Полувагон железнодорожный
RAILWAY GONDOLA CAR

Заявляемое изобретение относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции грузового полувагона, в частности конструкции кузова, обеспечивающей разгрузку полувагона в вагоноопрокидывателях.
В промышленности применяются различные вагоноопрокидыватели. Например, конструкция вагоноопрокидывателя [патент СССР на изобретение SU №299441 от 20.10.1969 г.], которая включает в себя ротор, состоящий из барабанов с дисками, опирающимися на роликоопоры. Диски двух крайних барабанов связаны между собой продольными элементами, концы которых шарнирно укреплены на дисках. В барабанах и средней шарнирной части ротора расположены привалочные стенки и платформа для установки полувагона. Продольные элементы средней части ротора включают в себя верхние опорные балки, трубчатые связи для подвески тяг и нижние опорные балки.
Анализ вышеописанной конструкции позволяет сделать вывод, что большинство вагоноопрокидывателей применяемых в государствах Содружества Независимых Государств (СНГ) состоят из нескольких секций, в каждой из которых имеется по одной привалочной стенке, при этом платформа, на которую устанавливается полувагон при разгрузке, выполнена цельной на все секции. Аналогичные конструкции вагоноопрокидывателей применяются в Исламской Республике Иран (ИРИ). Размеры секций и их количество различны - это зависит от модели (типа) вагоноопрокидывателя, его грузоподъемности, но при этом каждая секция меньше, чем длина разгружаемого полувагона, например: секция ВРС-93 и ВРС-93-110М равна 7400 мм; секция ВБС-93А равна 7870 мм; секция ВРС-125 равна 8510 мм; секция ВРС-134М равна 7000 мм и т.д., следовательно кузов полувагона не может при разгрузке полностью опираться на одну привалочную стенку одной из секций, а опирается на несколько привалочных стенок. Каждая привалочная стенка имеет пружинные амортизаторы, на которых посредством цапф свободно посажены два опорных ролика, входящих в криволинейные пазы (имеются конструкции вагоноопрокидывателей без криволинейных пазов, а только направляющие для опорных роликов) дисков ротора, то есть характеристики перемещения (траектория перемещения) у каждой привалочной стены индивидуальны, хотя они и выравнены в размерах допуска относительно общей плоскости.
Известна конструкция 4-осного полувагона с глухим кузовом, модель 12-295 [«Грузовые вагоны железных дорог колеи 1520 мм. Альбом - справочник 002И-97 ПКБ ЦВ.», Проектно конструкторское бюро, 1998, стр. 59], содержащая кузов с автосцепными устройствами и тормозной системой, установленный на двухосные тележки. Кузов состоит из рамы с продольной и поперечными балками, из двух торцевых стен и двух боковых стен с каркасом и обшивкой. Каждая боковая стена включает верхнюю обвязку, два листа угловой стойки, две шкворневые стойки и четыре промежуточных стойки, при этом стойки имеют заделку с поперечными балками рамы кузова.
Данная конструкция выбрана в качестве прототипа для заявляемого изобретения.
Недостатком данной конструкции полувагона являются отсутствие стоек на боковой стене в консольной части полувагона, а также отсутствие дополнительных стоек в середине кузова, связанных с несущим каркасом боковой стены. При постановке полувагона на разгрузку рекомендуется устанавливать его по центру вагоноопрокидывателя с допуском ± 3000 мм. Если вышеописанный полувагон установить в вагоноопрокидыватель ВРС-134М, имеющий три секции, каждая из которых равна 7000 мм, или ВРС-93 (ВРС-93-110М), имеющий две секции, каждая из которых равна 7400 мм, то при разгрузке полувагона четыре промежуточные стойки боковой стены обопрутся на центральную привалочную стенку, а шкворневые стойки - на правую и левую привалочные стенки соседних секций, при этом консольные части полувагона в контакт с привалочными стенками не вступят. Данный факт позволяет сделать вывод, что кузов полувагона обопрется на одну привалочную стенку только 42% от общей длины кузова. При учете допуска на постановку полувагона в вагоноопрокидыватель ситуация усугубится, так как опирание происходит на три рядом стоящие стойки, то есть на одну привалочную стенку обопрется только 27% от общей длины кузова. Все это приводит при опрокидывании полувагона к повышенным нагрузкам в элементах конструкции и в узлах их соединения, в результате появляются трещины в верхних углах соединения боковой и торцевой стен, а также выпуклость консольных и средних частей боковых стен кузова и замятие поручня составителя.
