IMPROVEMENT OF THE SUPPORTING STRUCTURE  OF PLATFORM CAR FOR HIGHER EFFICIENCY  OF CONTAINER TRANSPORTATIONS

<jats:p>Purpose. The article is aimed to improve supporting structures of the platform car to increase the efficiency of container transportations. Methodology. In order to achieve the objective, the strength investigations of the universal platform car of the model 13-401 were conducted, strength reserves of the supporting elements were defined, and more optimal profiles of basic longitudinal beams of the frame in terms of the minimum material capacity were proposed. Decision correctness was confirmed by the strength calculation of the platform car supporting structure at basic loading operational modes and fatigue taking into account the research database of 107 cycles. It has been proposed to equip a platform car with swing fitting stops for fastening containers on the frame, which allows transportation of 20ft and 40ft containers. In order to improve container transportation efficiency along international transport corridors running through Ukraine, a platform car of articulated type has been designed on the base of the improved platform car structure. The mathematical simulation of dynamic loads of the platform car with containers (two 1CC containers) at operational loading modes has been carried out, the maximum accelerations influencing the support structure have been defined, and their multiple values have been considered in computer simulation of the strength of the platform car of articulated type. Findings. The support structure of the platform car of articulated type on the basis of the standard platform car has been developed. Refined values of dynamic loads influencing supporting structure the platform car of articulated type with containers at operational loading modes have been obtained; the maximum equivalent stresses in the platform car support structure have been defined. Originality and practical value. A mathematical model of displacements for a platform car of articulated type with containers at operational loading modes of supporting structure has been proposed. The strength model of the supporting structure for the platform car of articulated type based on the standard platform car has been developed. Results of the research can be used in designing of platform cars of articulated type to provide their strength at mixed transportations.</jats:p>

section_content: Для забезпечення ефективності перевізного процесу необхідними є розробка та впровадження у експлуатацію вагонів-платформ нового покоління з покращеними техніко-економічними показниками. Це зумовило створення та введення в експлуатацію вагонів-платформ зчленованого типу, які вже не перший рік успішно експлуатуються на залізницях України. 

Відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України № 1390-2009-п від 16. 12. 2009 «Про затвердження Державної цільової програми реформування залізничного транспорту на 2010-2019 роки», метою якої є розвиток конкурентного середовища на ринку залізничних послуг, підвищення ефективності його функціонування, а також задоволення потреб національної економіки та населення в перевезеннях, необхідним є створення рухомого складу нового покоління з підвищеними техніко-економічними показниками, а також комбінованих систем транспорту, що забезпечить підвищення об'ємів перевезень вантажів через міжнародні транспортні коридори. 

Недостатній рівень поповнення вагонного парку Укрзалізниці за останні роки зумовлює необхідність впровадження в експлуатацію нових технічних рішень щодо удосконалення несучих конструкцій кузовів вагонів для здійснення потреб у перевезеннях завданої номенклатури вантажів. 

Питання проектування рухомого складу для перевезення великовагових вантажів розглянуті у [23]. Дослідження динаміки та міцності здійснено за допомогою сучасних засобів програмного забезпечення ProMechanica та CosmosWorks. При проектуванні несучої конструкції транспортеру виконано дослідження щодо можливості його виконання з різнотипних матеріалів. 

Конструкційні особливості вагона для інтермодальних перевезень розглянуті у [24]. Вагон має понижену середню частину, а наявність оборотної частини дає можливість здійснювати завантаження/вивантаження автотехніки на/з нього самокатом. 

Питання удосконалення комбінованих перевезень, зокрема контейнерних, розглянуті у [16], де виконано аналіз особливостей кріплення контейнерів на вагонах-платформах. З метою підвищення техніко-економічних показників вагонів при перевезенні контейнерів різно-го типорозміру обґрунтувано удосконалення конструкцій довгобазних вагонів-платформ та вагонів-платформ зчленованого типу для цих перевезень. 

Порівняльний аналіз витрат на повний життєвий цикл 80-футового вагона-платформи та вагона-платформи зчленованого типу наведений у [5]. Виконані дослідження дозволили обґрунтувати доцільність використання вагонів-платформ зчленованого типу в експлуатації. 

Дослідження навантаженості та довговічності залізничних екіпажів методами динаміки систем тіл виконується у [25]. Розглянута методика використана при дослідженні динамічної навантаженості та втомної довговічності рами довгобазного вагона-платформи для перевезення контейнерів. 

Аналіз конструкції вагона-платформи нового покоління наведений у [30]. Особливістю вагонаплатформи є можливість регулювання корисної довжини залежно від габаритів вантажу, який преревозять. 

Важливо зазначити, що у розглянутих працях не приділяється уваги дослідженню динамічної навантаженості вагонів при експлуатаційних режимах. 

Дослідження міцності вагона-платформи при статичній та динамічній навантаженості його конструкції наведені у [29], при цьому використані експериментальні методи, зокрема -електричного тензометрування. 

