ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ГРУЗОВОЙ ВАГОН СОЧЛЕНЕННОГО ТИПА

Область техники
Настоящая полезная модель относится к области железнодорожного транспорта и касается конструкции грузовых вагонов сочлененного типа, предназначенных для перевозки наливных грузов, в том числе сжиженных газов, или насыпных грузов.
Уровень техники
Известен вагон-хоппер сочлененного типа, предназначенный для перевозки насыпных грузов (см. патент США №4644871 В61D 1/14, B61D 7/02, 11.12.1985).
Следует отметить, что в материалах настоящей заявки на полезную модель использовано понятие «вагон сочленненного типа», под которым следует понимать любой вагон, в конструкции которого использовано по меньшей мере три (n≥3) тележки, образующих ходовую часть вагона, и по меньшей мере две (т≥2) секции вагона, каждая из которых соединена с соседней секцией узлом сочленения, причем каждая пара соседних секций в зоне узла сочленения опирается на общую тележку. При этом количество тележек n и секций вагона m связано зависимостью n=m+1.
В конструкцию известного вагона-хоппера сочлененного типа входит одна промежуточная и две крайние тележки, образующие ходовую часть вагона, и две секции вагона, каждая из которых имеет отдельный кузов, предназначенный для размещения перевозимого насыпного груза, и соединена с соседней секцией шарнирным узлом сочленения. Причем секции вагона в зоне узла сочленения опираются через узел сочленения на одну общую промежуточную тележку.
Конструкция известного вагона-хоппера является наиболее близким аналогом предложенной полезной модели.
Согласно описанию указанного источника, взаимное расположение и конфигурация торцевых, боковых и наклонных стенок кузова вагона-хоппера обеспечивают распределение вертикальной нагрузки, действующей на ходовую часть от веса брутто вагона-хоппера, при котором промежуточная тележка в эксплуатации более нагружена, чем крайние тележки. В связи с этим в конструкции известного вагона-хоппера сочлененного типа использованы тележки с отличающимися значениями грузоподъемности, а именно: грузоподъемность промежуточной тележки - 70 т, каждой крайней тележки - 50 т, следовательно, использованы тележки с отличающимися значениями максимальной расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы.
В материалах настоящей заявки термин «расчетная нагрузка от колесной пары на рельсы» использован как наиболее ясный термин, используемый для описания технических параметров вагона или тележки в официальной (нормативной) документации, включая ГОСТы. Расчетная нагрузка от колесной пары на рельсы также называется осевой нагрузкой. Причем в рамках данной заявки необходимо различать понятия:
- максимальной расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы (максимальной осевой нагрузки), которая является параметром конкретной модели тележки, показывающим на какую максимальную нагрузку рассчитана данная модель тележки;
- расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы, которая является параметром конкретной модели вагона, характеризующим распределение между колесными парами тележек данной модели вагона веса брутто, рассчитанного исходя из наибольшей проектной массы тары и грузоподъемности вагона. В общем случае величина расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы может быть определена по зависимости:
,
o,i
где: p - расчетная нагрузка на рельсы от колесной пары 1-той тележки вагона, кН;
T,i
M - масса i-той тележки вагона, т;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
i
P - вертикальная нагрузка от веса брутто вагона, действующая на подпятник i-той тележки вагона, кН;
КП,i
n - количество колесных пар в i-той тележке.
Причем в случае равномерного распределения между однотипными тележками вертикальной нагрузки, действующей на ходовую часть от веса брутто вагона:
,
B
где: M - максимальная проектная масса тары вагона, т;
ГР
M - грузоподъемность вагона, т;
n - количество тележек, образующих ходовую часть вагона.
В таком случае зависимость примет вид:
.
Таким образом, в конструкции известного вагона сочлененного типа вертикальная нагрузка, действующая на ходовую часть от веса брутто вагона, распределена между промежуточной и крайними тележками недостаточно равномерно. При этом неравномерность распределения между тележками данной нагрузки приводит к ряду недостатков, перечень которых зависит от того, отличается ли модель крайних тележек от модели промежуточной тележки.
В случае, если в качестве ходовой части вагона используются тележки двух разных моделей (имеющих отличные друг от друга значения максимальной расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы), к недостаткам можно отнести:
- усложнение процессов обслуживания и ремонта вагона;
- увеличение номенклатуры запасных частей тележек.