Задача, на решение которой направлена заявляемое изобретение, является создание конструкции кузова железнодорожного полувагона, которая обеспечит уменьшение нагрузок в элементах конструкции и в узлах соединения элементов конструкции в момент опирания груженного полувагона на привалочные стенки вагоноопрокидывателя, при этом данное требование должно выполняться при разгрузке полувагона во всех моделях (типах) вагоноопрокидывателей, существующих в промышленности СНГ и ИРИ (обусловлено размерами привалочных стенок).
Поставленная задача решается за счет того, что в каждой боковой стене кузова установлены дополнительные, промежуточные стойки без заделки с поперечными балками рамы, каждая из которых установлена на боковой стене, между шкворневой и последующей промежуточной стойкой, имеющей заделку с промежуточной балкой рамы. Также в каждой консольной части боковой стены установлены дополнительные, консольные стойки, без заделки с поперечными балками рамы. Кроме того, дополнительные стойки установлены таким образом, что расстояние от продольной оси шкворневой стойки до продольной оси ближайшей дополнительной промежуточной стойки, без заделки с поперечными балками рамы, равно 0,025-0,1 расстояния между продольными осями шкворневых стоек (база полувагона); расстояние между продольными осями дополнительных промежуточных стоек, без заделки с поперечными балками рамы, в каждой боковой стене равно 0,80-0,95 расстояния между продольными осями шкворневых стоек (база полувагона); расстояние от продольной оси дополнительной, консольной стойки до продольной оси любой из промежуточных стоек, расположенных на другой половине боковой стены кузова полувагона, то есть удаленных от консольной стойки за поперечную ось симметрии полувагона, равно 0,75-0,97 расстояния между продольными осями шкворневых стоек (база полувагона).
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что полувагон железнодорожный содержит кузов, установленный на ходовые части, состоящий из рамы, содержащей хребтовую балку и поперечные балки концевые, шкворневые, промежуточные, стен торцевых, включающих горизонтальные пояса, угловые стойки и стен боковых, включающих листы угловых стоек, шкворневые и промежуточные стойки, имеющие заделку с соответствующими шкворневыми и промежуточными балками рамы, а также промежуточные стойки без заделки с поперечными балками рамы, каждая из которых установлена на боковой стене, между шкворневой и последующей промежуточной стойкой, имеющей заделку с промежуточной балкой рамы, кроме того, в каждой консольной части боковой стены установлены консольные стойки, без заделки с поперечными балками рамы, при этом расстояние от оси консольной стойки до продольной оси любой из промежуточных стоек, расположенных на другой половине боковой стены кузова полувагона (удаленных от консольной стойки за поперечную ось симметрии полувагона), равно 0,75-0,97 расстояния между осями шкворневых стоек.
Вместе с этим, расстояние от оси шкворневой стойки до оси ближайшей промежуточной стойки, без заделки с поперечными балками рамы, равно 0,025-0,1 расстояния между осями шкворневых стоек, при этом расстояние между осями промежуточных стоек, без заделки с поперечными балками рамы, в каждой боковой стене равно 0,80-0,95 расстояния между осями шкворневых стоек.
Также в полувагоне не менее четырех стоек каждой боковой стены внешними поверхностями, параллельными продольной оси кузова, выравнены относительно общей плоскости.
Кроме того, каждая консольная стойка боковой стены установлена на листе угловой стойки, в районе соединения угловой стойки торцевой стены с листом угловой стойки боковой стены, при этом консольная стойка выполнена по длине меньше высоты листа угловой стойки боковой стены, но больше чем расстояние, по крайней мере, между осями двух рядом установленных, горизонтальных поясов торцевой стены, соединенных с консольной стойкой через угловую стойку торцевой стены и лист угловой стойки боковой стены.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - полувагон железнодорожный (общий вид);
Фиг. 2 - вид А, фиг. 1;
Фиг. 3 - вид Б, фиг. 1;
Фиг. 4 - разрез В-В, фиг. 3;
Фиг. 5 - вид напряженного состояния кузова при отсутствии консольной стойки;
Фиг. 6 - шкала напряжений;
Фиг. 7 - вид Г, фиг. 5;
Фиг. 8 - вид Д, фиг. 5;
Фиг. 9 - вид напряженного состояния кузова с консольной стойкой, расположенной на листе угловой стойки;
Фиг. 10 - вид Е, фиг. 9;
Фиг. 11 - вид Ж, фиг. 9;
Фиг. 12 - вид напряженного состояния кузова с консольной стойкой, расположенной между листом угловой стойки и шкворневой стойкой;
Фиг. 13 - вид З, фиг. 12;
Фиг. 14 - вид И, фиг. 12.
