ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ВАГОН СОЧЛЕНЕННОГО ТИПА

Полезная модель касается конструкции железнодорожных транспортных средств, в частности грузовых вагонов, предназначенных для перевозки грузов.
Из патента РФ №150808 на полезную модель известно железнодорожное транспортное средство, содержащее по меньшей мере две последовательно расположенные секции, каждая из которых имеет кузов, соединена с соседней секцией узлом сочленения и опирается на две тележки, причём каждая тележка содержит колесные пары и рессорные подвешивания, а каждая пара соседних секций в зоне узла сочленения опирается непосредственно или опосредованно на одну общую тележку, при этом значение максимальной расчётной статической нагрузки от колесной пары тележки на рельсы составляет 25 тс, а значение статического прогиба рессорного подвешивания под максимально допустимой нагрузкой брутто составляет от 70 до 110 мм. Значение статического прогиба рессорного подвешивания под максимально допустимой нагрузкой брутто может составлять от 80 до 110 мм.
Недостатком железнодорожного транспортного средства по патенту РФ №150808 является то, что рассчитываемое повышение грузоподъемности транспортного средства по патенту №150808 определяется с учетом двух несопоставимых параметров: с одной стороны существенным признаком формулы, влияющим на повышение грузоподъемности, является признак «значение максимальной расчётной статической нагрузки от колесной пары тележки на рельсы составляет 25 тс», а с другой стороны существенным признаком формулы, влияющим на повышение грузоподъемности, является признак «значение статического прогиба рессорного подвешивания под максимально допустимой нагрузкой брутто составляет от 70 до 110 мм». При этом значение статического прогиба согласно формуле полезной модели является не расчетным, а фактическим значением.
Максимальной грузоподъемности вагона должно соответствовать значение статического прогиба рессорного подвешивания, при котором обеспечивается надлежащая надежность вагона и его функциональность. Грузоподъемность вагона определяется по известным правилам (например, согласно источнику 1 «Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)», утв. Зам. Министра путей сообщения РФ А.Н.Кондратенко «22» февраля 1996 г. 1996 г., опубл. https://web.archive.org/web/20071025043137/https://dwg.ru/dnl/2822; https://raillook.com/materialy/transport/jeleznodorojniy/vagony-i-vagonnoe-hozyaistvo/1996-normy-dlya-rascheta-i-proektirovaniya-novyh-i-moderniziruemyh-vagonov/.
Грузоподъемность и динамическая нагруженность вагона рассчитываются при проектировании; с учетом грузоподъемности и требуемой динамической нагруженности вагона осуществляется выбор параметров всех конструктивных узлов вагона. Поэтому ошибки при расчете грузоподъемности и динамической нагруженности могут привести или к ненадежности конструкции вагона (вследствие неточности определения динамической нагруженности и грузоподъемности вагона) или к недогруженности вагона (вследствие ошибок при расчете грузоподъемности). Ненадежность конструкции вагона выразится в ухудшении динамических характеристик, возможности появления вибраций и к появлению на колесах ползунов вследствие того, что при перегрузках колеса будут не проворачиваться на рельсах, а скользить по ним. Все это снижает эксплуатационные характеристики вагона и его безопасность.
Для расчета грузоподъемности и динамической нагруженности вагона применяются исключительно расчетные (прогнозируемые параметры), при этом для точности расчета грузоподъемности и динамической нагруженности параметры, на основании которых осуществляется расчет, должны быть одного порядка - расчетные (прогнозируемые) параметры. Сочетание расчетного параметра с фактическим при определении (расчете) грузоподъемности и динамической нагруженности, во-первых, приведет к ошибкам, обусловленным тем, что фактические параметры всегда отличаются от расчетных, а, во - вторых, обусловит ненадежность конструкции вагона (с вышеуказанными последствиями), поскольку его динамическая нагруженность будет определяться ненадлежащими параметрами, поэтому надежность вагона будет непрогнозируемой, в - третьих, сочетание расчетных и фактических параметров при определении конструктивных особенности вагона приведет к невозможности точно определить (спрогнозировать) качество хода вагона.
