ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ВАГОН-ХОППЕР С КУЗОВОМ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемая полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, к конструкции железнодорожных вагонов-хопперов.
Известна конструкция железнодорожного вагона-хоппера - патент US 4608931, состоящего из стеклопластикового кузова, выполненного методом филаментной намотки, боковые стенки которого образуют с крышей единый элемент, стеклопластиковые боковые стенки соединяются с боковыми брусьями из стали, которые тянутся вдоль каждой стороны вагона. Кузов вагона имеет расположенные сбоку верхние брусья, желательно стеклопластиковые, соединяемые с композитными стенками. Кузов вагона имеет поперечные ребра-шпангоуты из стеклопластиковых сэндвич-панелей. Ребра-шпангоуты расположены внутри вагона между бункерами в средней и верхней части поперечного сечения композитного кузова. Вагон делится на множество бункеров при помощи поперечного набора из сэндвич-панелей с бальзовым наполнителем и с внешними слоями из стекловолокна (поперечный набор играет роль противоперегрузочных перегородок). Наклонные обшивки бункеров и наклонные обшивки торцевой стенки также изготавливаются из вышеописанных сэндвич-панелей. На каждом торце вагона располагаются металлические брусья-подкосы и металлическая поперечная пластина для переноса сдвиговых нагрузок от сцепки. Вагон снабжен загрузочными и разгрузочными люками.
Общими существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения по обоим вариантам, являются следующие: железнодорожный вагон-хоппер с кузовом из композиционных материалов содержит металлическую раму, имеющую среднюю хребтовую и боковые балки, расположенные вдоль вагона, и закрепленный на ней сборный композитный кузов, включающий крышу, расположенные внизу разгрузочные бункера, боковые и торцевые стенки, имеющие вертикальные верхние части и наклоненные внутрь нижние части; боковые стенки и крыша снабжены поперечными ребрами-шпангоутами, расположенными внутри вагона между бункерами, в средней и верхней части поперечного сечения композитного кузова; разгрузочные бункера образованы композитными монолитными наклонными стенками; торцевые вертикальные и наклонные стенки кузова выполнены из композитных сэндвич-панелей; торцевые стенки соединены с рамой вагона упорными рамами и раскосами; вагон снабжен загрузочными и разгрузочными люками,
Известный вагон-хоппер имеет следующие недостатки -стеклопластиковый кузов, выполненный методом филаментной намотки имеет значительный вес по сравнению, например, с теми же композитными сэндвич-панелями его же торцов и перегородок; расположенные внутри вагона поперечные ребра-шпангоуты изготавливаются отдельно и затем вклеиваются, что существенно увеличивают цикл изготовления; имеются расположенные сбоку верхние и нижние продольные брусья, на торцевые части вагона действуют существенные нагрузки при динамическом перемещении сыпучего груза при ускорении-торможении вагона. И эти торцевые стенки в прототипе изготавливаются отдельно, а затем вклеиваются в корпус изготовленный методом намотки, что также увеличивает время изготовления кузова и снижает надежность.
Предлагаемой полезной моделью по обоим вариантам решается комплекс технических задач:
- снижение веса вагона-хоппера;
- повышения его полезного объема при одинаковых внешних габаритах;
- повышение жесткости кузова, а также снижения действующих на него нагрузок.
- уменьшение цикла изготовления кузова и его стоимость.