Дослідження динаміки вагона-платформи з використанням методів мультитіла наведені у [27]. Розрахунок виконаний стосовно вагонаплатформи з обертовою середньою частиною в середовищі програмного забезпечення MSC Adams. Рівняння руху вагона-платформи сформульовані в абсолютних координатах з використанням методу Лагранжа І роду. 

Дослідження динаміки залізничного вагона з відкритою завантажувальною платформою наведені в [28]. Розрахунок виконаний у середовищі програмного забезпечення MSC Adams. При цьому дослідження стійкості проти перекидання вагона здійснювалося при його вписуванні у криву радіусом 250 м з урахуванням різної швидкості руху. 

Питання моделювання міцності несучої конструкції вагона-платформи в зазначених роботах не розглянуті. 

Особливості дослідження динамічних якостей зчленованого вагона-платформи на математичних моделях розглядаються у [21]. В статті наведені оцінка власних форм коливань та стійкості незбуреного руху, дослідження динамічних якостей на нелінійній моделі зчленованого вагонаплатформи. При цьому дослідженню динамічних особливостей вагона-платформи при І розрахунковому режимі, як випадку найбільшої навантаженості конструкції в експлуатації, уваги не приділяється. 

Поліпшення технічних характеристик секційного вагона-платформи шляхом удосконалення його конструкції наведені у [7]. В роботі наводяться математичні моделі, які дозволяють визначити динамічні і міцнісні характеристики вагона-платформи зчленованого типу. Отримані теоретичні розрахунки підтверджені шляхом експериментальних досліджень міцності вагонаплатформи. 

При цьому в роботі не виконується дослідження прискорень, як складової динамічного навантаження вагона-платформи при дії повздовжніх сил на його несучу конструкцію в умовах експлуатаційних навантажень. 

Дослідження просторових коливань вагонаплатформи з довгомірним вантажем при русі по залізничній колії зі стиковими та гармонійними нерівностями у горизонтальній та вертикальній площинах наведені у [2]. Опис коливань механічної системи здійснений шляхом складання системи з двадцяти диференціальних рівнянь. 

Особливості динаміки вагона-платформи з несиметрично-розміщеним вантажем відносно рами розглянуті у [8]. Механічна система, що здійснює коливальний процес, включає 12 твердих тіл. Розв'язання системи диференціальних рівнянь здійснено за допомогою методу Адамса-Башфорта. 

У розглянутих роботах не приділяється увага дослідженню динаміки вагона-платформи, завантаженої контейнерами. 

Дослідження просторових коливань вагонаплатформи наводяться у [12]. Вагон-плат-форма разом з контейнерами розглядався як пружна балка з дискретно розміщеними зосередженими масами, що опирається на візки. При цьому виконувалася оцінка впливу на ходові якості екіпажа ваги контейнерів, що розміщені на вагоніплатформі. 

Важливо зазначити, що питання удосконалення несучої конструкції вагона-платформи з метою підвищення ефективності контейнерних перевезень у статті не розглядаються. 

Визначення динамічних характеристик комбінованих поїздів виконується у [9]. При цьому увагу зосереджено на дослідженні коливань вагонів-цистерн, що експлуатуються в напрямку «Схід-Захід». В роботі виконується математичне моделювання руху неоднорідного поїзда при різних експлуатаційних режимах. 

Дослідженню динаміки вагонів-платформ, як одного з найбільш поширених типів вагонів при комбінованих перевезеннях, в роботі уваги не приділяється. 

Дослідження щодо доцільності застосування круглих труб як елементів несучих систем залізничних вагонів-платформ наведені у [22]. На підставі виконаних теоретичних досліджень напружено-деформованого стану несучої конструкції вагона-платформи моделі 13-401 визначені резерви міцності його складових та запропоновано використання як несучих елементів рами труб круглого перерізу [19]. Дослідження динаміки удосконаленої несучої конструкції вагона-платформи в роботі не виконується. 

Дослідження динамічної навантаженності вагона-платформи при маневровому співударянні наведені у [15]. Отримано величини прискорень, які діють на вагон-платформу та контейнери при відсутності переміщень фітингів відносно фітингових упорів, а також при їх можливих переміщеннях. 

Обґрунтування доцільності експлуатації вагонів-платформ для перевезення контейнерів, у тому числі контейнерів-цистерн, побудови заводу «Трансмаш» (Росія) зазначене у [26]. Конструкція вагона-платформи має вантажопідйомність 73 тонни та може здійснювати перевезення контейнерів типорозміру 1СС, 1С, а також 1СХ. 

Дослідження міцності несучої конструкції вагона-платформи в зазначених роботах не виконується. 

Питання щодо удосконалення несучої конструкції вагона-платформи з метою забезпечення надійності закріплення відносно палуби залізничного порому розглядаються у [6]. Конструкційні особливості несучої конструкції вагонаплатформи дозволяють забезпечити стійкість ко-нтейнерів при перевезенні на залізничних поромах з урахуванням великих кутів крену. 

Особливості розробки швидкісного зчленованого вагона-платформи для перевезення контейнерів наведені у [14]. Прийняті технічні рішення при проектуванні вагона-платформи дозволяють здійснювати одночасне перевезення на ньому двох 40-або 45-футових контейнерів чи чотирьох 20-футових. 

