Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор конструкций сочлененных вагонов-платформ и постановка задач исследования 5
1.1 Обзор конструкций сочлененных вагонов-платформ
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 1
- Постановка задач исследования
- Экономическая эффективность сочлененных вагонов-платформ
- Результаты моделирования прохождения сочлененными платформами кривых малого радиуса
- Результаты моделирования прохождения сочлененными платформами горбов сортировочных горок
Введение к работе
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 «TATRAVAGONKA» 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:
-
Сравнить технико-экономические характеристики существующих сочлененных платформ и обычных платформ.
-
Разработать методику выбора конструктивных решений, обеспечивающих прохождение сочлененными платформами сортировочных горок и кривых малого радиуса.
-
Разработать новые технические решения, позволяющие реализовать их преимущества и применить их в инновационной конструкции сочлененной платформы.
-
Проверить предложенные методики расчета и технические решения при испытаниях опытных образцов.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
-
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.
-
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.
-
Проведены исследования влияния турникетных опор на геометрическую проходимость сочлененными вагонами горбов сортировочных горок и кривых малого радиуса. Определены зазоры, гарантирующие безопасность движения.
-
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.
-
Разработанные методики расчета прохождения вагонами сортировочных горок и кривых участков пути позволяют определить оптимальные размеры конструктивных элементов сочлененной платформы.
-
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.
Постановка задач исследования
Для обеспечения прохождения сочлененными вагонами кривых участков пути и сортировочных горок применяются специальные беззазорные соединения. Разработка и внедрение беззазорных сцепных устройств обусловлены тем фактом, что в случае отсутствия зазоров в сцепках поезда по всей его длине существенно снижается уровень продольных сил и повышается стабильность динамических характеристик. Это относится как к автосцепным устройствам между вагонами, так и к межсекционным соединительным устройствам сочлененных (многосекционных) вагонов.
В Северной Америке комитетом по сцепкам и поглощающим аппаратам Ассоциации американских железных дорог (AAR) и рабочей группой комитета предприятий-поставщиков автосцепных устройств, в которую вошли представители компаний ABC-NACO, ASF-Keystone, McConway&Torley и отделения Cardwell Westinghouse компании Wabtec, в январе 2001 г. был утвержден раздел S Сборника стандартов и рекомендуемых практик под обозначением М-215 Casting Details [4].
В качестве стандартных соединительных устройств были утверждены соединительные устройства, первоначально разработанные компанией ТТХ в середине 1980-х годов применительно к трех- и пятисекционным сочлененным вагонам-платформам с пониженной грузовой площадкой для перевозки контейнеров в два яруса.
Далее в этом разделе приведены наиболее известные конструкции устройств сочленения, используемые и использовавшиеся в сочлененных вагонах.
Первоначально узел сочленения компании Amsted (рисунок 1.16), запатентованный в 1965 году [55], состоял из двух сцепных частей, соединяемых центральным элементом над подпятником средней тележки. Усовершенствованное устройство сочленения той же компании (рисунок 1.17) было запатентовано уже в 1967 году [58]. В отливке, в которую входит ответная шарнирная часть, сделана специальная полость для крепления. Устройство крепится непосредственно на шкворневой балке с помощью опорной втулки. Болт, установленный наверху устройства, обеспечивает поворот вокруг вертикальной оси.
Узел сочленения компании Amsted, 1967 г. В дальнейшем компания Amsted продолжила развивать конструкции, добиваясь улучшения показателей. Узел сочленения (рисунок 1.18), запатентованный в 1972 году [56], сводит к минимуму ослабление сцепления и предотвращает вредоносное трение между элементами. Рисунок 1.18 - Узел сочленения компании Amsted, 1972 г. Рисунок 1.19 - Узел сочленения компании Amsted, 1973 г. В 1973 году запатентован [57] узел сочленения (рисунок 1.19), действующий и соединяющийся под силой собственной тяжести. Благодаря своей конструкции устройство практически исключает возникновение зазоров в продольной оси вагона. В 1975 году компанией Amsted был запатентован прототип (рисунок 1.20), получивший развитие в современных моделях этой компании.
Узел сочленения компании ACF,1975 г. Последний узел сочленения компании Amsted (рисунок 1.21), запатентованный в 1999 году [60], является самым усовершенствованным вариантом их устройства. Оно имеет лучшую эргономику, уменьшенную массу, большие углы поворотов.