Для достижения перечисленных технических результатов по варианту один технического решения в железнодорожном вагоне-хоппере с кузовом из композиционных материалов, содержащем металлическую раму, имеющую среднюю хребтовую и боковые балки, расположенные вдоль вагона, и закрепленный на ней сборный композитный кузов, включающий крышу, расположенные внизу разгрузочные бункера, боковые и торцевые стенки, имеющие вертикальные верхние части и наклоненные внутрь нижние части; боковые стенки и крыша снабжены поперечными ребрами-шпангоутами, расположенными внутри вагона между бункерами, в средней и верхней части поперечного сечения композитного кузова; разгрузочные бункера образованы композитными монолитными наклонными стенками; торцевые вертикальные и наклонные стенки кузова выполнены из композитных сэндвич-панелей; торцевые стенки соединены с рамой вагона упорными рамами и раскосами; вагон снабжен загрузочными и разгрузочными люками, в отличие от прототипа, все части кузова вагона выполнены методом вакуумной инфузии, кузов снабжен продольным силовым элементом, расположенным в его нижней части, при этом кузов вагона выполнен ковшеобразной формы и состоит из трех соединяемых частей - крыши, средней части и раскрепленных на металлической раме разгрузочных бункеров; средняя часть состоит из выполненных заедино боковых и торцевых стенок, днища и продольного силового элемента, при этом соединительные стыки частей кузова расположены горизонтально соответственно в нижней и в верхней части кузова вагона; при том крыша и стенки выполнены из композитных сэндвич-панелей, а их стыки из монолитного композита; поперечные ребра-шпангоуты в центральной части кузова имеют замкнутый контур, проходя по всему поперечному сечению кузова, продольный силовой элемент композитного кузова выполнен в виде хребтовой балки, проходящей по всему низу вагона и заходящей на его наклонные торцевые стенки, в нижней части вагона хребтовая балка кузова расположена между разгрузочными бункерами, расположенными с двух сторон и в нижней части от нее; крепление композитного кузова к стальной раме вагона выполнено внизу по центру - по хребтовой балке, по боковым стенкам - с боковыми балками металлической рамы, а также по торцевым стенкам при помощи упорных рам и раскосов.
Для достижения перечисленных технических результатов по варианту два технического решения в железнодорожном вагоне-хоппере с кузовом из композиционных материалов, содержащем металлическую раму, имеющую среднюю хребтовую и боковые балки, расположенные вдоль вагона, и закрепленный на ней сборный композитный кузов, включающий крышу, расположенные внизу разгрузочные бункера, боковые и торцевые стенки, имеющие вертикальные верхние части и наклоненные внутрь нижние части; боковые стенки и крыша снабжены поперечными ребрами-шпангоутами, расположенными внутри вагона между бункерами, в средней и верхней части поперечного сечения композитного кузова; разгрузочные бункера образованы композитными монолитными наклонными стенками; торцевые вертикальные и наклонные стенки кузова выполнены из композитных сэндвич-панелей; торцевые стенки соединены с рамой вагона упорными рамами и раскосами; вагон снабжен загрузочными и разгрузочными люками, в отличие от прототипа, все части кузова вагона выполнены методом вакуумной инфузии, кузов снабжен продольным силовым элементом, расположенным в его нижней части; при этом кузов вагона выполнен ковшеобразной формы и состоит из двух соединяемых частей - крыши и средней части кузова, состоящей в свою очередь из выполненных заедино боковых, торцевых стенок, днища с разгрузочными бункерами и продольного силового элемента; соединительный стык частей кузова расположен горизонтально в верхней части кузова вагона, при том крыша и стенки выполнены из композитных сэндвич-панелей, а их стыки из монолитного композита; поперечные ребра-шпангоуты в центральной части кузова имеют замкнутый контур, проходя по всему поперечному сечению кузова, продольный силовой элемент композитного кузова выполнен в виде хребтовой балки, проходящей по всему низу вагона и заходящей на его наклонные торцевые стенки, в нижней части вагона хребтовая балка кузова расположена между разгрузочными бункерами, расположенными с двух сторон от нее; крепление композитного кузова к стальной раме вагона выполнено внизу по центру - по хребтовой балке, по боковым стенкам - с боковыми балками металлической рамы, а также по торцевым стенкам при помощи упорных рам и раскосов.
