СКОРОСТНОЙ ГРУЗОВОЙ ВАГОН В.В. БОДРОВА (ВАРИАНТЫ)
BODROV V.V. HIGH-SPEED FREIGHT CAR (VERSIONS)

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам, в частности к грузовым вагонам и может быть использовано для модернизации существующих полувагонов и для разработки новых в направлении улучшения их технико-эксплуатационных параметров.
В последние годы в ряде стран строятся высокоскоростные железнодорожные линии для движения пассажирских поездов со скоростью до 400 км/час, но пока еще в России и в большинстве других стран преимущественно по одним и тем же магистралям движутся более 90% пассажирских составов со скоростью на перегонах до 200 км/час и все грузовые составы со скоростью до 90 км/час, что снижает пропускную способность магистралей относительно пассажиропотока и снижение увеличивается с увеличением расстояния между конечными пунктами следования.
В паспортных данных грузовых вагонов и тележек указана их конструкционная скорость - 120-135 км/час, но фактическая скорость грузовых составов ограничена двумя наиболее существенными факторами - недостаточной эффективностью тормозной системы, воздействующей на поверхности катания колес и резко сокращающей срок их эксплуатации, в связи с чем нормативными материалами ограничена сила давления тормозных колодок на колеса [1] а также высоким аэродинамическим сопротивлением, (в дальнейшем АДС), влияющим не только на энергоемкость транспортировки, но и на аварийность в результате образования мощных воздушных вихревых потоков, приводящих к вхождению вагонов в неуправляемые режимы автоколебаний в горизонтальной (виляние) и вертикальной (галопирование и подпрыгивание) плоскостях на повышенной скорости, в связи с чем ограничена скорость движения составов [2].
В связи с тем, что на магистралях России эксплуатируется порядка полумиллиона универсальных и глуходонных полувагонов, наиболее актуальны технические решения по превращению обычного полувагона в скоростной и их нужно искать в целостной системе «кузов + ходовая часть». В данной заявке рассмотрена одна существенная составляющая скоростного вагона - кузов.
Вся энергия спутного воздушного вихревого потока - это существенная часть затраченной локомотивом энергии на преодоление АДС боковых стен с поперечными выступами внешнего каркаса, открытого верха с грузом произвольной формы и не закрытых грузом частей торцевых стен, днища кузова с поперечными балками рамы и межвагонного пространства состава.
Известны способы снижения АДС вагонов путем выравнивания наружной поверхности боковых стен с наружным каркасом [3, 4],
Согласно [3], по одному варианту пространство между стойками, обшивкой боковых стен, верхней и нижней обвязками и плоскостью бокового габарита вагона заполняется жестким пенополиуретаном, усиленным снаружи жестким полиуретаном, по второму варианту в плоскости бокового габарита вагона к стойкам жестко крепится фальшборт в виде плоского твердого листа, например, стального, жесткость которого между стойками усилена заливным пенополиуретаном. Согласно [4], наружная поверхность боковых стен также сглажена фальшбортом, жесткость которого между стойками усилена панелями гофрированного стального листа - профнастила.
Не вдаваясь в оценку сравнительных достоинств и недостатков указанных способов отметим, что все они позволяют существенно снизить АДС вагона и повысить критическую скорость вхождения в неуправляемый режим автоколебаний виляния с возможностью аварий, но на автоколебания в вертикальной плоскости практически не влияют.
Известна раскрывающаяся перед погрузкой крыша полувагонов, состоящая из двух упруго-эластичных полу крыш, у которых продольные края закреплены к лежакам на боковых стенах и к П-образным балкам, стойки которых шарнирно закреплены на торцевых стенах и оборудованы механизмом уравновешивания [5].
Существенные недостатки такой конструкции:
- невозможность ее использования для модернизации глуходонных полувагонов, разгружающихся вагоноопрокидывателями;
- большой вес длинных (13-19 м) горизонтальных балок П-образных рам.
- применительно к скоростным вагонам еще один недостаток такой крыши - это эластичность не туго натянутых полукрыш. Поток воздуха над ними вызовет «трепетание» материала, что резко сократит срок их службы.
В технической и патентной литературе отсутствует информация об улучшении обтекаемости низа грузовых вагонов и хотя бы частичного закрытия их межвагонного пространства.