Параметры железнодорожного транспортного средства по патенту № 150808 определены с учетом расчетного значения максимальной статической нагрузки от колесной пары тележки и фактического значения статического прогиба рессорного подвешивания под максимально допустимой нагрузкой брутто.
Следовательно, железнодорожное транспортное средство, реализованное в соответствии с формулой по патенту №150808, будет или недогруженным (вследствие некорректного расчета грузоподъемности), или ненадежным (вследствие перегрузок и некорректного расчета динамической нагруженности) и небезопасным, т.к. эксплуатационные характеристики железнодорожного транспортного средства (грузоподъемность, динамическая нагруженность, безопасность и т.п.) по патенту № 150808 являются непрогнозируемыми.
Наиболее близким аналогом является железнодорожное транспортное средство сочленённого типа по патенту РФ №195193 на полезную модель, содержащее m последовательно расположенных секций, каждая из которых соединена с соседней секцией узлом сочленения и опирается на n тележек, причём каждая тележка содержит колёсные пары и рессорные подвешивания, а каждая пара соседних секций в зоне узла сочленения опирается непосредственно или опосредованно на одну общую тележку, при этом значение максимальной расчётной статической осевой нагрузки составляет 27 тс, а значение полного и расчетного статических прогибов рессорного подвешивания под максимально допустимой нагрузкой брутто составляет от 75 мм до 120 мм и от 60 до 80 мм соответственно, а также разность полных статических прогибов груженого и порожнего вагона составляет от 50 до 70 мм, и коэффициент относительного трения для груженого вагона выполнен в диапазоне от 0,07 до 0,13.
Недостатком железнодорожного транспортного средства по патенту №195193 являются его ненадежность, низкие динамические характеристики, недостаточная безопасность (т.е. низкие эксплуатационные характеристики). Указанные недостатки полезной модели по патенту №195193 обусловлены тем, что максимальная расчетная статическая осевая нагрузка составляет 27 тс, при этом расчетное значение статического прогиба рессорного подвешивания, равное 60 - 80 мм, характерное для значения максимальной расчетной статической осевой нагрузки 25 тс. Известно, что чем выше значение максимальной расчетной статической осевой нагрузки, тем мягче пружины рессорного подвешивания и наоборот - чем ниже значение максимальной расчетной статической осевой нагрузки, тем более жесткими являются пружины рессорного подвешивания. Сочетание высокого значения максимальной расчетной статической осевой нагрузки с расчетным значением статического прогиба рессорного подвешивания, характерным для более низких значений максимальной расчетной статической осевой нагрузки означает, что для вагона по патенту №195193 выбраны более жесткие пружины, применяемые в вагонах с более низким значением статической осевой нагрузки. Следовательно, в вагоне по патенту №195193 будет иметь место ухудшение динамических параметров, возможны вибрации, снижающие эксплуатационные характеристики вагона, в том числе, безопасность. Использование полной нагрузки в 27 тс в вагоне по патенту №195193 приведет к тому, что при рессорном подвешивании, характерном для нагрузки в 25 тс на колесах возникнут так называемые «ползуны», т.е. колеса будут не проворачиваться на рельсах, а будут скользить по ним, все это приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик, включающих, в том числе надежность и безопасность.
Техническая проблема, решаемая предлагаемой полезной моделью, - создание железнодорожного вагона сочлененного типа, обладающего высокими эксплуатационными характеристиками.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, - повышение надежности, безопасности железнодорожного вагона сочлененного типа, обладающего надлежащими динамическими параметрами и высокой производительностью при снижении материалоемкости.
согласно полезной модели
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в железнодорожном вагоне сочленённого типа, содержащем последовательно расположенные секции, каждая секция соединена с соседней секцией узлом сочленения и опирается на железнодорожные тележки, каждая тележка содержит колёсные пары с узлами рессорного подвешивания, соседние секции в зоне узла сочленения опираются на общую тележку,  значение максимальной расчётной статической осевой нагрузки составляет не более 24,9 тс, значение полного прогиба рессорного подвешивания под максимально допустимой нагрузкой брутто составляет 49-55 мм, разность расчетных статических прогибов груженого и порожнего вагона составляет 35-44 мм.
Заявляемый вагон снабжен по концам не более чем двумя автосцепками.
