Конструирование и расчет вагонов

 

Грузоподъемность  вагона Р, или полезная нагрузка является основным параметром вагона, определяющим максимальную массу груза.

Одним из главных факторов, влияющих на грузоподъемность вагона, является допускаемая осевая нагрузка р_о. Возможная осевая нагрузка определяется на основе прочности пути, которая, в свою очередь, зависит от грузонапряженности железных дорог.

Исходя из мощности пути и экономичности  его содержания, а также прочности  подвижного состава в настоящее  время для основных типов грузовых вагонов допускаемая осевая нагрузка составляет 22,8 тс.

Проводимая реконструкция пути, заключающаяся в установке более  тяжелых типов рельсов (Р 65 и Р 75) с объемной закалкой, позволяет в перспективе увеличить вагонные осевые нагрузки до 25 тс и более.

С числом осей связана грузоподъемность вагона — наибольшая масса груза, которая может быть перевезена, исходя из прочности конструкции вагона. Достоинства вагонов большой  грузоподъемности таковы:

• меньшее удельное сопротивление движению, за счет чего сокращается расход электроэнергии и топлива, потребляемых локомотивами;
• большая погонная нагрузка, т. е. масса поезда возрастает при неизменной длине станционных путей;
• снижение металлоемкости конструкции на единицу грузоподъемности на 10... 15 %;
• сокращение расходов на ремонт и содержание вагонов на 10... 20%;
• снижение затрат на маневровую работу, взвешивание вагонов и оформление перевозочной документации.

Сумма грузоподъемности вагона (масса нетто) и его тары составляет массу вагона брутто. Уменьшение тары вагонов, представляющее собой одну из основных задач вагоностроения, обеспечивает увеличение грузоподъемности грузовых вагонов и, следовательно, повышение провозной способности железных дорог, экономию металла, необходимого для постройки вагонов, электроэнергии и топлива, расходуемых локомотивами при перевозке, а также снижение себестоимости перевозок. 
Наиболее важным показателем, характеризующим технико-экономическую эффективность вагона, является коэффициент тары

                                                     Кт = Т/Р ,                                                  (1.1)

где Т — тара вагона; Р — его грузоподъемность. 
Этот коэффициент показывает, какая часть массы вагона приходится на каждую тонну его грузоподъемности. Чем меньше коэффициент тары, тем экономичнее вагон.

При проектировании вагонов устанавливают  исходя из заданного габарита подвижного состава объем кузова, а для  платформ — площадь пола и затем  по этим данным находят внутренние размеры вагонов. 
При выборе длины вагона учитывают вынос его кузова в кривых участках пути и условия размещения в вагонах грузов и контейнеров.

1.2 Вписывание вагона в габарит.

 

Одним из главных условий безопасности движения вагонов является предупреждение возможности их соприкосновения  со стационарными сооружениями, расположенными вблизи железнодорожного пути, или  с другим подвижным составом, находящимся  на соседнем пути, поэтому стационарные сооружения должны располагаться на определенном расстоянии от железнодорожного пути, а подвижной состав иметь  ограниченное поперечное очертание.

Таким образом, получаются два контура: контур, ограничивающий наименьшие допускаемые  размеры приближения строений и  путевых устройств к оси пути, – габарит приближения строений; контур, ограничивающий наибольшие допускаемые  размеры поперечного сечения  подвижного состава, – габарит подвижного состава. Второй контур располагается  внутри первого и между ними имеется  пространство. Пространство между габаритами приближения строений и подвижного состава обеспечивает безопасные смещения вагонов, возникающие при движении поездов и обусловленные возможными отклонениями в состоянии пути и  динамическими колебаниями вагона.

Максимальные допускаемые горизонтальные строительные размеры вагона получают путем умножения размеров габарита подвижного состава на величину смещений, обусловленных зазорами, износами ходовых  частей и прогибом рессорного подвешивания каждого типа вагона, а также выносом частей вагона при движении по кривым.

Рисунок 1.5 – Вертикальная габаритная рамка 1-Т

     При движении вагона по кривому участку пути его ось пересекается с осью пути в двух точках сечения вагона, которые называют пятниковыми, или направляющими. При этом средняя часть вагона, расположенная между направляющими сечениями, смещается внутрь кривого участка, а консольные части – наружу.