Отличительными признаками предложенного технического решения от известного - прототипа по варианту один являются следующие: все части кузова вагона выполнены методом вакуумной инфузии, кузов снабжен продольным силовым элементом, расположенным в его нижней части, при этом кузов вагона выполнен ковшеобразной формы и состоит из трех соединяемых частей - крыши, средней части и раскрепленных на металлической раме разгрузочных бункеров; средняя часть состоит из выполненных заедино боковых и торцевых стенок, днища и продольного силового элемента, при этом соединительные стыки частей кузова расположены горизонтально соответственно в нижней и в верхней части кузова вагона; при том крыша и стенки выполнены из композитных сэндвич-панелей, а их стыки из монолитного композита; поперечные ребра-шпангоуты в центральной части кузова они имеют замкнутый контур, проходя по всему поперечному сечению кузова, продольный силовой элемент композитного кузова выполнен в виде хребтовой балки, проходящей по всему низу вагона и заходящей на его наклонные торцевые стенки, в нижней части вагона хребтовая балка кузова расположена между разгрузочными бункерами, расположенными с двух сторон и в нижней части от нее; крепление композитного кузова к стальной раме вагона выполнено внизу по центру - по хребтовой балке, по боковым стенкам - с боковыми балками металлической рамы, а также по торцевым стенкам при помощи упорных рам и раскосов.
Отличительными признаками предложенного технического решения от известного - прототипа по варианту два являются следующие: все части кузова вагона выполнены методом вакуумной инфузии, кузов снабжен продольным силовым элементом, расположенным в его нижней части; при этом кузов вагона выполнен ковшеобразной формы и состоит из двух соединяемых частей - крыши и средней части кузова, состоящей в свою очередь из выполненных заедино боковых, торцевых стенок, днища с разгрузочными бункерами и продольного силового элемента; соединительный стык частей кузова расположен горизонтально в верхней части кузова вагона, при том крыша и стенки выполнены из композитных сэндвич-панелей, а их стыки из монолитного композита; поперечные ребра-шпангоуты в центральной части кузова имеют замкнутый контур, проходя по всему поперечному сечению кузова, продольный силовой элемент композитного кузова выполнен в виде хребтовой балки, проходящей по всему низу вагона и заходящей на его наклонные торцевые стенки, в нижней части вагона хребтовая балка кузова расположена между разгрузочными бункерами, расположенными с двух сторон от нее; крепление композитного кузова к стальной раме вагона выполнено внизу по центру - по хребтовой балке, по боковым стенкам - с боковыми балками металлической рамы, а также по торцевым стенкам при помощи упорных рам и раскосов.
Благодаря наличию данных существенных признаков по обоим вариантам технического решения достигаются следующие технические эффекты: композитный кузов, выполненный методом вакуумной инфузии с предложенной конструкцией силового набора является более легким и одновременно более жестким за счет выполнения средней части вагона и торцевых стенок за единый технологический цикл. Поперечные ребра-шпангоуты по сути, кроме повышения жесткости кузова за счет их замкнутости, выполняют роль противоперегрузочных перегородок прототипа (в котором данные перегородки в совокупности с высоким расположением их нижней части над днищем кузова существенно снижают полезный объем вагона) и способствуют перераспределению нагрузок возникающих при динамическом перемещении сыпучего груза внутри кузова вагона от торцевых стенок на продольные.
Предложенное конструктивное решение может быть использовано в железнодорожном транспорте в конструкциях вагонов-хопперов, предназначенных для транспортировки сыпучих грузов.
Предлагаемая конструкция поясняется рисунками фиг. 1-6.
На фиг. 1 изображен общий вид вагона-хоппера с кузовом из композитных материалов.
На фиг. 2 изображен продольно-поперечный разрез вагона-хоппера с кузовом из композитных материалов в варианте изготовления из трех частей.
На фиг. 3 изображено соединение крыши и средней части кузова.
На фиг. 4 изображено соединение разгрузочных бункеров со средней частью кузова и со стальной рамой вагона в варианте, когда кузов состоит из трех частей.
