ВАГОН С РАСКРЫВАЮЩЕЙСЯ КРЫШЕЙ В.В. БОДРОВА
CAR WITH OPENING ROOF BY V.V. BODROV

Устройство относится к области железнодорожного транспорта, в частности к грузовым вагонам, может быть использовано для модернизации эксплуатируемых полувагонов и при производстве новых вагонов.
Известен вагон, включающий кузов с торцовыми и боковыми стенами и две поперечно поворотные полукрыши, шарнирно закрепленные на торцовых стенках. Там же смонтированы механизмы для их открывания и уравновешивания. Механизм открывания гидравлический, с ручным приводом. Полукрыши цельнометаллические, высокие, с пространственной рамой в вертикальной и горизонтальной плоскостях, окаймляющей дуговую поверхность с торцами полусегментной формы.
Кузов вагона пониженной высоты в связи с большой высотой крыши в закрытом положении, поскольку большая высота полукрыш необходима для придания необходимой жесткости выгнутого по дуге стального листа длиной порядка 13 м. Грузоподъемность вагона понижена до 60 т для компенсации большого веса крыши. Вагон предназначен для перевозки штучных дорогостоящих грузов с крановой погрузкой и разгрузкой [1].
Наиболее существенный недостаток вагона с такой крышей - высокая стоимость из-за сложности изготовления и большого веса крыши, наличия гидропривода поворота, в связи с чем использовать такую конструкцию для перевозки сыпучих грузов в кузовах с донной разгрузкой в принципе возможно, но нецелесообразно по экономическим соображениям, а в кузовах с разгрузкой на вагоноопрокидывателях невозможно в принципе.
Наиболее близкий аналог, принятый в качестве прототипа, - вагон с раскрывающейся крышей, включающий кузов с торцевыми и боковыми стенами и две полукрыши из стойкого ко всем видам атмосферного воздействия упругоэластичного материала, один продольный край каждой полукрыши жестко закреплен к лежаку, жестко закрепленному на верхней кромке боковой стены, а средняя часть и второй край жестко закреплен к двум горизонтальным балкам П-образных рам, стойки которых шарнирно закреплены снаружи торцевых стен с возможностью поворота вокруг осей, параллельных продольной оси вагона [2].
Использование полукрыш из легкого эластичного материала дает возможность по сравнению с первым аналогом уменьшить вес крыши на порядок и не уменьшать высоту стен кузова, сократить длительность открывания и закрывания крыши вручную с нескольких минут до нескольких секунд.
Существенные недостатки такой конструкции:
- невозможность ее использования для модернизации глуходонных полувагонов, разгружающихся вагоноопрокидывателями;
- для удовлетворительной прочности и несущей способности балки на двух опорах характерный размер ее поперечного сечения должен быть порядка 1% длины. Горизонтальные балки крыши должны быть длиннее кузова вагона (13-19 м), значит, балка, поворачиваемая вокруг своей оси в процессе открывания/закрывания, должна быть выполнена из квадратной или круглой трубы с длиной стороны или с диаметром 0.13-0.18 м, при этом вес металлоконструкций крыши составит 4-6 т и на столько же уменьшится грузоподъемность вагона. Кроме того, расчет по напряжениям и прогибам в узлах прототипа показал, что декларируемая в описании возможность открытия и закрытия крыши одним рабочим нереальна в связи с большой гибкостью балок, пропорциональной кубу их длины, - при повороте в шарнире одной стойки рамы отставание в повороте второй стойки составит до 20° и перекос может привести к аварийной пластической деформации балки, поэтому поворот должен выполняться двумя рабочими.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение области применения крыши на все виды полувагонов без дверей на торцевых стенах, уменьшение веса и управление крышей одним рабочим.
Задача решается за счет того, что в вагоне с раскрывающейся крышей, включающем кузов с торцевыми и боковыми стенами, две полукрыши из устойчивого ко всем видам атмосферного воздействия полимера со стойками, шарнирно закрепленными снаружи торцевых стен и оборудованных механизмами уравновешивания, согласно изобретению каждая полукрыша состоит двух секций с возможностью независимого поворота, каждая секция включает две Т-образные стойки с механизмами уравновешивания и наклона, тросы, натянутые между Т-образными стойками, перекрытие, закрепленное на тросах, и арку, шарнирно соединенную с Т-образными стойками.
Дополнительно к этому перекрытие выполнено из твердого тонколистового конструкционного полимера с поперечным сечением в виде части дуги окружности, оси шарниров арки параллельны продольной оси вагона, концы арки жестко соединены с контргрузами под осями.
Разделение полукрыши на две секции, назовем их боковой и средней, с возможностью независимого поворота позволяет разгружать вагон на вагоноопрокидывателе. Для этого боковые секции поворачиваются и фиксируются под средними секциями полукрыш, при этом, во-первых, открывается примерно четверть загрузочного проема вагона вдоль боковых стен, что достаточно для свободного высыпания груза без контакта с перекрытием при наклоне вагона, во-вторых, верхние упоры и привальная стенка вагоноопрокидывателя не контактируют с перекрытиями и, соответственно, не повреждают их. Для погрузки или крановой разгрузки обе секции полукрыши поворачиваются так, что их перекрытия перемещаются за боковые стены и полностью открывают загрузочный проем вагона.