Полувагон железнодорожный содержит кузов 1, установленный на ходовые части 2 и состоящий из рамы 3, стен торцевых 4 и стен боковых 5. Рама 3 содержит продольную, хребтовую балку 6 и поперечные балки концевые 7, шкворневые 8, промежуточные 9. Стены торцевые 4 включают горизонтальные пояса 10, угловые стойки 11. Стены боковые 5 включают листы угловых стоек 12, шкворневые 13 и промежуточные 14 стойки, имеющие заделку 15, 16 с соответствующими шкворневыми 8 и промежуточными 9 балками рамы 3. Также на каждой боковой стене 5 имеются промежуточные стойки 17 без заделки с поперечными балками 7, 8, 9 рамы 3, при этом каждая промежуточная стойка 17 установлена, на боковой стене 5, между шкворневой 13 и последующей промежуточной стойкой 14, имеющих заделки 16 с шкворневой 8 и промежуточной 9 балками рамы 3. В каждой консольной части 18 боковой стены 5, установлены консольные стойки 19, без заделки с поперечными балками 7, 8, 9 рамы 3. Стойки 13, 14, 17, 19 в каждой боковой стене 5 установлены следующим образом:
- расстояние (a) от продольной оси 20 шкворневой стойки 13 до продольной оси 21 ближайшей промежуточной стойки 17, без заделки с поперечными балками 7, 8, 9 рамы 3, равно 0,025-0,1 расстояния (b) (база полувагона) между продольными осями 20 шкворневых стоек 13 (a/b = от 0,025 до 0,1);
- расстояния (с) между продольными осями 21 промежуточных стоек 17, без заделки с поперечными балками 7, 8, 9 рамы 3, равно 0,80-0,95 расстояния (b) между продольными осями 20 шкворневых стоек 13 (с/b = от 0,80 до 0,95);
- расстояние (d) от продольной оси 22 консольной стойки 19 до продольной оси 21 или 23 любой из промежуточных стоек 14, 17, расположенных на другой половине 24 боковой стены 5 кузова 1 полувагона, то есть удаленных от консольной стойки 19 за поперечную ось симметрии 25 полувагона, равно 0,75-0,97 расстояния (b) между продольными осями 20 шкворневых стоек 13 (d/b = от 0,75 до 0,97).
Вместе с этим, на каждой боковой стене 5 не менее четырех стоек внешними поверхностями 26, параллельными продольной оси 27 кузова 1, выравнены относительно общей плоскости.
Кроме того, каждая консольная стойка 19 боковой стены 5 установлена на листе угловой стойки 12 в районе соединения угловой стойки 11 торцевой стены 4 с листом угловой стойки 12 боковой стены 5. Консольная стойка 19 выполнена по длине меньше высоты листа угловой стойки 12 боковой стены 5, но больше чем расстояние (е), по крайней мере, между осями 28, 29 двух рядом установленных, горизонтальных поясов 10 торцевой стены, соединенных с консольной стойкой 19 через угловую стойку 11 торцевой стены 4 и лист угловой стойки 12 боковой стены 5.
Технический результат от заявляемого изобретения заключается в том, что в конструкции полувагона, в каждой консольной части боковой стены, установлены консольные стойки, без заделки с поперечными балками рамы, а расстояние от продольной оси консольной стойки до продольной оси любой из промежуточных стоек, расположенных на другой половине боковой стены кузова полувагона, то есть удаленных от консольной стойки за поперечную ось симметрии полувагона, равно 0,75-0,97 расстояния между продольными осями шкворневых стоек.
Все вышеперечисленные признаки, используемые в конструкции полувагона, обеспечивают опирание кузова в вагоноопрокидывателях, применяемых в государствах Содружества Независимых Государств (СНГ) и Исламской Республике Иран (ИРИ), на одну привалочную стенку не менее 53% от общей длины кузова (полувагона прототипа), а при учете допуска на постановку полувагона в вагоноопрокидыватель (± 3000 мм) опирание происходит на одну привалочную стенку не менее 50% от общей длины кузова.
