МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ НАСТИЛ ПОЛА КРЫТОГО ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, к крытым универсальным грузовым вагонам, а именно к конструкции настила пола.
Известен крытый вагон, включающий кузов, который содержит боковые и торцевые стены, крышу и пол с настилом из металлических листов (патент RU 176267 ПМ, МПК B61D 17/10, B61D 3/00, опубликованный 15.01.2018 г.).
Недостатком известного вагона является низкая прочность и технологичность настила пола, т.к. он выполнен из листов разной толщины, что усложняет процесс нанесения сварных швов, а большая разница толщины свариваемых листов приводит к необходимости дополнительной механической обработки края листа с большей толщиной. Все это приводит к увеличению трудозатрат при сборке настила пола в частности и вагона в целом.
Помимо этого сварка листов с разной толщиной приводит к образованию концентраторов напряжения в сварных швах, что снижает прочность настила пола. Для компенсирования указанных выше концентраторов требуется либо еще больше увеличивать толщину листов, либо применять материалы с большей прочностью.
Известен металлический настил пола, состоящий из листов металлопроката с рифленой поверхностью (RU 2009922 С1, МПК B61D 17/10, В60Р 7/08, опубл. 30.03.1994), выбранный в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются низкая технологичность изготовления настила пола, так как средства для крепления грузов усложняют его конструкцию, а также недостаточная прочность пола.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение технологичности при условии сохранения требуемой прочности.
Технический результат достигается тем, что металлический настил пола крытого грузового вагона состоит из листов металлопроката с рифленой поверхностью, причем листы имеют равную толщину 5 мм, а предел текучести листов составляет от 265 до 390 МПа.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлено объемное изображение крытого грузового вагона с металлическим настилом пола, на фиг. 2 - показаны точечные нагруженные области от колес погрузчика при толщине листов настила пола 5 мм, на фиг. 3 - показаны точечные нагруженные области от колес погрузчика при толщине листов настила пола 6 мм, на фиг. 4 - показаны точечные нагруженные области от колес погрузчика при толщине листов настила пола 7 мм, на фиг. 5 - показаны точечные нагруженные области от колес погрузчика при толщине листов настила пола 8 мм.
Крытый грузовой вагон состоит из кузова 1, установленного на ходовую часть 2. Кузов 1, в свою очередь, состоит из боковых 3 и торцевых 4 стен, перекрытых крышей 5 и установленных на раму 6. Боковые стены 3 содержат дверной проем и перекрывающие его двери 7.
Рама 6 сверху перекрыта металлическим настилом пола 8.
Листы металлического настила пола 8 выполнены из рифленого стального проката. Рифление стальных листов может быть ромбической формы или любая разновидность чечевичного рифления, причем ребра рифлёных листов дополнительно обеспечивают необходимою жесткость и прочность пола.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется расчетом толщины настила пола, выполненного из листов одинаковой толщины из рифленого листового проката, для достижения необходимой прочности пола.
При производстве погрузочно-разгрузочных работ используются механизированные погрузчики, при этом для обеспечения сохранности вагонов согласно требованиям ГОСТ 22235-2010 «Вагоны грузовые магистральные железных дорог колеи 1520 мм. Общие требования по обеспечению сохранности при производстве погрузочно-разгрузочных и маневровых работ» установлено удельное давление колеса погрузочного устройства на пол вагона не более 22 кН.
Поэтому согласно ГОСТ 33211-2014 «Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам» конструкция настила пола должна рассчитываться на прочность на две отстоящие друг от друга на 1,0 м силы по 0,03 МН каждая, сосредоточенные на площадках 0,15×0,15 м приложенные в любом месте пола (что соответствует эксплуатационной нагрузке при погрузке-выгрузке механизированным погрузчиком). В конструкции крытого вагона самое напряженно-деформированное состояние расположено в дверном проеме, в середине вагона. Эта область и использована для расчета напряжения.
Представленный ниже расчет произведен методом конечных элементов на основе использования системы расчета и проектирования механических конструкций и оборудования в области машиностроения и строительства «АРМ WinMachine» (лицензионное соглашение №29202 от 17.05.02 г. пользователь: АО «Алтайвагон»).
Расчетная модель несущей металлоконструкции рамы и кузова грузового вагона создавалась с учетом того, что вагон в расчете представляет собой стальную сварную несущую конструкцию, сформированную из листового и фасонного проката. Оценка напряженно-деформированного состояния вагона проводилась с использованием детализированной пластинчатой конечно-элементной модели. Использование при формировании конечно-элементной расчетной модели пластинчатых конечных элементов позволяет достаточно подробно моделировать конструкцию вагона, включая узлы соединения балок, и обеспечивать компактность модели.
Общее количество пластинчатых элементов вагона со средним размером 40×40 мм составило 233113. Элементы объединены в 200798 узлах, число степеней свободы конечно-элементной модели составляет 1204788.
Закрепление модели в пространстве осуществляется введением связей в вертикальном и поперечном направлениях по опорной поверхности пятников, а от продольных перемещений - в середине вагона по боковым балкам (при симметричных нагружениях).
В расчетной модели хребтовая, концевые, шкворневые, боковые балки, продольные и поперечные балки рамы, элементы кузова, настил пола представлены в виде пластин с соответствующими толщинами.
Расчет на прочность настила пола выполняется для металлического пола толщиной 5 мм, 6 мм, 7 мм и 8 мм.
Максимальные расчетные напряжения, полученные в результате расчета металлического настила пола толщинами 5 мм, 6 мм, 7 мм и 8 мм от действия погрузчика представлены на рисунках 2-5 и в таблице 1.
Из представленных результатов расчета очевидно, что для обеспечения прочности вагона при загрузке в случае применения листов с меньшей толщиной, необходимо выбирать металл с большим пределом, либо изготавливать листы пола с большей толщиной, но из менее прочного металла.
Любой из вариантов имеет свои преимущества и недостатки. Так, применение листов толщиной 5 мм с пределом прочности выше максимального расчетного напряжения обеспечит снижение массы тары, вагона, что приведет к увеличению грузоподъемности, но неизбежно приведет к увеличению стоимости вагона.
Увеличение толщины листов будет способствовать применению сталей с более низким пределом прочности, что удешевит вагон, однако снизит его грузоподъемность.
Варианты изготовления настила пола в представленных пределах обеспечивают конкурентоспособность вагона в зависимости от требований заказчика (важна больше дешевизна или грузоподъемность вагона).
Снижение толщины листов до величин менее 5 мм приведет к удорожанию вагона до выхода его из конкурентоспособной борьбы, к тому же такие листы, обеспечивая жесткость рамной конструкции, не обеспечат ее прочность, получая необратимые деформации от точечных нагрузок колес погрузчика.
Увеличение толщины листов выше 8 мм приведет к критическому увеличению массы вагона и выходу его из конкурентоспособной борьбы.