Часто встречающимся за рубежом устройством сочленения является разработка этой компании - беззазорное сцепное устройство типа QUIK-DRAW (рисунок 1.22). При его разработке основной целью было обеспечение благоприятных характеристик при движении в кривых. В конструкции устройства, поставляемого в исполнениях разной длины, используется вертикальный шкворневой шарнир. Поглощающий аппарат может выдерживать продольные силы в составе поезда величиной до 450 т при ходе, равном примерно 6,3 мм. В устройстве применен материал KEY-GUARD на базе эластомера, который уменьшает сопротивляемость перемещениям в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Одновременно он устраняет механическое схватывание металлических поверхностей контактирующих тел. Spnencal Ring 70.100 ton 3800С 125 ton 3863С Spherical Ring Seat "0 100 ton 3G05A (Amsted) Данное соединительное устройство состоит из двух частей. Одна из них представляет собой плиту, смонтированную в центре тележки, другая приварена к хребтовой балке смежной секции. Эти части соединяются шкворнем, и в месте их сочленения помещается кольцевой сменный блок, воспринимающий нагрузку и обеспечивающий требуемую свободу взаимных перемещений. В устройстве применен так называемый падающий (под действием собственной тяжести) клин, обусловливающий автоматическую выборку зазора. Его особенностью является наличие характерной точки, по положению которой определяют степень износа трущихся тел, по достижении которой требуется ремонт или замена для сохранения режима беззазорной работы.
Узел сочленения компании A-Stucki (рисунок 1.23) запатентован в 1990 году [53]. Данное устройство располагается над общей средней тележкой между сочлененными вагонами. Конструктивно оно состоит из двух круглых плоских элементов, поддерживающих платформы на общем подпятнике. Элементы укладываются друг на друга, а затяжной винт скрепляет их между собой.
Экономическая эффективность сочлененных вагонов-платформ
С точки зрения распределения нагрузок при перевозке двух 40-футовых контейнеров сочлененная платформа обладает явными преимуществами по сравнению с длиннобазным вагоном. Благодаря дополнительной опоре в центральной части в виде тележки значительно уменьшаются изгибающие моменты.
При снижении нагрузки момент инерции сечения рамы, а, соответственно, и ее масса должны были существенно уменьшиться. В то же время у анализируемых вагонов-платформ уменьшение массы рамы практически не произошло. Масса рамы сочлененных вагонов-платформ фактически осталась такой же, как и у длиннобазного вагона-платформы (15-17 т). Это связано с необходимостью обеспечения прочности при действии продольных сил, а также перевозки четырех 20-футовых контейнеров. Таким образом, введение дополнительной опоры позволяет существенно снизить вертикальные нагрузки на раму, однако в рассмотренных конструкциях использование этого преимущества не снизило массу тары вагона. 2.2 Экономическая эффективность сочлененных вагонов-платформ
Одним из важнейших параметров вагона при его приобретении будущим собственником является его первоначальная стоимость и эксплуатационные расходы. Оценка экономической эффективности сочлененных платформ проводилась исходя из анализа возможного изменения стоимости ряда узлов в связи с особенностями конструкции такого вида платформ: ходовых частей; тормозного оборудования; устройства сочленения и автосцепных устройств.
В настоящее время для большинства вагонов стоимость ходовых частей составляет 60% стоимости вагона. Количество тележек в поезде из четырехосных вагонов составляет NT - 2NX, где N} — число вагонов. Количество тележек в поезде из сочлененных вагонов составит NT - N + 1, где N— число секций. Тогда стоимость тележек в обычном поезде составит С 0бычн = 2- 1 СТ, а сочлененного С сочл = {N +1) Ст гДе Ст - стоимость вагонной тележки. Оценить эффект от уменьшения числа ходовых частей можно в процентах по формуле: э=с +1).юо% = ±1.юо% CT(2NX) 2NX Из рисунка 2.5, где представлен график изменения стоимости ходовых частей при применении сочлененных вагонов, видно, что наиболее ярко выраженный эффект достигается при сочленении двух-трех секций.
В то же время увеличение числа тележек в вагоне повышает вероятность попадания в текущий отцепочный ремонт по неисправности тележек, колесных пар и буксовых узлов в течение года. Вероятность отцепки в ремонт рассчитывается по известной формуле вероятности появления хотя бы одного из событий, независимых в совокупности, и равна разности между единицей и произведением вероятностей противоположных событий: Р = 1 - (1 - Y\ РотШ) = 1 - Y\ 2отЙ) i=N+l i=N+l где PQT(Aj) - вероятность отцепки в ремонт і-тележки; Qom(Ai) - вероятность, что і-тележка не будет отцеплена в ремонт; N - число тележек. Поскольку вероятность отцепки каждой из тележек одинаковы, то можно принять Рт(А ) = Рт = 16%; Qom(Ai) = Qom - 84%. Тогда полная вероятность отцепки вагона в ремонт в связи с отказом одной или нескольких тележек будет равна:
Относительная стоимость вагона и вероятность отцепки в текущий ремонт в зависимости от числа секций Уже при четырех секциях вероятность отцепки возрастает в два раза. Увеличение числа секций свыше пяти может привести к большему числу проблем при эксплуатации, что уменьшит экономический эффект, поскольку неисправность одной из тележек потребует вывода из эксплуатации всего многоосного вагона, а не отдельной секции. При дальнейшем увеличении числа секций уменьшение стоимости ходовых частей замедляется, хотя и стремится в своём пределе к двухкратному сокращению.