На фиг. 5 изображено соединение средней части кузова со стальной рамой вагона по хребтовой раме и боковым балкам в варианте, когда кузов состоит из трех частей.
На фиг. 6 изображен продольно-поперечный разрез вагона-хоппера с кузовом из композитных материалов в варианте изготовления из двух частей.
На фиг. 7 изображено соединение средней части кузова со стальной рамой вагона по хребтовой раме и боковым балкам в варианте, когда кузов состоит из двух частей.
Изображенный на фиг. 1-5 железнодорожный вагон-хоппер с кузовом из композиционных материалов содержит металлическую раму 1, имеющую среднюю хребтовую 2 и боковые балки 3, расположенные вдоль вагона, и закрепленный на ней сборный композитный кузов ковшеобразной формы, состоящий из трех соединяемых частей - днища 4 с разгрузочными бункерами 5 и продольным силовым элементом - хребтовой балкой 6, крыши 7 и выполненных заедино боковых 8 и торцевых стенок 9. соединительные стыки 14 (фиг. 3-5) частей кузова расположены горизонтально соответственно в нижней и в верхней части кузова вагона, при том крыша 7 и стенки 8, 9 выполнены из композитных сэндвич-панелей, а их стыки из монолитного композита; поперечные ребра-шпангоуты 10 композитного кузова расположены внутри вагона между бункерами 5, при этом в центральной части кузова они имеют замкнутый контур, проходя по всему поперечному сечению кузова, а в области наклона торцевых стенок 9 расположены только в средней и верхней части поперечного сечения композитного кузова. Хребтовая балка 6, проходит по всему низу вагона и заходит на его наклонные торцевые стенки 9. В нижней части вагона хребтовая балка 6 кузова расположена между разгрузочными бункерами 5, расположенными с двух сторон от нее. Крепление композитного кузова к стальной раме 1 вагона выполнено внизу по центру - по хребтовой балке 6, по боковым стенкам 8 - с боковыми балками 3 металлической рамы 1, а также по торцевым стенкам 9 при помощи упорных рам 11 и раскосов 12.
Крыша 7 и стенки 8 и 9 кузова вагона соединены по периметру высокоресурсным ШОГ (штифты с обжимной головкой) соединением 13 (фиг. 3). Для обеспечения восприятия сжимающих нагрузок при обжатии ШОГ соединения стыковочная зона 14 крыши выполнена монолитной, так же как и верхняя стыковочная зона стенок 8 и 9 средней части кузова.
На фиг. 4 показана нижняя часть средней части кузова. Днище 4, выполненное монолитным для восприятия ударных и локальных нагрузок от вышележащих слоев сыпучего груза, с эквидистантным зазором 15 входит в разгрузочные бункера 5. Сами разгрузочные бункера 5 изготовлены отдельно и присоединены ШОГ соединениями 13 к металлической раме 1 вагона через специальные кронштейны 16, закрепленные на боковых балках 3 рамы 1. По варианту один нижние разгрузочные бункера 5 выполнены объединяющими, т.е. левый и правый высыпной бункер 5 из КМ расположенные по бокам центральной металлической балки рамы вагона изготовлены заедино и позволяют заполнить перевозимым сыпучим грузом пространство под этой рамой.
На фиг. 5 показано соединение композитного кузова с металлической рамой 1. Днищевая часть 4 образует верхнюю часть разгрузочных бутткеров 5, расположена между боковыми балками 3 металлической рамы 1 и охватывает сверху центральную раму 2. В продольном направлении разгрузочные бункера 5 и днище 4 расположено между шпангоутами 10. Наличие отдельных разгрузочных бункеров 5 обусловлено технологией сборки кузова на раме 1 вагона и наличием полезного объема под центральной рамой 2 заполняемого перевозимым грузом. Средняя часть композитного кузова с присоединенной крышей 7 в процессе сборки опускается на металлическую раму 1 и закрепляется на ней, а затем к нижней части рамы 1 подгоняются и закрепляются бункера 5. По боковым наклонным частям стенок 8 закреплены ШОГ соединениями 13 продольные металлические переходные кронштейны 17. В свою очередь кронштейны 17 после опускания и выставки средней части композитного кузова привариваются к боковым балкам 3 металлической рамы 1. Центральная хребтовая композитная балка 6 соединяется со средней металлической балкой 2 ШОГ соединениями 13 и специальными кронштейнами 18 встроенными в балку 2 через технологические отверстия 19 в балке 6.