шус
с
шус
с
Заявляемый вагон выполнен с соблюдением соотношения k = k - 1, где k - количество узлов сочленения, k - количество секций.
Заявляемая полезная модель поясняется фигурами.
На фиг. 1 изображен вид сбоку сочлененного вагона-платформы.
На фиг. 2 изображен вид сбоку сочлененного вагона, каждая секция которого выполнена с кузовом.
На фиг. 3 изображен вид сбоку сочлененного вагона-цистерны.
На фиг. 4 представлена силовая характеристика рессорного комплекта без учета действия сил трения.
Позиции на фигурах:
1, 2 - секции сочлененного вагона-платформы;
3, 4 - несущие части сочлененного вагона;
5 - автосцепки;
6 - узел сочленения;
7, 8, 9 - ходовые тележки сочлененного вагона;
10 - колесные пары;
11 - узлы рессорного подвешивания;
12 и 13 - кузова;
14 и 15 - цистерны.
Сочлененный вагон-платформа на фиг. 1 для перевозки грузов содержит две секции 1 и 2, каждая из которых содержит отдельную несущую часть 3 и 4 с автосцепками 5, при этом несущие части 3 и 4 сочлененного вагона-платформы выполнены с отсутствующими общими конструктивными элементами. Несущие части 3 и 4 соединены между собой узлом сочленения 6. Также вагон-платформа содержит три ходовые тележки - 7, 8, 9, каждая тележка содержит колесные пары 10 с узлами рессорного подвешивания 11. Соседние секции 1 и 2 в зоне узла сочленения 6 опираются на общую тележку 8. Помимо несущих частей вагон-платформа содержит пол, конкретное выполнение которого не имеет значения для достижения заявленного технического результата. Значение максимальной расчётной статической осевой нагрузки составляет не более 24,9 тс, значение полного прогиба рессорного подвешивания 11 под максимально допустимой нагрузкой брутто составляет 49-55 мм, разность расчетных статических прогибов груженого и порожнего вагона составляет 35-44 мм.
На фиг. 2 изображен вид сбоку сочлененного вагона, каждая секция 1 и 2 которого выполнена с кузовом соответственно 12 и 13. Каждый кузов 12 и 13 содержит соответствующую несущую часть 3 (кузов 12) и 4 (кузов 13). Несущие части каждого кузова 12 и 13 выполнены или в виде рамы, или в виде полурамы с отсутствующими общими конструктивными элементами. Несущие части сочлененного вагона на фиг. 2 также соединены узлом сочленения 6 и снабжены автосцепками 5. Каждая секция 1 и 2 сочлененного вагона с кузовами 12 и 13 выполнена опирающейся на две ходовые тележки:
- секция 1 выполнена опирающейся на тележки 7 и 8;
- секция 2 выполнена опирающейся на тележки 8 и 9.
При этом ходовая тележка 8 является общей для обеих секций 1 и 2.
Значение максимальной расчётной статической осевой нагрузки составляет не более 24,9 тс, значение полного прогиба рессорного подвешивания 11 под максимально допустимой нагрузкой брутто составляет 49-55 мм, разность расчетных статических прогибов груженого и порожнего вагона составляет 35-44 мм.
На фиг. 3 изображен сочлененный вагон-цистерна, каждая секция которого содержит цистерну 14 или 15. При этом цистерна 14 установлена на несущую часть 3, а цистерна 15 установлена на несущую часть 4. Несущие части каждой цистерны 14 и 15 выполнены или в виде рамы, или в виде полурамы с отсутствующими общими конструктивными элементами. Несущие части сочлененного вагона-цистерны на фиг. 3 также соединены узлом сочленения 6 и снабжены автосцепками 5. Каждая секция сочлененного вагона-цистерны выполнена опирающейся на две ходовые тележки:
- секция 1 с цистерной 14 выполнена опирающейся на тележки 7 и 8;
- секция 2 с цистерной 15 выполнена опирающейся на тележки 8 и 9.
При этом ходовая тележка 8 является общей для обеих секций вагона-цистерны.