Кроме того, по длине боковой стены, стойки распределены таким образом, что на каждую концевую часть одной привалочной стенки опирается не менее одной консольной стойки. Это создает несущий (силовой) контур жесткости, который обеспечивает более равномерное распределение нагрузки между элементами конструкции и тем самым уменьшает нагрузки в каждом элементе конструкции и в узлах их соединения в момент опирания груженого полувагона на привалочные стенки вагоноопрокидывателя. При установке консольной стойки на лист угловой стойки повышается прочность по всем элементам конструкции боковой стены кузова полувагона, а при смещении консольной стойки ближе к шкворневой стойки повышается прочность консольной части боковой стены кузова полувагона, что подтверждается расчетом (см. ниже таблицу выводов расчета). Расчет выполнялся в программном комплексе ANSYS Mechanical 11.0 на основании методов конечных элементов (измерения в МПа, эквивалентные напряжения по Мизесу).
Также если стойки в боковой стене установлены таким образом, что расстояние от продольной оси шкворневой стойки до продольной оси ближайшей промежуточной стойки, без заделки с поперечными балками рамы, равно 0,025-0,1 расстояния между продольными осями шкворневых стоек, при этом расстояния между продольными осями промежуточных стоек, без заделки с поперечными балками рамы, в каждой боковой стене равно 0,80-0,95 расстояния между продольными осями шкворневых стоек и если не менее четырех стоек каждой боковой стены внешними поверхностями, параллельными продольной оси кузова, выравнены относительно общей плоскости, то данное техническое решение обеспечивает опирание в одной из крайних частей одной привалочной стенки дополнительно не менее еще одной стойки, то есть на одну из привалочных стенок вагоноопрокидывателя, кузов полувагона опирается не меньше, чем тремя стойками, распределенными по крайним частям одной привалочной стенки.
Установка консольных стоек без дополнительной заделки с поперечными балками рамы уменьшает материалоемкость, массу тары полувагона, трудозатраты на изготовления рамы и кузова полувагона. Установка консольных стоек на листе угловой стойки позволяет изготовлять консольную стойку не на всю высоту боковой стены, а только на часть высоты боковой стены, что также уменьшает массу тары полувагона и металлоемкость. При установке консольной стойки в наиболее нагруженном месте листа угловой стойки между двумя горизонтальными поясами торцевой стены, которые соединены с консольной стойкой через угловую стойку торцевой стены и лист угловой стойки боковой стены, обеспечивается усиление наиболее нагруженной части листа угловой стойки боковой стены. В момент опрокидывания полувагона в вагоноопрокидывателе, когда на боковую стену воздействует максимальное количества груза, вертикальная боковая стена находится в горизонтальном положении. Консольная стойка начинает в этот момент выполнять функцию балки, а пояса торцевой стены функцию стоек, данный факт позволяет создать дополнительный несущий (силовой) контур жесткости и увеличить прочность кузова в соединении боковой и торцевой стен. Соединение поясов торцевой стены с консольной стойкой через угловую стойку торцевой стены и лист угловой стойки боковой стены, создает в данном узле два конструктивных элемента замкнутого, коробчатого сечения, что повышает прочность узла.
Вместе с этим установка консольных стоек в районе соединения торцевой стены и боковой стены, позволяет дополнительно снизить нагрузки в узлах соединения верхних обвязок боковой и торцевой стен, а также уменьшить выпуклость обшивки в консольных частях боковых стен кузова.
В настоящее время на заявляемое изобретение разработана конструкторская документация и проведены всесторонние испытания опытных образцов, начат выпуск установочной партии полувагонов направленный в Исламскую Республику Иран.
Схема нагружения
Элементы конструкции
<b>Напряженное состояние кузова при отсутствии консольной стойки (Фиг.5), МПа</b>
<b>Напряженное состояние кузова с консольной стойки расположенной на листе угловой стойки (Фиг. 9), МПа</b>
Изменение напряжений, %
<b>Напряженное состояние кузова с консольной стойки расположенной между листом угловой стойки и шкворневой стойкой (Фиг.12) МПа</b>
Изменение напряжений, %
<b>Схема I d/b = 0,75</b>
Верхняя обвязка в консольной части боковой стены
245
57
76,73
104
57,55
Несущие элементы боковой стены
245
244
0,41
144
41,22
Обшива в консольной части боковой стены
267
265
0,75
153
42,70
<b>Схема II d/b = 0,86 Изображено на фигурах</b>
Верхняя обвязка в консольной части боковой стены
138
48
65,22
151
-9,42
Несущие элементы боковой стены
71
60
15,49
89
-25,35
Обшива в консольной части боковой стены
267
265
0,75
213
20,22
<b>Схема III d/b = 0,97</b>
Верхняя обвязка в консольной части боковой стены
93
47
49,46
97
-4,30
Несущие элементы боковой стены
51
47
7,84
62
-21,57
Обшива в консольной части боковой стены
267
265
0,75
198
25,84