В случае, если в качестве ходовой части вагона используются тележки одной модели (с максимальной расчетной нагрузкой от колесной пары на рельсы, соответствующей заявленной грузоподъемности промежуточной тележки), недостатками являются:
- неполное использование максимальной расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы крайних тележек. Поскольку промежуточная тележка согласно описанию США №4644871 более нагружена, чем крайние тележки, а превышение максимальной осевой нагрузки тележки недопустимо, следовательно, под вагоном брутто осевая нагрузка крайних тележек меньше максимального значения для данной модели тележки;
- ухудшение динамических качеств вагона;
- снижение безопасности движения ввиду уменьшения коэффициента запаса устойчивости против схода с рельса колесных пар крайних (недогруженных) тележек, т.е. возможно возникновение неблагоприятного сочетания вертикальных и горизонтальных сил, действующих на вагон, что приведет к вползанию гребня колеса на головку рельса и сходу вагона с рельсов.
Кроме того, существуют общие для рассмотренных случаев недостатки. К таким недостаткам относится усложнение тормозной системы вагона, заключающиеся в использовании тормозной рычажной передачи с отличающимися друг от друга значениями передаточного числа ее независимых частей, каждая из которых передает тормозное усилие от отдельного пневматического цилиндра к колодкам одной тележки вагона, и/или в установке на каждую тележку вагона индивидуального устройства автоматического регулирования давления в тормозном цилиндре при торможении (авторежима), что вызвано необходимостью обеспечения эффективности торможения и отсутствия юза колесных пар как более нагруженной промежуточной, так и крайних тележек вагона.
Все выше перечисленные недостатки ведут к ухудшению технико-экономических и эксплуатационных показателей грузового вагона сочлененного типа.
Раскрытие полезной модели
Задачей предлагаемой полезной модели является преодоление по меньшей мере некоторых недостатоков ближайшего аналога, а также повышение технико-экономических и эксплуатационных показателей грузового вагона сочлененного типа.
Указанная задача решена предлагаемым в настоящей полезной модели железнодорожным грузовым вагоном сочлененного типа, который содержит ходовую часть вагона, образованную двумя крайними тележками и по меньшей мере одной промежуточной тележкой, по меньшей мере две последовательно расположенные секции вагона, каждая из которых опирается на две тележки, имеет кузов и соединена с соседней секцией шарнирным узлом сочленения, причем каждая пара соседних секций в зоне шарнирного узла сочленения опирается непосредственно или опосредованно на общую промежуточную тележку, и который отличается тем, что значения расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы крайних и указанной по меньшей мере одной промежуточной тележек равны или отличаются между собой не более чем на 15%.
Технический результат достигается обеспечением равенства или отличия не более чем на 15% между значениями расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы крайних и промежуточной (промежуточных) тележек под весом брутто вагона.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является:
- обеспечение возможности использования в качестве ходовой части вагона тележек одной модели, а следовательно, сокращение номенклатуры запасных частей тележек при выполнении плановых ремонтов вагона, упрощение процессов обслуживания и ремонта вагона;
- обеспечение полного использования под весом брутто вагона максимальной расчетной нагрузки на рельсы от колесных пар ходовой части вагона, состоящей из тележек одной модели, поскольку обеспечено равенство вертикальных нагрузок от веса вагона брутто, действующих на каждую тележку, т.е. промежуточные тележки нагружены одинаково с крайними тележками, следовательно, расчетная нагрузка от колесной пары на рельсы каждой тележки достигает величины максимальной расчетной нагрузки;
- увеличение сцепления колесной пары с рельсом, что выражается в увеличении коэффициента запаса устойчивости против схода с рельса колесных пар крайних тележек, что, в свою очередь, обеспечивает повышение безопасности движения. При равенстве или отличии менее чем на 15% между значениями расчетной нагрузки на рельсы от колесных пар крайних тележек и промежуточной (промежуточных) тележки обеспечивается благоприятное соотношение вертикальных и горизонтальных сил, возникающих при движении вагона, что выражается в значении коэффициента запаса устойчивости колеса против схода с рельса превышающем минимальное допускаемое нормативной документацией значение для данного коэффициента;
- упрощение тормозной системы вагона благодаря равенству между собой значений передаточного числа независимых частей тормозной рычажной передачи и использованию в тормозной системе авторежимов, количество которых меньше количества тележек вагона.
Такая конструкция железнодорожного грузового вагона сочлененного типа позволяет обеспечить максимально равномерное распределение между тележками вертикальной нагрузки от веса металлоконструкции вагона с грузом, то есть обеспечить равенство или минимизировать отличия значений расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы всех тележек под весом брутто вагона. Таким образом, реализовано наиболее полное использование максимальной расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы всех тележек, и, следовательно, обеспечена наибольшая грузоподъемность вагона, возможность использования тележек одной модели, облегчение обслуживания, уменьшение номенклатуры запасных частей, улучшение динамических качеств, в частности увеличение коэффициента запаса устойчивости против схода с рельса колесных пар крайних тележек.