Аналогично можно рассмотреть выгоду от сокращения элементов тормозной системы в вагоне сочлененного типа. В конструкции сочлененных и современных длиннобазных вагонов применяется тормозная система с раздельным торможением тележек и типовое тормозное оборудование. Одной из особенностей сочлененного вагона является существенная неравномерность загруженности средних и крайних тележек даже при симметричной загрузке вагонов. По этой причине при проектировании тормозной системы возникают проблемы с подбором передаточного числа тормозной рычажной передачи средних и крайних тележек таким образом, чтобы обеспечить эффективность торможения при всех схемах погрузки с применением композитных и чугунных колодок. Схема тормозной передачи сочлененного вагона приведена на рисунке 2.6.
Поскольку в сочлененных вагонах-платформах используется типовое тормозное оборудование, а конструктивные особенности таких вагонов увеличивают количество тормозных приборов, а именно тормозных цилиндров, регуляторов и авторежимов, за счет большего количества тележек, то у сочлененных вагонов увеличивается стоимость тормозного оборудования и расходы на их обслуживание.
Для сцепа из двух вагонов потребуется два воздухораспределителя, три авторегулятора и два привода стояночного тормоза. Но, как и в случае экономического эффекта от сокращения числа тележек, для сочлененных вагонов из трех и более секций может возникнуть ряд проблем, связанных с эксплуатацией. Таким образом, наиболее предпочтительной является конструкция сочлененного вагона из двух-трех секций при существующих показателях надежности тележек. При повышении надежности тележек число секций может быть увеличено до пяти.
Результаты моделирования прохождения сочлененными платформами кривых малого радиуса
В «Нормах расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» [35] учитывается горка с переломом 55%о=3,15 между плоскостями надвижной и спускной частей, сопряженными вертикальной кривой с радиусом 250м. Очевидно, что наибольший поворот сочлененной платформы в зоне сочленения будет в случае наибольшего перелома профиля горки (рисунок 4.4).
Профиль сортировочной горки без профильного разделителя Профиль сортировочной горки с профильным разделителем Затем были построены модели выбранных сортировочных горок и созданы модели вагонов: сочлененного вагона без турникетных опор и сочлененного вагона с турникетными опорами. Для упрощения расчета учитывался лишь продольный профиль вагона с учетом существующих взаимосвязей между тележками, рамой вагона и контейнерами.
Для сочлененной платформы была изначально задана высота турникетных опор 100 мм. При создании модели также был учтен прогиб металлоконструкции контейнера под собственным весом 20 мм (максимально) и прогиб металлоконструкций рам платформ под весом брутто контейнеров 35 мм в соответствии с ранее проведенными расчетами для сочлененного вагона. Величины прогибов были вычтены из высоты турникетной опоры.
Для расчета были выбраны зазоры, изменяющиеся в процессе движения вагонов по горкам - зазоры между торцами рам и нижней обвязкой среднего контейнера. Для проверки обеспечения прохода платформой горба сортировочной горки применялся программный пакет Solid Works Motion 2013.
В SolidWorks Motion с помощью функции Двигатель модели сочлененной платформы было задано линейное перемещение вдоль траектории сортировочной горки. Для вывода необходимых результатов изменения расстояния верхом внутренней торцевой балки рам платформы и нижней обвязкой контейнера в зависимости от положения платформы на горбе сортировочной горки использовалась функция Эпюра (рисунок 4.5). Требуемые графики возможно получить выбором в категории «Перемещение / Скорость / Ускорение» Подкатегории «Линейное перемещение». Измерение расстояния производилось по вертикальной оси Y между ближайшими точками торца рамы платформы и нижней обвязки контейнера. пакете SolidWorks Motion Полученные в результате моделирования графики были проанализированы, выявлены максимальные и минимальные значения зазоров для каждого типа горки. Для проверки возможности установки турникетной опоры рассчитанной высоты оценивалась ее максимально допустимая высота. Для этого проводился расчет на вписывание сочлененной платформы с контейнером в габарит. Расчет проводился для расположения вагона в кривом участке пути, основываясь на требованиях нормативных документов [18,45,46]. Поскольку контейнер является грузом, он должен быть вписан в основной габарит погрузки [45]. С учетом того, что габарит погрузки назначен для традиционных четырехосных платформ, для обеспечения безопасности проверялось также вписывание контейнера в габарит 1-Т [18,46].