Перекрытия из твердого тонколистового конструкционного полимера, например стеклотекстолита толщиной 1-2 мм, имеют небольшой вес и сравнительно низкую стоимость, но более долговечны, просты и технологичны в изготовлении, чем перекрытия из упругоэластичного материала, а несущая способность перекрытия с пролетом порядка 13 м и более из недостаточно жесткого листа обеспечивается, во-первых, дугообразным поперечным сечением, во-вторых, опиранием его по всей длине и ширине на тонкие натянутые тросы. Т-образная форма стоек позволяет распределить натянутые тросы по ширине перекрытия.
Обе стойки каждой секции недостаточно жестко связаны, поэтому для их поворота каждая стойка должна быть оборудована своим механизмом наклона, но оба механизма должны работать синхронно.
Натяжение тросов образует в стойках изгибающий момент. Для его компенсации к стойкам закреплены концы арки с малой стелой подъема и с длиной дуги, превышающей длину тросов между стойками. Для того чтобы сила распора арки была равна силе натяжения тросов, необходимо, чтобы вес арки, умноженный на стрелу подъема арки, был равен весу тросов и перекрытия, умноженному на стрелу провисания тросов с перекрытием.
3
-4
2
Если длина дуги в поперечном сечении перекрытия - 0.9 м, толщина листа 0.0015 м и плотность 1800 кг/м, а длина пролета - 13 м, то вес перекрытия одной секции - 31.6 кг. Перекрытие закреплено на шести тросах диаметром 4.2 мм, их общий вес - 5.1 кг. С учетом креплений общий вес перекрытия - примерно 37.5 кг. Стрелу провисания перекрытия принимаем 0.05, а стрелу подъема арки - 0.07 м. Тогда поперечное сечение стальной арки равно 2.7×10 м, например, полоса сечением 0.008×0.034 м, а общий вес перекрытия с аркой - 76 кг.
Поскольку секции крыши должны поворачиваться перед и после погрузки/разгрузки вагона, а сила распора арки резко уменьшается при ее повороте вокруг продольной оси и на креплениях образуется дополнительное напряжение от крутящего момента, крепление концов арки к стойкам посредством шарниров с осями, параллельными продольной оси вагона, и контргрузы на концах арки обеспечивают ее вертикальное расположение при любом повороте секции.
Дуговое поперечное сечение перекрытий позволяет не только увеличить их сопротивление изгибу, но и разместить под ними арки так, чтобы они не препятствовали повороту секций для погрузки.
Изложенная сущность изобретения поясняется чертежами, где показано:
Фиг. 1 - Вид на торец вагона в транспортном положении или при донной разгрузке.
Фиг. 2 - Вид на торец вагона перед разгрузкой на вагоноопрокидывателе.
Фиг. 3 - Разрез по А-А.
Фиг. 4 - Вид по I.
Фиг. 5 - Вид на торец вагона в положении загрузки или крановой разгрузки.
Фиг. 6 - Разрез по Б-Б.
На каждой торцевой стене 1 (фиг. 1, 3) шарнирно закреплены две симметричные Т-образные стойки средних 2 и боковых 3 секций полукрыш. Стойки 2, 3 уравновешиваются пружинными элементами 4, 5. Механизм их поворота включает пневмоцилиндры 6 (фиг. 1, 6) и 7 (фиг. 6), на штоках 8 (фиг. 5) которых жестко закреплены двухсторонние зубчатые рейки 9 (фиг. 1, 6) и 10 (фиг. 6), рычаги 11 (фиг. 1, 6) и 12 с зубчатыми секторами, поворачивающиеся на осях 13 (фиг. 6), а также шатуны 14 (фиг. 1) и 15, шарнирно соединенные с рычагами 11, 12 и стойками 2, 3. К дугообразным верхним частям перекладин Т-образных стоек 2, 3 закреплены концы тросов 16 (фиг. 1, 3), натянутых между парой стоек каждой секции, а к тросам 16 закреплены опирающиеся на них и на перекладины стоек 2, 3 сводчатые перекрытия 17, 18. Под сводами перекрытий 17, 18 расположены арки 19 (фиг. 3-5), 20 (фиг. 3), концы которых жестко соединены с контргрузами 21 (фиг. 3-5), 22 (фиг. 3) и посредством осей 23 (фиг. 2, 4, 5) и защищенных пыльниками 24 (фиг. 4) упорных подшипников 25 шарнирно соединены со стойками 2, 3. К верхней части торцевых стен 1 жестко закреплены фронтоны 26 (фиг. 3, 5), закрывающие нижнюю часть проемов между перекрытиями 17, 18 и торцевыми стенами 1. Верхнюю часть проемов частично закрывают жестко закрепленные к стойкам 2, 3 навесы 27 (фиг. 1, 5) и 28. Для удержания стоек 2, 3 в сдвинутом положении к фронтонам 26 жестко закреплены упоры 29 (фиг. 5) с двухрядными дистанционно открываемыми защелками 30. Стойки 3 поддерживаются в транспортном положении дистанционно управляемыми утапливаемыми защелками 31 (фиг. 1, 2).