Принимаем в качестве прототипа вагон, в котором частично или полностью реализованы известные способы снижения АДС - вагон, включающий кузов полувагона, содержащий боковые стены с плоской наружной поверхностью, торцевые стены и днище с хребтовой, шкворневыми, концевыми и промежуточными поперечными балками.
Существенные недостатки прототипа применительно к скоростному вагону:
- Не закрытые поперечные балки на днище при повышенных скоростях являются местом образования мощного вихревого потока с преимущественно вертикальной амплитудой, подпитывающего энергией колебания подпрыгивания и галопирования, инициированные ударами колес о стыки рельс и неровностями пути в вертикальной плоскости.
- Непрерывно образующиеся и срывающиеся с верхней обвязки торцевых стен полувагонов и с поверхности груза воздушные вихри, кроме отбора мощности локомотива, во-первых, способны выдуть существенную часть перевозимых сыпучих грузов, во-вторых, также усиливают колебания кузова в вертикальной плоскости.
- В открытых межвагонных пространствах срывающиеся с верхних обвязок торцевых стен и с угловых стоек боковых стен вихревые потоки образуют результирующее повышенное давление на передние торцевые стены, особенно при боковом ветре, и пониженное давление на задних торцевых стенах, что снижает величину полезной тяги локомотива.
Задача изобретения - сведение к минимуму АДС кузова грузового вагона.
1. Задача решается за счет того, что в скоростном грузовом вагоне, включающем кузов универсального полувагона, содержащий закрытые фальшбортами боковые стены между верхней и нижней обвязками, торцевые стены и днище с разгрузочными люками и рамой, состоящей из хребтовой, шкворневых, концевых и промежуточных поперечных балок, отличающийся тем, что к промежуточным балкам рамы жестко закреплена гондола со съемными или открывающимися боковыми и торцевыми панелями, закрывающая закрепленное к хребтовой балке тормозное оборудование вагона и среднюю часть поперечных балок, под каждым разгрузочным люком между тележками в углах стыковки поперечных балок и гондолы шарнирно закреплены поддоны, оборудованные шатунами, верхние шарниры которых соединены с разгрузочными люками, к нижней кромке фальшбортов шарнирно закреплены навесные панели, оборудованные замками для удержания их как в нижнем, так и в поднятом вверх положении, кузов оборудован поперечно-раскрывающейся крышей, включающей две симметричные полукрыши, каждая полукрыша содержит две секции различной высоты с возможностью независимого поворота, каждая секция включает две Т-образные стойки, натянутые между Т-образными стойками тросы и закрепленное на тросах перекрытие.
Дополнительно к этому, Т-образные стойки секций полукрыш шарнирно закреплены на общей оси, секции одинаковой высоты обоих полукрыш на каждой торцевой стене сочленены в смежных шарнирах находящимися в зацеплении зубчатыми секторами, оборудованы опорами скольжения или качения по дуговым упорам, жестко закрепленным на торцевых стенах, механизмы уравновешивания Т-образных стоек выполнены в виде пружин сжатия, а механизмы поворота - в виде пневмоцилиндров, перекрытие выполнено в виде тонколистового конструкционного материала, стойкого ко всем видам атмосферного воздействия; к угловым стойкам боковых стен шарнирно закреплены межвагонные панели, размер которых в направлении продольной оси вагона не превышает половины расстояния между угловыми стойками смежных вагонов в кривой пути минимально допустимого радиуса со стороны внутреннего рельса; к концевым балкам снизу жестко закреплены обтекатели.
2. Задача решается за счет того, что в скоростном грузовом вагоне, включающем кузов глуходонного полувагона, содержащий боковые стены, закрытые фальшбортами от верхней обвязки до низа стоек, торцевые стены и днище с рамой, состоящей из хребтовой, шкворневых, концевых и промежуточных поперечных балок, отличающийся тем, что к промежуточным балкам рамы жестко закреплена гондола со съемными или открывающимися боковыми и торцевыми панелями, закрывающая закрепленное к хребтовой балке тормозное оборудование вагона и среднюю часть поперечных балок, к открытой части поперечных балок жестко закреплены донные панели, плоские или с продольными гофрами, кузов оборудован поперечно-раскрывающейся крышей, включающей две симметричные полукрыши, каждая полукрыша содержит две секции различной высоты с возможностью независимого поворота, каждая секция включает две Т-образные стойки, натянутые между Т-образными стойками тросы и закрепленное на тросах перекрытие.