расчетных
Значение максимальной расчётной статической осевой нагрузки составляет не более 24,9 тс, значение полного прогиба рессорного подвешивания 11 под максимально допустимой нагрузкой брутто составляет 49-55 мм, разность  статических прогибов груженого и порожнего вагона составляет 35-44 мм.
Выбор параметров конструктивных узлов для проектирования заявляемого железнодорожного вагона сочлененного типа осуществлен с учетом расчетных значений максимальной расчётной статической осевой нагрузки и статического прогиба узла рессорного подвешивания, а также разности расчетных значений статических прогибов груженого и порожнего вагона.
Для определения полного и расчетного прогиба под весом тары и брутто вагона была построена вертикальная силовая характеристика рессорного комплекта без учета действия сил трения (фиг. 4). Рессорный комплект имеет кусочно-линейную характеристику с двумя точками перелома (три участка). Координаты точек перелома характеристики по перемещению (прогибу подвешивания) определены по разности высот пружин подвешивания в свободном состоянии. Координаты точек перелома характеристики по силе (действующей на рессорный комплект нагрузке) - вычислены. В неизношенном состоянии при номинальных размерах деталей уровни опорных поверхностей клиньев и надрессорной балки совпадают. На первом участке работают только наружные и внутренние подклиновые пружины, полный прогиб подвешивания составляет 20 мм.
На втором участке работают внутренние и наружные подклиновые пружины, наружные пружины, расположенные под надрессорной балкой. Полный прогиб подвешивания составляет 40 мм (полный прогиб наружной пружины, расположенной под надрессорной балкой, 20 мм). Для построения третьего участка характеристики была введена дополнительная точка на характеристике. Рассматривался прогиб, соответствующий вертикальной нагрузке, которая превышает вес вагона брутто, например, в 1,5 раза.
Выбор для определения параметров заявляемого железнодорожного вагона исходных значений одного порядка (расчетные значения) позволяет с максимальной точностью определить на этапе конструирования параметры конструктивных узлов вагона, рассчитать и спрогнозировать с высокой степенью достоверности (высокой точностью) грузоподъемность, динамическую нагруженность вагона, а также позволяет на этапе проектирования рассчитать с высокой степенью достоверности (точности) качество хода вагона, что, безусловно, отразится положительным образом при эксплуатации заявляемого вагона на его надежности и безопасности, которые, будут выше, чем у известных решений в силу отсутствия у заявляемого вагона недостатков, присущих аналогам.
Следует отметить, что расчетный параметр «максимальная расчётная статическая осевая нагрузка» - это одна цифра (не диапазон значений), рассчитываемый в зависимости от грузоподъемности вагона (сочлененных вагонов) и количества колесных пар (колесных осей). При этом параметр максимальной расчётной статической осевой нагрузки определяется по формуле 1.1, приведенной в источнике 1, как частное от деления грузоподъемности вагона (сочлененных вагонов) на количество колесных осей (колесных пар).
Значение максимальной расчётной статической осевой нагрузки не более 24,9 тс выбрано с учетом того, что такая осевая нагрузка соответствует большому диапазону (наиболее распространенному) грузоподъемности грузовых железнодорожных вагонов (от 65 до 110 т). Такой диапазон достаточен для осуществления практически всех грузовых перевозок железнодорожным транспортом. Выбор данного диапазона значений максимальной расчётной статической осевой нагрузки позволяет избежать недогруженности вагонов, позволяет осуществлять выбор параметров конструктивных узлов исходя из их необходимой и достаточной прочности и надежности в полном соответствии с прогнозируемыми эксплуатационными параметрами (в том числе с учетом необходимой безопасности). Поскольку выбор параметров конструктивных узлов заявляемого вагона осуществлен с учетом наиболее распространенного диапазона необходимой грузоподъемности, в заявляемом вагоне не требуется непроизводительного повышения надежности и прочности деталей, не требуется обусловленный этим дополнительный расход материала.
При значении максимальной расчётной статической осевой нагрузки более 24,9 тс будет, в большинстве случаев при эксплуатации заявляемого вагона, наблюдаться недогруз вагонов, т.е. будет иметь место низкая производительность. Поэтому выбор секций заявляемого железнодорожного вагона с показателем максимальной расчётной статической осевой нагрузки более 24,9 тс является нецелесообразным с точки зрения эффективности и производительности заявляемого вагона.