Устройство работает следующим образом.
В исходном (транспортном) положении (фиг. 1) стойки 2 средних секций полукрыш сдвинуты к середине кузова до контакта с упором 29 и зафиксированы в этом положении защелками 30, перекрытия 17 средних секций закрывают среднюю часть загрузочного проема кузова. Стойки 3 боковых секций находятся в промежуточном положении и поддерживаются в нем защелками 31. Штоки пневмоцилиндров 7 на обеих торцевых стенах 1 наполовину выдвинуты, а пневмоцилиндров 6 - полностью вдвинуты. Перекрытия 18 боковых секций закрывают примерно по четверти загрузочного проема кузова от боковых стен до перекрытий 17. Таким образом, весь загрузочный проем кузова закрыт сверху наклонными перекрытиями, а проем между перекрытиями 17, 18 и торцевыми стенами 1 закрыт фронтонами 26 и навесными панелями 27, 28. Торцевые края перекрытий 17, 18 образуют навесы над шарнирными креплениями стоек, пневмоцилиндрами 6, 7 и пружинными элементами 4, 5, частично закрывая их от осадков.
На участке разгрузки через донные люки крыша остается в исходном положении.
На участке разгрузки вагоноопрокидывателем рабочий открывает трехходовой кран воздухопровода, соединяющего пневмоцилиндры 7 на обеих торцевых стенах 1 с резервуаром тормозной системы вагона, сжатый воздух поступает в их верхнюю часть, рейка 10 опускается, поворачивая зубчатые сектора рычагов 12 верхними концами в сторону оси торцевых стен, шатунами 15 стойки 3 поворачиваются до контакта с упором 29 и фиксируются защелками 30. Давление воздуха в верхней части пневмоцилиндров стравливается в атмосферу. При этом перекрытия 18 перемещены под перекрытия 17, открыты примерно по четверти загрузочного проема кузова вдоль боковых стен (фиг. 2). Вагон готов к разгрузке. В вагоноопрокидывателе на верхнюю обвязку боковых стен опускаются его упоры, к боковой стене прижимается привальная стенка, и вагоноопрокидыватель поворачивается. После разгрузки защелки 30 поднимаются, сжатый воздух подается в нижнюю часть пневмоцилиндров 7, рейка 10 поднимается и рычаги 12 посредством шатунов 15 поворачивают стойки 3 до упора в защелки 31. Давление воздуха в нижней части пневмоцилиндров стравливается в атмосферу, и вагон готов к транспортировке.
На участке загрузки или крановой разгрузки поднимаются защелки 30, сжатый воздух подается в нижнюю часть пневмоцилиндров 6, рейки 9 поворачивают рычаги 11 и шатуны 14 поворачиваются до положения, при котором образуют одну прямую линию с рычагами 11, перекрытие 17 перемещается в крайнее положение за боковыми стенами вагона. После этого утапливаются защелки 31 и стойки 3 под действием собственного веса преодолевают противодействие пружинных элементов 5 и поворачиваются на предельно возможный угол (шатуны 15 образуют одну прямую линию с рычагами 12). Таким образом, оба перекрытия секций каждой полукрыши оказываются за боковыми стенами, а загрузочный проем вагона полностью открытым (фиг. 5).
После загрузки пневмоцилиндрами 6, 7 все секции поворачиваются в транспортное положение и фиксируются защелками 30, 31.
Места шарнирного крепления пружинных элементов 4, 5 и их пружины рассчитаны так, что в любом положении секций, центры тяжести которых повернуты за оси шарнирного крепления стоек к торцевым стенам, они уравновешены на 85-95%, а пневмоцилиндры в основном преодолевают силы трения в опорных шарнирах.
В принципе конструкция может работать и без пружинных элементов, но возможны ситуации, когда после длительного отстоя в тормозной системе вагона не будет сжатого воздуха, а крышу нужно открыть и закрыть. В этом случае пружинные элементы существенно облегчат закрытие вручную.
Таким образом, предложена конструкция вагона со значительно более легкой и простой в изготовлении, а значит, существенно более дешевой крышей, управляемой одним рабочим и обеспечивающей возможность выполнения всех видов погрузки и разгрузки всех типов полувагонов.
Источники информации
1. Вагоны. Конструкция, теория и расчет. П/р д.т.н. проф. Л.А. Шадура, изд. третье. М.: Транспорт, 1980. С. 309, 310.
2. Вагон з дахом, що , 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.