Дополнительно к этому, Т-образные стойки секций полукрыш шарнирно закреплены на общей оси, секции одинаковой высоты обоих полукрыш на каждой торцевой стене сочленены в смежных шарнирах находящимися в зацеплении зубчатыми секторами, оборудованы опорами скольжения или качения по дуговым упорам, жестко закрепленным на торцевых стенах, механизмы уравновешивания Т-образных стоек выполнены в виде пружин сжатия, а механизмы поворота - в виде пневмоцилиндров, перекрытие выполнено в виде тонколистового конструкционного материала, стойкого ко всем видам атмосферного воздействия; к угловым стойкам боковых стен шарнирно закреплены межвагонные панели, размер которых в направлении продольной оси вагона не превышает половины расстояния между угловыми стойками смежных вагонов в кривой пути минимально допустимого радиуса со стороны внутреннего рельса; к концевым балкам снизу жестко закреплены обтекатели.
Кроме того, что рама днища кузова включает неудобообтекаемые поперечные балки, к хребтовой балке снизу жестко закреплены агрегаты тормозного оборудования вагона, также существенно повышающие АДС. Это оборудование не нуждается в частых осмотрах и ремонтах, поэтому вполне может быть закрыто от встречного воздушного потока, а съемные или открывающиеся панели гондолы при необходимости открывают доступ к оборудованию.
В универсальных полувагонах шарнирное крепление поддонов, закрывающих проемы между поперечными балками в транспортном положении, и соединение их с разгрузочными люками, исключает помехи открытию и закрытию разгрузочных люков.
Боковая поверхность от нижней обвязки боковых стен до низа боковых стоек универсального вагона не может быть закрыта фальшбортом - там расположены запоры разгрузочных люков. Закрытие проемов в этой части бортов кузова обеспечивается шарнирно закрепленными навесными панелями, оборудованными замками для удержания их как в нижнем, так и в поднятом вверх положении. Таким образом, на боковых и донной поверхностях кузова закрываются проемы между выступающими наружу поперечными элементами
В глуходонных вагонах фальшборт закрывает борт до низа стоек, а донные панели - от гондолы до низа стоек и тоже все проемы закрыты.
Закрепленные к концевым балкам снизу обтекатели направляют встречный воздушный поток под кузовом мимо передней тележки и под нее, а в области задней тележки образуют заторможенную относительно вагона зону - воздушную подушку, что также снижает АДС подвагонных элементов, в том числе не закрытых проемов между поперечными балками над тележками.
Раскрывающаяся крыша не только защищает груз от атмосферных осадков и выдувания, но и существенно уменьшает АДС вагона, закрывая загрузочный проем с верхними частями торцевых стен. Перекрытия из тонкого листового конструкционного материала, стойкого ко всем видам атмосферного воздействия, например, конструкционного стеклотекстолита толщиной 1-2 мм, имеют сравнительно низкую стоимость, а достаточная несущая способность перекрытия с пролетом порядка 13 м и более из недостаточно жесткого листа обеспечивается опиранием его по всей длине и ширине на тонкие натянутые тросы, что минимизирует вес конструкции. Т-образная форма стоек позволяет равномерно распределить натянутые тросы по ширине перекрытия. Различная высота секций полукрыши позволяет размещать боковые секции под средними. Натяжение тросов образует в стойках изгибающий момент. Для его компенсации к торцевым стенам жестко закреплены дуговые упоры, по которым скользят или катятся опоры стоек.
Шарнирное крепление к торцевой стене нижних концов стоек боковой и средней секций каждой полукрыши на общей оси и симметричное размещение общих осей обеих полукрыш вблизи вертикальной оси торцевой стены позволяет наиболее просто и компактно сочленить стойки однотипных рам находящимися в зацеплении зубчатыми элементами, что в свою очередь существенно упрощает механизмы уравновешивания и наклона рам - одна из пары сочлененных стоек шарнирно соединена с пружиной сжатия, уравновешивающей обе стойки, а вторая стойка шарнирно соединена с пневмоцилиндром, синхронно поворачивающим обе стойки. Любой вагон оборудован баллоном со сжатым воздухом - элементом тормозной системы.