3
На фиг.6 показан вариант, когда кузов состоит из двух частей - крыши 7 и средней части, из выполненных заедино боковых 8 и торцевых стенок 9, днища 4 с разгрузочными бункерами 5 и продольным силовым элементом 6. Наличие по варианту один объединяющих высыпных бункеров 5 позволяет увеличить перевозимый объем сыпучих грузов в подбалочном пространстве 20 на величину около 1,2 м, что составляет менее 0,8% от общего объема вагона-хоппера, однако значительно усложняет процесс сборки композиционной части вагона с рамой 1. По варианту два - двухчастного кузова разгрузочные бункера 5 выполнены заедино с днищевой частью 4 кузова и не имеют объединяющей части под центральной хребтовой балкой 2. Это значительно упрощает процесс монтажа композитного кузова на металлическую раму 1, путем простой установки кузова на раму 1 сверху.
На фиг. 7 показано изготовление днищевой части 4 кузова в варианте, когда кузов состоит из двух частей - крыши 7 и средней части, выполненной заедино из днища 4 с разгрузочными бункерами 5 и продольным силовым элементом 6. Показано подбалочное пространство 20, исключенное из общего объема перевозимого груза по второму варианту.
Важным признаком вагона - хоппера по настоящему изобретению является его материал, в качестве которого используется один или несколько композиционных составляющих. При этом предпочтительно в качестве композиционного материала может быть применен стеклопластик с армирующим наполнителем, и основные его элементы изготовлены методом инфузии. Стеклопластик в данном случае - это стеклопластик марки «АпАТэК-СТИНК» ТУ2296-006-9366864-2008, с объемным содержанием армирующего наполнителя 50-55%. Армирование может быть реализовано подбором соответствующих наполнителей из продуктовой линейки стеклотканей, серийно выпускаемых компанией «Selcom S.r.l.», или других изготовителей. В качестве связующего можно использовать, например, полиэфирную смолу Aropol S604 INF-90 (150) или аналогичную по характеристикам.
Применение данных материалов для изготовления стеклопластика методом инфузии обеспечивает стеклопластику высокие прочностные характеристики, уровень которых не зависит существенно от режима термообработки и практически не снижается после термо-влажностного старения. При этом при изготовлении основных частей кузова вагона может быть использован вспомогательный заполнитель, например, Lantor Soric - полиэфирный нетканый материал, устойчивый к сжатию и совместимый со всеми стандартными типами смол (включая полиэфирную, винилэфирную, фенолоальдегидную и эпоксидную). Этот материал обладает высокой плоскостной и сквозной проницаемостью, что обеспечивает качественную пропитку силовых слоев. Использование данного материала позволяет значительно сократить количество используемого проводящего слоя. Применение данного материала в качестве вспомогательного заполнителя придает обшивке необходимую жесткость без существенного ее утяжеления. В качестве предпочтительной технологии изготовления кузова из композиционных материалов выбрана технология вакуумной инфузии. Для минимизации болтовых, клеевых и клееболтовых зон соединений формовка оболочки с силовым каркасом (т.е. с поперечными силовыми шпангоутами 10 и хребтовой балкой 6) производится за единый технологический цикл. Изготовление самонесущих частей (элементов) кузова, на примере изготовления крыши 7, производится следующим образом.
Сначала изготавливают формообразующие элементы для поперечных силовых шпангоутов 10 (и продольной балки 6 для нижней части кузова).
