая величина погонной нагрузки брутто опреде- ляется прочностью мостов, а также устройством некоторых участков пути. Для основных типов вагонов общесетевого об- ращения допускаемая погонная нагрузка брутто 10,5 т/м.
Технический коэффициент тары вагона-прототипа опреде- ляется по формуле

пр пр пр
,
Т
k
Р
(10)
где
Т
пр
— тара вагона-прототипа;
Р
пр
— грузоподъемность вагона-прототипа.
Технический коэффициент тары проектируемого вагона определяется из следующего выражения
k
т
=
k
пр
·
k
м
·
k
л
, (11)
где
k
м
— коэффициент, учитывающий влияние применяемого материала на изменение тары вагона,
k
м
= 0,9–0,98;
k
л
— коэффициент, учитывающий изменение линейных размеров элементов вагона,
k
л
= 0,9–0,98.
Грузоподъемность проектируемого вагона определяется по формуле

39


о o
о
Т
,
1
Р m
Р
k
(12)
где
Р
o
— допускаемая осевая нагрузка;
m
o
— число осей вагона;
k
T
— технический коэффициент тары.
Тара проектируемого вагона определяется
  .
m
Т
Р k
(13)
Масса брутто вагона определяется по формуле
т
бр
= Р + Т. (14)
Удельный объем кузова вагона-прототипа равен
 
пр y
пр
,
V
Р
(15)
где
V
пр
— объем кузова проектируемого вагона.
Объем кузова проектируемого крытого вагона определяется по формуле
 
y
V
P
(16)
Линейные размеры кузова и бункеров принимаем как у ва- гона-прототипа.
Объем наклонной части кузова у торцевой стены определя- ется по формуле
V
н
= 0,5 ·
Н
вн
·
Н
вн
· cos(
) · 2B
вн
, (17)
где
Н
вн
— внутренняя высота кузова без бункеров;
2
В
вн
— внутренняя ширина кузова без бункеров;
V
б
— объем бункера;

 — угол наклона торцевой стены.
Объем прямоугольной части кузова равен



пр к
н б
2 4
V
V
V
V
(18)

40
Длина прямоугольной части кузова равна пр пр вн вн
2
·
V
L
B Н
=
(19)
Внутренняя длина кузова равна
L
вн
=
L
пр
+ 2L
н
, (20)
где
L
н
— длина наклонной части кузова.
Наружная ширина кузова определяется по формуле
2
В
нар
= 2
В
вн
+ 2
а
бст
, (21)
где
а
бст
— толщина боковой стены.
Длину рамы принимаем с условием размещения раскосов и тормозного оборудования как у вагона-прототипа модели.
Площадь пола универсальной платформы вычисляется по формуле
F = f·P, (22)
где
f — удельная площадь платформы-прототипа;
Р — рассчитанная грузоподъемность.
Принимаем внутреннюю ширину платформы такую, как у платформы-прототипа, тогда внутренняя длина кузова плат- формы составит

пр вн пр н
,
F
L
B
(23)
где пр вн
L
— наружная длина платформы;
пр н
B
— ширина проектируемой платформы, принимаемая равной ширине вагона-прототипа.
Наружная ширина кузова универсальной платформы пр пр н
вн
L
B


B
Б,СТ
, (24)
где
B
Б,СТ
— толщина бокового борта.

41
Наружная длина кузова пр пр н
вн
L
L

–
B
Т,СТ
, (25)
где
B
Т,СТ
— толщина торцевого борта.
Внутренняя длина кузова платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров составит
= ⋅
+
пл к
вн
1
нар
2
,
L
n L
а
(26)
где
n
1
— количество контейнеров типа IА, как правило
n
1
= 2;
к нар
L
— наружная длина контейнера типа IА;
а
2
— расстояние между контейнерами.
Принимаем внутреннюю ширину платформы такую как у вагона-прототипа.
Наружная длина кузова платформы для перевозки крупно- тоннажных контейнеров
=
+
пл пл н
вн
1 2 ,
L
L
а
(27)
где
а
1
— расстояние от торцевой стены контейнера до лобового листа концевой балки.
 
y
,
t
V
P k
(28)
где

y
— удельный оптимальный объем (для универсальных цистерн: для перевозки бензина

y
= 1,35 м
3
/т, для светлых нефтепродуктов

y
= 1,2 м
3
/т и для вязких нефтепродуктов

y
= 1,08 м
3
/т);
k
t
— коэффициент, учитывающий увеличение объема при расширении груза от повышения температуры. Для универсальных нефтебензиновых цистерн
k
t
= 1,02.
Объем котла состоит из объемов цилиндрической части, двух днищ и люка