Закрепленные к угловым стойкам боковых стен межвагонные панели уменьшают задувание бокового спутного воздушного потока в межвагонное пространство, а их заявленный размер в направлении продольной оси вагона исключает взаимное частичное смятие в кривых пути, а на остановках не существенно затрудняет доступ рабочих к автосцепке.
Сущность изложенного поясняется чертежами, где показано:
Фиг. 1 - Вид сбоку на универсальный вагон.
Фиг. 2 - Вид сбоку на глуходонный вагон.
Фиг. 3 - Вид с торца на вагон в транспортном положении.
Фиг. 4 - Вид с торца на вагон с полностью раскрытой крышей.
Фиг. 5 - Вид с торца на вагон с частично раскрытой крышей.
Фиг. 6 - Вид сбоку на межвагонное пространство.
Фиг. 7 - Разрез по А-А.
Фиг. 8 - Разрез по А1-А1.
Универсальные 1 (фиг. 1) и глуходонные 2 (фиг. 2) вагоны оборудованы крышей 3 (фиг. 1, 2), обтекателями 4 (фиг. 1-4, 6), гондолой 5 (фиг. 1, 2, 7, 8) и межвагонными панелями 6 (фиг. 1-3, 6). Кроме того, универсальные вагоны оборудованы поддонами 7 (фиг. 7, 8), соединенными с разгрузочными люками 8 шатунами 9, а также навесными панелями 10 (фиг. 1, 7, 8). Крыша 3 состоит из двух симметричных полукрыш, каждая из которых включает боковую секцию со стойками 11 (фиг. 3), перекрытием 12 (фиг. 3, 6), пневмоцилиндрами 13 (фиг. 3) и пружинами 14 уравновешивания, а также среднюю секцию со стойками 15, перекрытием 16, пневмоцилиндрами 17 и пружинами 18. Перекрытия 12 и 16 закреплены на тросах 19. К концам стоек 11 и 15 жестко закреплены зубчатые секторы 20. В средней части стоек 11 и 15 расположены опоры 21 (фиг. 3, 6) и 22 скольжения или качения с возможностью перемещения по двухрядным дуговым упорам 23 (фиг. 3, 4, 6), жестко закрепленным к торцевым стенам 24 (фиг. 3). Для фиксации стоек 11, 15 в сдвинутом положении к торцевой стене 24 закреплен упор 25 (фиг. 4) с дистанционно управляемыми двухрядными защелками 26 и дистанционно управляемые защелки 27 фиксации стоек 11 в транспортном положении, а к концам дугового упора 23 закреплены упоры 28 (фиг. 4) ограничения поворота стоек 15. К верху торцевых стен 24 жестко закреплены фронтоны 29.
Устройство работает следующим образом.
В исходном (транспортном) положении (фиг. 1-3) стойки 15 средних секций полукрыш сдвинуты к середине кузова до контакта с упором 25 и зафиксированы в этом положении защелками 26, перекрытия 16 средних секций закрывают среднюю часть загрузочного проема кузова. Стойки 11 боковых секций находятся в промежуточном положении и поддерживаются в нем защелками 27. Перекрытия 12 боковых секций закрывают по четверти загрузочного проема кузова от боковых стен до перекладин стоек 15. Таким образом, весь загрузочный проем кузова закрыт сверху наклонными перекрытиями, а проемы между перекрытиями 12, 16 и торцевыми стенами 24 закрыт фронтонами 29. Разгрузочные люки 8 универсальных вагонов закрыты, Поддоны 7 удерживаются в поднятом положении шатунами 9, навесные панели 10 опущены и зафиксированы нижними замками.
На участке разгрузки через разгрузочные люки крыша 3 остается в исходном положении, рабочий поочередно поднимает навесные панели 10 и фиксирует их верхними замками, затем открывает запоры разгрузочных люков 8 и они, опускаясь, поворачивают поддоны 7 в крайнее нижнее положение. После разгрузки операции повторяются в обратном порядке.