Формообразующие элементы поперечных силовых шпангоутов 10 и хребтовой балки 6 представляют собой тонкостенные элементы, заранее изготовленные методом вакуумной инфузии и имеющие толщину примерно 15-20% конструкционной толщины поперечного силового шпангоута 10 или балки 6. Т.е. каждый из указанных формообразующих элементов имеет толщину, составляющую заранее заданную часть от толщины изготавливаемой детали. Внутри формообразующего элемента может находится технологический пустотозаполнитель, например из вспененного полиуретана марки ГДТУ с плотностью 35-40 кг/м.
Одновременно с изготовлением перечисленных формообразующих элементов, либо независимо от их изготовления (к примеру, до или после их изготовления) изготавливают форму (матрицу) для последующего изготовления частей кузова методом инфузии, причем предусматривают в этой форме выступы для создания отбортовок и отверстий загрузочных и разгрузочных люков 5 и направляющие для установки и фиксации вышеуказанных формообразующих элементов поперечных силовых шпангоутов 10 и продольной хребтовой балки 6.
В готовую форму (матрицу) укладывают один или несколько слоев (определенных расчетами) одного или нескольких наполнителей для формирования обшивки. Затем укладывается заполнитель, например типа Lantor Soric который затем закрывается предварительно рассчитанными слоями внутренней обшивки. Кроме того, по направляющим матрицы устанавливают изготовленные заранее формообразующие элементы поперечных силовых шпангоутов 10, и - на днищевой части -формообразующие элементы хребтовой балки 6. В стыковочных зонах 14 вспомогательный заполнитель не укладывают.
Для придания жесткости формообразующим элементам 6 и 10 придают в поперечном сечении П-образную форму для образования внутренней полости. Для поперечных силовых шпангоутов 10 может быть реализована схема формовки с внутренним надувным мешком, что позволяет отказаться от использования пенопласта в качестве заполнителя внутренней полости и снизить общий вес конструкции.
На соответствующие места выкладывают слои наполнителя, которые формируют окончательную расчетную толщину обшивки поперечных силовых шпангоутов 10 и балки 6.
После этих операций в форму (матрицу) осуществляют инфузию связующего с последующей его полимеризацией при комнатной (цеховой) температуре и образованием композитного материала.
Перед извлечением готового элемента (части) кузова из матрицы по завершении процесса полимеризации на внутренние поверхности могут наносить специально подобранное покрытие, защищающее от абразивного износа. После извлечения частей кузова из формы по завершении процесса полимеризации могут производить механическую обработку соединительных зон 14 для удаления облоя (технологического припуска). Кроме того, после извлечения крыши 7 из формы после завершения процесса полимеризации наносят специальное износостойкое покрытие на поверхность пешеходной зоны рядом с люками.
На готовую крышу 7 устанавливают заранее изготовленные откидывающиеся крышки на отверстия загрузочных люков. По внешним краям пешеходных зон прикрепляют заранее изготовленные ограждения пешеходных зон (загрузочные люки и ограждения на фиг. не обозначены). На соответствующей торцевой стенке 9 устанавливают заранее изготовленное устройство для выравнивания давления.
При необходимости, на наружные поверхности частей кузова наносят огнестойкое и лакокрасочное покрытия.
Средняя часть кузова, содержащая боковые 8 и торцевые 9 стенки, а также днище 4 после обрезки облоя и подготовки внутренних и наружных поверхностей монтируется на металлическую раму 1 как описано выше, раскрепляются с нижней стороны рамы 1 высыпные бункера 5, затем на раму 1 навешиваются и регулируются механизмы разгрузки с люками. После этого может монтироваться крыша 7 кузова, и на одной из торцевых стенок 9 прикрепляют лестницу обслуживания.
Таким образом, предложенная конструкция кузова вагона-хоппера из композитных материалов имеет повышенную прочность, хорошие габаритно-массовые характеристики являясь в то же время достаточно технологичной в изготовлении.