При вписывании сочлененной платформы с грузом, установленным над сцепом, в габарит 1-Т [18,46] необходимо определить выносы по расчетной схеме, представленной на рисунке 4.6. Вынос центрального контейнера в кривых участках пути был определен из рассмотрения положения продольных осей вагона, тележек и контейнера. Продольная ось правой части платформы пересекает среднюю линию пути в кривой радиуса R в точках А и В, расстояние между которыми равно 21, что соответствует полубазе сочлененного вагона. Продольная ось контейнера длиной 2L, установленного на турникетных опорах в точках G] и Fj, отклоняется от середины пути вовнутрь на величину /сц, которая является суммой перемещения турникетных опор (точек G/ и F}) на величину// и перемещения оси самого контейнера на величину/. В этом случае значение выноса платформы/ / (с учетом выносов тележек с базой 1Т) определяется из рисунка 5.6 из подобия треугольников ABCjC2 и AFC2E и не отличается от принимаемой в [18,46]:
Результаты моделирования прохождения сочлененными платформами горбов сортировочных горок
С целью проверки полученных данных и выдвинутых предположений были проведены испытания сочлененного вагона-платформы модели 13-470-01. Вагон подвергался следующим испытаниям: прохождение кривых участков пути; роспуск с сортировочной горки; испытания на прочность. Во время испытаний в кривых участках пути сочлененный вагон проходил следующие кривые с целью проверки расчетных данных: круговая кривая радиусом 80 м протяженностью не менее 40 м; сопряжение прямой и кривой без переходного радиуса радиусом ПО м протяженностью не менее 70 м; S-образная кривая без прямой вставки радиусом 160 м протяженностью не менее 70 м.
Целью испытаний являлась экспериментальная проверка правильности взаимодействия элементов конструкции вагона при прохождении данных участков пути, для чего визуально оценивалось наличие зазоров и характер взаимодействия между элементами вагона, а также между вагоном и грузом. В процессе движения опытного вагона нештатное взаимодействие элементов не наблюдалось. В ходовых частях, турникетных опорах и сцепных устройствах имелись необходимые зазоры, остаточные деформации конструкции отсутствовали. Полученные в ходе испытаний зазоры между кронштейнами скользунов представлены в таблицах 6.1-6.3. Расхождение по сравнению с расчетными данными не превышает 11%. Таблица 6.1 - Зазоры между элементами секций рамы сочлененного вагона при прохождении круговой кривой радиуса 80 м № замера Зазор между элементами с внутренней стороны кривой, мм Зазор между элементами с наружной стороны кривой, мм
Зазоры между элементами секций рамы сочлененного вагона при прохождении сопряжения прямого участка с круговой кривой радиуса 110 м № замера Зазор между элементами с внутренней стороны кривой, мм Зазор менаду элементами с наружной стороны кривой, мм
Зазоры между элементами секций рамы сочлененного вагона при прохождении S-образной кривой радиуса 160м № замера Зазор между элементами свнутренней/наружной стороныкривой, мм Зазор между элементами снаружной/внутренней стороныкривой, мм Для проверки расчетов прохождения сортировочной горки были проведены испытания опытного образца сочлененной платформы модели 13-470-01 с высотой турникетной опоры 214 мм на сортировочной горке станции Рузаевка (рисунок 6.1).
Перелом профиля возле вершины горки станции Рузаевка составляет 40%о, что в 1,375 раз меньше значений перелома горки 55%о без разделительного элемента и горки в соответствии с «Нормами расчета и проектирования вагонов железных дорог колеи 1520 мм (несамоходных)» [35]. Ожидаемые результаты и замеры фактических зазоров между нижним поясом среднего контейнера и лобовыми листами полурам представлены в таблице 6.4. Таблица 6.4 - Расчетные и фактические зазоры между нижним поясом среднего контейнера и лобовыми листами секций рамы сочлененной платформы модели 13-470-01 на месте перелома (горба) сортировочной горки, мм Расчетные значения Фактические значения На горке безразделительногоэлемента На горке по «Нормам...» 94 89 99...108
Расхождение результатов в случае горки без разделительного элемента составило от 5 до 14 мм. При этом фактический прогиб рамы контейнера составил 11 мм вместо расчетных 20 мм, то есть на 9 мм меньше. С учетом этих поправок погрешность расчета высоты турникетной опоры по предложенной методике составляет не более 5,3%.
Для проверки полученных данных расчетов на прочность были проведены испытания сочлененного вагона модели 13-470-01. В объем испытаний были включены следующие виды: Создание вертикальной нагрузки при испытаниях на статическую прочность осуществлялось путем установки трех контейнеров типоразмера 1АА на штатные места сочлененного вагона. Два крайних контейнера грузились до грузоподъемности (масса брутто 30,48 т), средний контейнер загружался до массы брутто 25,5 т.