Согласно предпочтительному варианту выполнения указанное равенство или отличие не более чем на 15% между значениями нагрузки от колесной пары на рельсы крайних и по меньшей мере одной промежуточной тележек обеспечено за счет выбора расстояния 1-х между центрами подпятниковых мест крайней и промежуточной тележек, на которые опирается крайняя секция вагона, из диапазона:
,
где: n - общее количество тележек, образующих ходовую часть вагона, причем n≥3;
m - количество секций вагона, причем m≥2;
C
M - масса указанной крайней секции вагона, т;
M - грузоподъемность указанной крайней секции вагона, т;
C
L - расстояние, отложенное параллельно продольной оси вагона от центра тяжести указанной крайней секции вагона до центра подпятникового места промежуточной тележки, на которую опирается эта крайняя секция, мм;
ПР
L - расстояние, отложенное параллельно продольной оси вагона от центра масс однородной плоской фигуры, полученной проецированием внутреннего объема кузова указанной крайней секции вагона на вертикальную плоскость, проходящую через продольную ось вагона, до центра подпятникового места промежуточной тележки, на которую опирается эта крайняя секция, мм.
С
Причем масса М и положение центра тяжести крайней секции определяются без учета массы ходовой части, но при этом необходимо учитывать такие части секции вагона как автосцепное устройство, тормозная система, часть шарнирного узла сочленения и т.д.
ПР
Кроме того, при определении расстояния L предпочтительнее использовать проекцию полезного внутреннего объема, чем проекцию полного внутреннего объема кузова.
При этом в случаях, когда грузоподъемность М крайней секции вагона не регламентируется технической и эксплуатационной документацией на вагон, считается, что грузоподъемность вагона распределена между секциями пропорционально внутренним объемам их кузовов.
Предпочтительно, значение расчетной нагрузки на рельсы от колесной пары по меньшей мере одной тележки железнодорожного грузового вагона сочлененного типа равно значению максимальной расчетной нагрузки от колесной пары тележки на рельсы.
В предпочтительном варианте выполнения n=3, а m=2.
В еще одном варианте выполнения n=4, а m=3.
Краткое описание чертежей
Предлагаемое техническое решение проиллюстрировано на чертежах, где:
на фиг. 1 приведено схематичное изображение одного из вариантов реализации предлагаемого железнодорожного грузового 25 вагона сочлененного типа, предназначенного для перевозки насыпных грузов;
на фиг. 2 приведено схематичное изображение еще одного варианта реализации предлагаемого железнодорожного грузового вагона сочлененного типа, предназначенного для перевозки наливных 30 грузов, в том числе сжиженных газов
Подробное описание полезной модели со ссылками на чертежи
На фиг. 1 изображен железнодорожный грузовой вагон сочлененного типа. Ходовая часть этого грузового вагона сочлененного типа образована тремя тележками (n=3), две из которых - крайние тележки 1, а одна - промежуточная тележка 2. Кроме того, железнодорожный грузовой вагон сочлененного типа содержит две (m=2) секции вагона 3, каждая из которых имеет кузов 4, предназначенный для размещения перевозимого груза, опирается на соответствующую крайнюю тележку 1 и соединена с соседней секцией шарнирным узлом 5 сочленения. Причем пара соседних секций в зоне узла 5 сочленения опирается непосредственно или опосредованно на одну общую промежуточную тележку 2.
Как правило, в традиционных грузовых вагонах (не сочлененного типа) вертикальная нагрузка, действующая на ходовую часть от веса брутто вагона, распределена между тележками равномерно, т.к. расстояния, отложенные параллельно продольной оси вагона, от центра тяжести груженного кузова вагона до центров подпятниковых мест тележек, равны или незначительно отличаются между собой.
БР
В вагонах сочлененного типа промежуточная тележка воспринимает нагрузку от двух соседних секций с установленными на них кузовами, поэтому, как правило, промежуточная тележка более нагружена, что негативно сказывается на эксплуатации согласно упомянутым недостаткам. Равномерности нагружения тележек возможно достичь путем подбора расстояния между центрами подпятниковых мест крайней и промежуточной тележек, исходя из положения центра тяжести полностью загруженной крайней секции вагона (ЦТ).
ГР
ГР
ГР
Насыпные и особенно наливные грузы, как правило, равномерно заполняют полезный объем кузова вагона, поэтому на этапе проектирования вагона возможно определить наиболее вероятное положение центра тяжести груза (ЦТ) и, как следствие, расстояние L, измеренное параллельно продольной оси вагона, от центра подпятникового места промежуточной тележки до ЦТ.