Наш вагон  соответствует габариту 1-Т по ГОСТ 9238.(рис 1.5)

    Допускаемая ширина вагона на некоторой высоте Н над уровнем верха головок рельсов определяется по формуле:

 

2В = 2(В_о – Е),                                                                           (1.2)

 

где В_о – половина ширины габарита подвижного состава, в который производится вписывание вагона, на некоторой высоте Н, В_о=3400 мм;

Е – одно из ограничений полуширины вагона за счет максимально возможных  смещений.

Для направляющих поперечных сечений (по шкворням тележки) ограничение рассчитывается по формуле:

 

Е_о = 0,5(S_к – d_г) + q + ω +(к₁-к₃)-к.                                           (1.3)

 

Ограничение полуширины для внутренних сечений, расположенных между пятниковыми, или направляющими:

 

E_в = 0,5(S_к – d_г) + q + ω + [к₂(2l-n)n + к₁ – к₃] – к + α.            (1.4)

 

Для поперечных сечений, расположенных  снаружи пятниковых, т.е. на консолях вагона, ограничение вагона определяется по формуле:

 

Е_н=(0,5(S_к – d_г) + q + ω)(2l+2n)/2l+ [к₂(2l+n)n-к₁-к₃]-к+β.   (1.5)

 

В формулах (1.3) – (1.5):

0,5(S_к – d_г) – максимальный разбег предельно изношенной колесной пары в рельсовой колее (смещение из центрального положения в одну сторону); S_к – максимальная ширина колеи в кривых расчетного радиуса, при ширине колеи в прямых участках S_к = 1520_-4⁺⁸ мм, в расчетных кривых дается дополнительное ее уширение на 15 мм, т.е. S_к = 1541 мм;

d_г – минимальное расстояние между наружными гранями предельно изношенных гребней колесной пары, d_г = 1489 мм для колесных пар грузовых вагонов, обращающихся со скоростью до 33 м/с;

q – наибольшее горизонтальное смещение буксового узла из центрального положения в одну сторону,3 мм;

ω – наибольшее горизонтальное смещение надрессорной балки тележки из центрального положения в одну сторону, 32мм;

q + ω = 35 мм – суммарное отклонение кузова четырехосного вагона на роликовых подшипниках за счет смещения буксового узла и надрессорной балки тележки;

к₁ = 0.625 =0,625=2,14;

к₂ =  =2,5 мм – переводной коэффициент, зависящий от расчетного радиуса кривой;

к₃ =  = 180 мм – льготное уширение габарита приближения строений в кривой R = 200 м;

к = 0 – допускаемый выход частей вагонов, проектируемых по габаритам 0-ВМ, 02-ВМ, 03-ВМ и нижней части габарита 1-ВМ;

α, β – дополнительные ограничения  для вагонов длиной более 29,6 м (для обычных вагонов α = β =0);

2l – база вагона, м;

n – расстояние от рассматриваемого сечения вагона до ближайшего шкворня тележки, м.

При расчете ограничения Е_в находят максимальное смещение. Которое будет посередине базы вагона, то есть следует вместо n подставлять 2l / 2.

Введением в формулу (1.5) множителя учитывается наиболее неблагоприятное для консольных частей расположение вагона в кривой, когда колеса одной тележки прижаты гребнями к наружному рельсу, а колеса другой тележки – к внутреннему рельсу, т.е. рассматривается положение наибольшего перекоса.

Для кривого участка пути:

S_к=1541 мм,

Е_о = 0,5(1541– 1489)+3 + 32+(2,14-180)=61+[-177,86] мм;

E_в = 0,5(1541– 1489) +3+ 32+ [2,5(17-8,5)8,5 – 2,14-180] =61+[-1,515] мм;

Е_н=(0,5(1541–1489+3+32)(17+2×3,232)/17+[2,5(17-8,5)8,5-2,14-180]=84,18+[-1,515] мм.

При расчетах ограничений Е_о, Е_в, Е_н  для габаритов Т, Т_пр, 1-Т, Т_ц и 1-ВМ (в верхней зоне) суммы в квадратных скобках оказались отрицательными, что свидетельствует о недоиспользовании льготного уширения габарита приближения строения в кривых. Поэтому при первом расчете отрицательные значения не учитываются, но записываются в скобках, а затем производится процесс вписывания в прямой участок пути, т.е. определяются ограничения Е_о, Е_в, Е_н при ширине колеи 1520⁺⁸ мм по формулам:

Е_о =Е_в = 0,5(S_к – d_г) + q + ω,                                                        (1.6)

Е_о =Е_в =0,5(1526-1489)+3+32=54 мм.