42
V = V
ц
+ 2
V
д
+
V
л
, (29)
где
V
ц
— объем цилиндрической части котла;
V
д
— объем днища;
V
л
— объем люка.
Для вычисления этих объемов необходимо сначала опреде- лить внутренний диаметр котла
D
1
и внутренний радиус дни- ща
R
2
Внутренний диаметр котла
D
1
выбирается, исходя из габа- рита подвижного состава и целесообразности сохранения ти- повой рамы.
Внутренний диаметр котла 4-осной цистерны может быть определен также из зависимости

3 1
0,7
,
D
V
(30)
где
V — полный объем котла.
Полученная величина
D
1
должна быть округлена до бли- жайшего типового диаметра котла: 2000, 2200, 2400, 2600, 2800,
3000, 3200 мм.
Объем днища состоит из объемов овалоидной и цилиндри- ческой частей
V
д
=
V
о
+
V
цд
, (31)
где
V
о
— объем овалоидной части:
= π⋅ ⋅
−
2
o o
2
o
1
(3
),
3
V
h
R
h
(32)
здесь
R
2
— внутренний радиус днища
R
2
= (0,5…1,1)
D
1
; (33)
h
о
— внутренняя высота овалоидной части днища,
h
о
= 0,48...0,53 м;
V
цд
— объем цилиндрической части днища.

43


2 1
цд ц
,
4
D
V
h
(34)
где
h
ц
— высота цилиндрической части днища,
h
ц
= 0,060...0,080 м.
Объем люка равен


2 3
л л
,
4
D
V
h
(35)
где
D
3
— диаметр люка. Для универсальных цистерн
D
3
= 0,57 м, для кислотных
D
3
= 0,43 м;
h
л
— высота люка,
h
л
= 0,15…0,25 м.
Внутренняя длина котла равна
L
к
=
L
ц
+ 2
h
д
, (36)
где
h
д
— высота днища.
Длина цилиндрической части котла равна




д л
ц
2 1
4(
2
)
V
V
V
L
D
(37)
Высота днища
h
д
=
h
о
+
h
ц
, (38)
где
h
о
— внутренняя высота овалоидной части днища;
h
ц
— высота цилиндрической части днища.
Наружная длина котла вычисляется по формуле

 
нк к
2 2 ,
L
L
(39)
где

2
— толщина днища.
Длина рамы по концевым балкам равна

44 2
L
p
=
L
нк
+ 2
а
Т
,
(40)
где
a
T
— расстояние от наружной поверхности котла до лобо- вого листа концевой балки;
a
T
= –250...+425 мм.
У 8-осных цистерн котел выступает за раму до 250 мм, а у
4-осных он или равен длине рамы или не доходит до лобового листа от 90 до 425 мм.
База цистерны вычисляется по формуле

p б
2 2
2
L
L
(41)
Длина консольной части равна
−
=
p б
к
2 2
2 2
L
L
l
(42)
Если длина рамы проектируемой цистерны получается больше, чем у унифицированной, то в этом случае необходимо принять длину рамы равной наружной длине котла, округлив ее в пределах от 0 до 250 мм, получив, таким образом, базу ци- стерны равной
L
б
= 7800, 8200, 8400, 8600 мм и т.д.
Длина цистерны по осям сцепления автосцепок
2
L
ас
= 2
L
р
+ 2
а
ас
, (43)
где
а
ас
— вылет автосцепки.
Полная высота цистерны определяется
Н = Н
оп
+
D
н
+
h
лк
, (44)
где
Н
оп
— расстояние от головки рельсов до нижней опор- ной точки котла на раму; для 4-осных цистерн
Н
оп
= 1290 мм, для 8-осных цистерн
Н
оп
= 1134 мм;
h
лк
— высота люка с крышкой;
D
н
— наружный диаметр котла:

45
D
н
=
D
1
+

1
+

2
,
(45)
здесь
D
1
— внутренний диаметр котла;


1
— толщина верхнего листа котла;


2
— толщина нижнего листа котла.
Величина погонной нагрузки спроектированной цистерны определяется
 

T
ac
(1
)
2
P
k
q
L
(46)
Проектируемый вагон содержит пассажирское помещение с
n
пк
= 9 четырехместными пассажирскими купе, два тамбура, два туалета, служебное отделение с купе проводников, малые коридоры.
Размеры этих помещений рекомендуется принимать как у вагона, выбранного в качестве вагона-прототипа.
Внутренние размеры вагона:
а) пассажирское отделение (купе):
– длина —
l
пк
;
– ширина —
b
пк
;
– высота —
h
пк
;
б) служебное отделение (малый коридор, купе проводни- ков, туалет и бытовое помещение с котельной):
– длина —
l
со
;
– ширина —
b
со
;
– высота —
h
со
;
в) второй малый коридор с туалетом:
– длина —
l
км
;
– ширина —
b
км
;
– высота —
h
км
;
г) окна служебных помещений:
– длина —
l
оксл
;
– высота —
h
оксл
;
д) окна пассажирских купе:
– длина —
l
ок
;
– высота —
h
ок
;