На участке разгрузки вагоноопрокидывателем рабочий открывает трехходовой кран воздухопровода, соединяющего пневмоцилиндры 13 с резервуаром тормозной системы вагона, сжатый воздух поступает в нижнюю часть пневмоцилиндров 13 и обе стойки 11, благодаря зубчатым секторам 20, синхронно поворачиваются к средним секциям до контакта с упорами 25 и фиксируются внутренними защелками 26, пневмоцилиндры 13 сообщаются с атмосферой. При этом перекрытия 12 перемещаются под перекрытия 16, открывая по четверти загрузочного проема кузова вдоль боковых стен (фиг. 5). В вагоноопрокидывателе на верхнюю обвязку боковых стен опускаются его упоры, к боковой стене прижимается привальная стенка и вагоноопрокидыватель поворачивается. После разгрузки рабочий дистанционно открывает внутренние защелки 26 стоек 11, подает сжатый воздух в верхнюю часть пневмоцилиндров 13 и они поворачиваются до упора в защелки 27. Крыша полностью закрыта и вагон - в транспортном положении.
На участке загрузки или крановой разгрузки дистанционно утапливаются защелки 27, открываются наружные защелки 26 стоек 15, пневмоцилиндрами 13 и 17 боковые секции поворачиваются до упирания стоек 11 в боковой крепеж упора 23, а средние секции - до упоров 28. При этом перекрытия 12 и 16 перемещаются за боковые стены, полностью открывая загрузочный проем (фиг. 4).
После загрузки пневмоцилиндрами 13, 17 все секции поворачиваются в транспортное положение и фиксируются защелками 26 и 27.
При движении вагона спутный поток воздуха, имеющий среднюю скорость меньшую скорости вагона, действует на его элементы как встречный. Обдувая гладкие поверхности крыши и боковых стен, его приповерхностные слои задуваются в частично перекрытые сверху концами перекрытий и с боков межвагонными панелями в межвагонное пространство, оттуда - вместе с подвагонным потоком - под следующий вагон. Передний наклонный обтекатель с разведенными по сторонам краями направляет этот поток по бокам и под переднюю тележку, при этом и открытый проем между поперечными балками над тележкой, и сама тележка, и торец гондолы обдуваются с малой относительной скоростью, значит с малым АДС. Боковые панели гондолы не содержат поперечных выступов, поэтому их АДС тоже мало. Спереди гондола, а сзади подпор воздушной подушки перед задним обтекателем существенно снижают обдувание и АДС задней тележки. Наклон вперед и сужение к оси заднего обтекателя уменьшают срыв вихрей потока, также понижая АДС обратного обтекателя.
Таким образом, в предложенной конструкции АДС сведено к минимуму, что позволяет, во-первых, без увеличения мощности тягового средства существенно увеличить скорость движения при соответствии тормозов тележек такой скорости, во-вторых, существенно повысить критическую скорость начала автоколебаний виляния, а при оборудовании тележек средствами подавления колебаний виляния транспортировать грузовые составы со скоростью пассажирских.
Дополнительно к этому, раскрывающаяся крыша вагона не только защищает грузы от атмосферных осадков, но и снижает его АДС, а окружающую среду защищает от выдуваемой пыли сыпучих грузов.
Источники информации
1. Тормозное оборудование железнодорожного подвижного состава: Справочник / В.И. Крылов, В.В. Крылов, В.Н. Ефремов и др. М.: Транспорт. 1989. с. 463.
2. Нормы допускаемых скоростей движения подвижного состава по железнодорожным путям колеи 1520 (1524) мм, Приложение 1. Утв. Приказом ОАО «РЖД» от 26.08.2013.
3. Бодров В.В. Спосiб зниження аеродинамiчного опору вантажного пiвагона (Варiaнти). Патент UA №106565 МПК: B61D 3/00; B61D 17/02 B61D 17/08. Опубл. 10.09.2014. Бюл. №17.
4. Бодров В.В. Спосiб зниження аеродинамiчного опору вантажного пiвагона. Патент на корисну модель UA №89516. МПК: B61D 3/00; B61D 17/00; B61D 17/08. Опубл. 25.04.2014. Бюл. №8.
5. Бодров В.В., Адаманов Б.Х. Вагон з дахом, що розкривається, В.В. Бодрова - Б.Х. Адаманова. Патент на корисну модель UA №91157 U, МПК: B61D 17/00; B61D 17/12. Опубл. 25.06.2014. Бюл. №12.