Моделювання міцності рами вагонаплатформи з урахуванням розміщення на ній автомобільного напівпричепу виконується у [3]. У роботі запропоновано розрахункову схему, яка дозволяє отримати уточнені значення напружень у несучій конструкції вагона-платформи. 

В розглянутих роботах не приділяється уваги дослідженню динаміки вагона-платформи при експлуатації відносно рейкових колій.

section_content: Метою досліджень, які наведені в статті, є удосконалення несучої конструкції вагонаплатформи з метою підвищення ефективності контейнерних перевезень. Для досягнення поставленої мети визначені такі завдання:

1. Виконати дослідження міцності вагонаплатформи моделі 13-401 при експлуатаційних режимах навантаження та оптимізувати елементи його несучої конструкції з метою зменшення матеріалоємності. 

2. Дослідити динамічні особливості вагонаплатформи зчленованого типу при експлуатаційних режимах навантаження. 

3. Виконати дослідження міцності удосконаленої несучої конструкції вагона-платформи зчленованого типу. При цьому для визначення прискорень несучої конструкції вагона-платформи, як складової її динамічного навантаження, ця модель доопрацьована шляхом урахування переміщень двох секцій вагона-платформи при експлуатаційних режимах навантаження. Також в ній скасовані пружні зв'язки між контейнерами та несучою конструкцією вагона-платформи, що зумовлено меншою довжиною секції, створеної на базі типового вагона-платформи моделі 13-401 порівняно з довгобазним вагономплатформою, динаміка якого досліджувалася у [17].
section_name: Мета

section_content: Як досліджувана модель контейнера обраний універсальний контейнер типорозміру 1СС. При складанні математичної моделі враховано, що кожна секція вагона-платформи має власний ступень вільності, оскільки конструкційні особливості пристрою зчленування дозволяють здійснювати їх переміщення у просторі [4, 11].
section_name: Методика

section_content: Схема дії повздовжньої сили на вагонплатформу зчленованого типу з контейнерами, розміщеними на ньому при відсутності можливих переміщень фітингів відносно фітингових упорів наведена на рис. 5. 

    k -жорсткість пружин ресорних комплектів візків вагона-платформи (візок моделі 18-100);

 і z -координати, що визначають переміщення секцій вагона-платформи відносно відповідних осей;

Величина повздовжньої сили, що діє на несучу конструкцію вагона-платформи, прийнята рівною 2,5 МН [18]. Розв'язання диференціальних рівнянь здійснено за допомогою методу Рунге-Кутта в середовищі програмного забезпечення MathCad [10, 13]. 

Результати досліджень дозволили зробити висновок, що прискорення, які приходяться на несучу конструкцію першої з боку дії сили секції вагона-платформи складають 36,4 м/с², а другої -близько 37 м/с² (рис. 6). Схему навантаження несучої конструкції вагона-платформи зчленованого типу при І розрахунковому режимі (ривок-розтягнення) наведено на рис. 7. 

При складанні моделі міцності враховано, що на несучу конструкцію вагона-платформи, крім повздовжньої сили п P, діють вертикальні зусилля у зонах обпирання контейнерів на фітингові упори к Р. Модель не враховує можливі переміщення Отримано уточнені величини динамічних навантажень, які діють на несучу конструкцію вагона-платформи зчленованого типу з контейнерами, розміщеними на ньому при експлуатаційних режимах навантаження. 

Визначено максимальні еквівалентні напруження несучої конструкції вагонаплатформи зчленованого типу при дії експлуатаційних навантажень.
section_name: Контейнер розглянутий як прикріплена маса

section_content: 1. Запропоновано математичну модель переміщень вагона-платформи зчленованого типу з контейнерами, розміщеними на ньому при експлуатаційних режимах навантаження. 

2. Розроблено модель міцності несучої конструкції вагона-платформи зчленованого типу, створеного на базі універсального вагонаплатформи. 

Результати проведених досліджень можуть використовуватися при проектуванні вагонів-платформ зчленованого типу для забезпечення їх міцності при комбінованих перевезеннях.
section_name: Наукова новизна та практична значимість

section_content: На підставі виконаних досліджень можна зробити наступні висновки:

1. Виконано дослідження міцності вагонаплатформи моделі 13-401 при експлуатаційних режимах навантаження та оптимізовано елементи його несучої конструкції з метою зменшення матеріалоємності. При цьому враховано, що вагон-платформа завантажений двома контейнерами типорозміру 1СС. Виявлено резерви міцності елементів несучої конструкції вагонаплатформи та визначено найбільш оптимальні з точки зору мінімальної матеріалоємності профілі їх виконання. 

Для підвищення ефективності експлуатації удосконаленої конструкції вагона-платформи пропонується створення на його базі вагонаплатформи зчленованого типу. 

2. Досліджено динамічні особливості вагона-платформи зчленованого типу при експлуатаційних режимах навантаження. Отримані результати використані при моделюванні міцності несучої конструкції вагона-платформи зчленованого типу.
section_name: Висновки