Значение полного прогиба рессорного подвешивания 11 в диапазоне 49÷55 мм определено с также с учетом необходимой и достаточной надежности функционирования узла рессорного подвешивания именно для выбранного значения максимальной расчётной статической осевой нагрузки не более 24,9 тс.
При значении расчетного статического прогиба узла рессорного подвешивания более 55 мм, будет иметь место ограничение по требованиям ГОСТ 9246-2013, таблица 2, т.к. для тележек по типу 3 разность полных статических прогибов рессорного подвешивания с максимальной и минимальной расчетной массой должна составлять не более 55 мм.
При значении расчетного статического прогиба узла рессорного подвешивания менее 49 мм, будет иметь место снижение надежности рессорного комплекта ввиду изменения общей жесткости, которая влияет на параметр центральной (эффективной) частоты процесса изменения динамических напряжений , Гц.
э
Центральная (эффективная) частота процесса изменения динамических напряжений f, напрямую влияет на количество амплитуд динамических напряжений и при ее изменении в большую сторону снижается запас сопротивления усталости конструкции и общая надежность в целом.
При таком сочетании указанных параметров будет отсутствовать недогруженность вагонов, будет надлежащим образом (с высокой степенью достоверности, точности) определена грузоподъемность и динамическая нагруженность вагона, будут отсутствовать (или максимально снижены) условия для возникновения вибраций, появления «ползунов» на колесах, будет обеспечена надлежащая безопасность вагона. При таких параметрах заявляемый вагон будет эксплуатироваться при производительности (высокой производительности), соответствующей наиболее распространенным весовым параметрам, перевозимых железнодорожными вагонами грузов.
Показатель значения разности расчетных статических прогибов груженого и порожнего вагона позволяет в дополнение к указанным выше параметрам более точно смоделировать и спрогнозировать надежность конструкции, качество хода и динамическую нагруженность.
Значение разности расчетных статических прогибов груженого и порожнего вагона, составляющий 35-44 мм, является необходимым и достаточным для обеспечения надлежащей надежности заявляемого вагона. При этом критическим является значение верхнего диапазона 44 мм.
При значении разности расчетных статических прогибов груженого и порожнего вагона более чем значение верхнего диапазона будет происходить смыкание рабочих витков пружин рессорного подвешивания, которое оценивается по критерию максимальных касательных напряжений в поперечных сечениях прутка пружин рессорного подвешивания от вертикальной нагрузки при максимальной деформации пружины согласно ГОСТ 13765-86. При смыкании рабочих витков произойдет увеличение касательных напряжений в поперечных сечениях прутка, что приведет к снижению усталостной долговечности элементов рессорного комплекта и снижению динамических характеристик вагона, которое нарушает требования безопасной эксплуатации вагона.
Заявляемый железнодорожный вагон, характеризующийся значением максимальной расчётной статической осевой нагрузки не более 24,9 тс, и значение полного прогиба рессорного подвешивания под максимально допустимой нагрузкой брутто составляет 49-55 мм, разностью расчетных статических прогибов груженого и порожнего вагона в диапазоне 35-44 мм, является надежным, безопасным, высокопроизводительным. При этом в заявляемом вагоне существенно снижены риски возникновения ненормативной динамической нагруженности, вибраций, возникновения «ползунов» и т.п. Материалоемкость заявляемого вагона существо снижена по сравнению с наиболее близким аналогом за счет исключения непроизводительного расхода материала деталей и узлов, обусловленных нагрузками (грузоподъемностью), которые в большинстве случаев являются излишними.
шус
с
шус
с
Проверка свойств заявляемой полезной модели осуществлялась для сочлененного вагона, в котором секции соединены между собой узлом сочленения, т.е. при соблюдении соотношения k = k - 1, где k - количество узлов сочленения, k - количество секций, при этом количество секций может оставлять более двух. При этом по концам заявляемый вагон снабжен автосцепками, количество которых составляет не более чем 2.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности, безопасности железнодорожного вагона сочлененного типа, обладающего надлежащими динамическими параметрами и высокой производительностью при снижении материалоемкости.