C
C
C
С
При этом крайняя секция вагона (без учета ходовых тележек, на которые она опирается) имеет проектную массу M и центр тяжести в точке ЦТ. Причем расстояние L, измеренное параллельно продольной оси вагона, от центра подпятникового места промежуточной тележки до ЦТ также может быть определено на этапе проектирования вагона.
ГР
С
БР
Таким образом, зная положение центра тяжести груза (ЦТ) и крайней секции (ЦТ), возможно определить положение центра тяжести полностью загруженной крайней секции вагона (ЦТ).
ПР
ПР
Кроме того, кузов крайней секции вагона имеет внутренний объем, проекция которого на вертикальную плоскость, проходящую через продольную ось вагона, является замкнутой геометрической фигурой (выделена на чертежах серым цветом) с центром масс (тяжести) в точке ЦМ, расположенной на расстоянии L, измеренном параллельно продольной оси вагона, от центра подпятникового места промежуточной тележки. Причем на фиг. 1 показана проекция полного внутреннего объема, а на фиг. 2 - проекция полезного внутреннего объема, что более предпочтительно.
ГР
ПР
БР
ПР
Так как значения расстояний 1 и L, как правило, равны или отличаются между собой незначительно, для облегчения расчетов при определении положения центра тяжести ЦТ возможно использовать положение центра масс ЦМ.
Т
C
С
ПР
ПР
C
В предпочтительном варианте выполнения предложенного вагона равномерное распределение между тележками вертикальной нагрузки, действующей на ходовую часть от веса брутто вагона, обеспечено за счет выбора расстояния L между центрами подпятниковых мест крайней и промежуточной тележек, на которые опирается крайняя секция вагона, с учетом расстояния L, отложенного параллельно продольной оси вагона от центра тяжести ЦТ крайней секции вагона (без учета ходовых тележек) до центра подпятникового места промежуточной тележки, расстояния L, отложенного параллельно продольной оси вагона от центра масс ЦМ однородной плоской фигуры, полученной проецированием внутреннего объема кузова крайней секции вагона на вертикальную плоскость, проходящую через продольную ось вагона, до центра подпятникового места промежуточной тележки, общего количества n тележек, количества m секций вагона, массы M крайней секции вагона (без учета ходовых тележек), грузоподъемности M крайней секции вагона.
Т
В этой связи выявлен диапазон L, при котором обеспечивается равенство или сводится к минимуму отличие между значениями расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы крайних и промежуточной (промежуточных) тележек, выраженный как:
,
где: n - общее количество тележек, образующих ходовую часть вагона, причем n≥3;
m - количество секций вагона, причем m≥2;
C
M - масса крайней секции вагона, т;
M - грузоподъемность крайней секции вагона, т;
C
L - расстояние, отложенное по существу параллельно продольной оси вагона от центра тяжести крайней секции вагона до центра подпятникового места промежуточной тележки, на которую данная секция опирается, мм;
ПР
L - расстояние, отложенное по существу параллельно продольной оси вагона от центра масс однородной плоской фигуры, полученной проецированием внутреннего объема кузова крайней секции вагона на вертикальную плоскость, проходящую через продольную ось вагона, до центра подпятникового места промежуточной тележки, на которую данная секция опирается, мм.
T
Далее приведен пример расчета диапазона значений расстояния L между центрами подпятниковых мест крайней и промежуточной тележек, на которые опирается крайняя секция вагона, для грузового вагона сочлененного типа, который содержит две секции вагона (m=2) и ходовую часть вагона, образованную тремя тележками (n=3) с максимальной расчетной нагрузкой от колесной пары на рельсы 23,5 тс (230,5 кН).
C
C
ПР
Исходя из максимальной осевой нагрузки тележек, наибольшая (допускаемая) масса брутто данного вагона составляет 141 т.Причем на этапе проектирования определены следующие параметры конкретной модели вагона: масса тары 51 т и грузоподъемность вагона 90 т, масса каждой секции вагона без учета ходовых тележек M=18 т и грузоподъемность секции M=45 т, расстояние L=6035 мм и L=5800 мм.
T
Таким образом, предпочтительные значения расстояния L для данной модели вагона сочлененного типа находятся в диапазоне:
мм.
T
Причем, в случае принятия из указанного диапазона значения расстояния L=8800 мм, обеспечивается равномерное распределение между тележками вертикальной нагрузки от веса вагона брутто или, другими словами, равенство значений расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы всех тележек вагона, что обеспечивает грузоподъемность вагона 90 т.
T
Тогда как, в случае принятия значения расстояния L=9400 мм, которое не входит в указанный диапазон, отличие между значениями расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы крайних и промежуточной тележек составит более 15%. Причем, при заданной грузоподъемности вагона 90 т расчетная нагрузка от колесной пары на рельсы крайних тележек составит 22,2 тс, промежуточной тележки - 26,2 тс. Как видно, вертикальная нагрузка от веса вагона брутто распределена между тележками неравномерно, а расчетная нагрузка от колесной пары на рельсы промежуточной тележки превышает максимальное для данной модели тележки значение - 23,5 тс, что недопустимо. Исключить несоответствие между расчетной и максимальной нагрузкой от колесной пары на рельсы промежуточной тележки возможно двумя путями:
- уменьшением грузоподъемности вагона. При снижении грузоподъемности до 76 т расчетная нагрузка от колесной пары на рельсы крайних тележек составит 20,0 тс, промежуточной тележки -23,5 тс.
- замена модели промежуточной тележки вагона. При использовании в качестве промежуточной тележки вагона модели тележки с максимальной осевой нагрузкой 27,0 тс расчетная нагрузка от колесной пары на рельсы крайних тележек составит 22,7 тс, промежуточной тележки - 27,0 тс. При этом грузоподъемность вагона составит 94 тс.
Указанные пути обладают рядом недостатков. Так в первом случае максимальная расчетная нагрузка от колесной пары на рельсы крайних тележек используется на 85%, что ведет к значительному снижению грузоподъемности вагона - на 14 т. Во втором случае при незначительном увеличении грузоподъемности возникают недостатки, связанные с использованием в качестве ходовых частей вагона тележек двух разных моделей, перечисленные выше.
Поэтому очень важно обеспечить как можно более равномерное распределение между тележками вертикальной нагрузки от веса вагона брутто (или другими словами: обеспечить равенство или свести к минимуму отличие между значениями расчетной нагрузки от колесной пары на рельсы всех тележек вагона). Это даст возможность наиболее полно использовать максимальную расчетную нагрузку от колесной пары на рельсы всех тележек и, следовательно, добиться наибольшей грузоподъемности вагона при использовании в качестве ходовой части вагона тележек одной модели.
В предпочтительном варианте выполнения вагон содержит две секции 3, соединенные между собой через любой подходящий узел сочленения 5 и несущие кузова 4, и три тележки одной модели, две из которых - крайние тележки 1, а одна - промежуточная тележка 2. Возможен вариант, в котором три секции 3 с расположенными на них кузовами 4 соединены между собой посредством любых подходящих узлов сочленения 5, при этом вагон содержит четыре тележки одной модели, две из которых - крайние тележки 1, а две другие - промежуточные тележки 2. Таким образом, в предпочтительном варианте n=3 и m=2 или n=4 и m=3.
Кроме того, в предложенном вагоне возможно увеличение количества тележек и секций, чтобы выполнялось соотношение n=m+1, а также возможно соединение таких вагонов как между собой, так и с любыми другими вагонами.
Если для образования сочлененного вагона используют две секции 3 с установленными на них кузовами 4, то один кузов 4 опирают на крайнюю тележку 1 и промежуточную тележку 2, второй кузов 4 - на ту же промежуточную тележку 2 и на вторую крайнюю тележку 1 (на чертежах не изображена). Секции 3 между собой соединяют посредством любых подходящих узлов сочленения 5. Если для образования сочлененного вагона используют три секции 3 с установленными на них кузовами 4, то один кузов 4 опирают на крайнюю тележку 1 и промежуточную тележку 2, второй кузов 4 - на две промежуточные тележки 2, а третий кузов - на промежуточную тележку 2 и еще одну крайнюю тележку 1. Для образования сочлененного вагона с большим количеством секций необходимо соответствующее увеличение количества секций и промежуточных тележек, в то время как количество крайних тележек остается равно двум. Таким образом, выполняется соотношение n=m+1.
При формировании грузового состава сочлененный вагон сцепляют с любым другим грузовым вагоном - как вагоном сочлененного типа, так и с традиционным вагоном (не сочлененного типа) или локомотивом посредством любого подходящего сцепного устройства 6, которым оборудована консольная часть каждой крайней секции вагона, например посредством автоматического сцепного устройства.
Для специалиста в данной области техники очевидны и другие варианты выполнения предложенной полезной модели. Однако, исчерпывающее перечисление всех возможных вариантов реализации предложенной модели не представляется возможным. В частности, любые величины или любые выражения, раскрытые в настоящем описании, возможно заменить эквивалентными величинами или выражениями без выхода за рамки настоящей полезной модели.