Е_н=(0,5(S_к – d_г) + q + ω) ,                                                  (1.7)

Е_н=(0,5(1526-1489)+3+32)(17 +2×3,232)/17=85 мм.

 

 

Таким образом ,окончательные ограничения полуширины кузова составят:

=54 мм               ;=54 мм;                  =85 мм;

 

 

Получив значения Е для прямых участков пути и подставив их в формулу (1.2), получаем:

-в основном и внутреннем сечениях:

2В_с⁵=2В_с⁴=2(1700-54)=3292 мм;

2В_с³=2(1600-54)=3092 мм;

2В_с²=2(1400-54)=2692 мм;

2В_с¹=2(700-54)=1292 мм;

-в наружном сечении:

2В_с⁵=2В_с⁴=2(1700-85)=3230 мм;

2В_с³=2(1600-85)=3030 мм;

2В_с²=2(1400-85)=2630 мм;

2В_с¹=2(700-85)=1230 мм;

 

Определим вертикальные размеры строительного  очертания кузова

вагона.

Вертикальные размеры  строительного очертания кузова вагона поверху равны соответствующим  размерам контура габарита подвижного состава,т.е.

Н_с⁴=4000 мм;Н_с³=4250 мм;Н_с²=4500 мм;Н_с¹=5300 мм.

Наименьшую допускаемую  высоту нижней точки 5 контура габарита 1-Т вычисли по формуле

                           h_c=h₀+δ,                                                      (1.8)

где h₀-вертикальные размеры в нижней части;

δ-величина суммарного понижения  вагона вследствие износов 

       ходовых частей  и прогибов рессор.

 

h_c⁵=330+115=446 мм.

Ширину  проектного очертания кузова определяем по формуле:

2В_п=2В_с-2Е_т,                                           (1.9)

-в основном и внутреннем сечении:

2В_п⁵=3292-2·13=3266 мм;

2В_п⁴=3292-2·23=3246 мм;

2В_п³=3092-2·23=3046 мм;

2В_п²=2692-2·23=2646 мм;

2В_п¹=1292-2·23=1246 мм;

 

-в наружном сечении:

2В_п⁵=3230-2·13=3204 мм;

2В_п⁴=3230-2·23=3184 мм;

2В_п³=3030-2·23=2984 мм;

2Вп2=2630-2·23=2584 мм;

2В_п¹=1230-2·23=1184 мм;

Вертикальные размеры проектного очертания определим по формуле:

Н_п=Н₀-δ_т;

понизу

h_п=h_c+δ_т;

 

Н_п⁴=4000-30=3970 мм;

Н_п³=4250-30=4220 мм;

Н_п²=4500-30=4470 мм;

Н_п¹=5300-30=5270 мм;

Наименьшую допускаемую  высоту нижней точки 5 контура габарита:

h_c⁵=446+10=456 мм.

По полученным значениям строим горизонтальную и вертикальную габаритную рамку проектного очертания:

 

Таким образом, наш вагон вписывается в габарит 1-Т

 

 

 

2 Колесные пары.

 

Колёсная пара (рис. 2.1) состоит из оси 1 и двух укрепленных на ней  колёс 2. Типы, основные размеры и технические условия на изготовление вагонных колёсных пар определены Государственными стандартами, а содержание и ремонт «Правилами технической эксплуатации железных дорог» (ПТЭ) и «Инструкция по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар ЦВ/3429», а также другими нормативными документами при проектировании, изготовлении и содержании. Конструкция и техническое состояние колёсных пар оказывают влияние на плавность хода, величину сил, возникающих при взаимодействии вагона и пути, и сопротивление движению.

Тип колёсной пары определяется типом оси и  диаметром колес (табл. 1).Согласно ГОСТ 4835-2006 устанавливают пять типов колесных пар с осями типов РУ1Ш и РВ2Ш и колесами диаметром по кругу катания 957 мм в зависимости от типа вагона и максимальной расчетной статической нагрузки от колесной пары на рельсы (таблица 2.1).

Таблица 2.1 Типы колесных пар вагонов

1	2	3	4
Тип колесной пары	Тип вагона	Конструкционная скорость вагона, км/час	Мксимальная расчетная статистическая нагрузка от колесной пары на рельсы, кН (тс)
1	2	3	4
РУ1Ш-957-Г	Грузовой	120	230,5 (23,5)
РУ1Ш-957-П	Пассажирский	160	176,6 (18,0)
РУ1Ш-957-Э	Немоторный электропоезда	130	186,4 (19,0)
РУ1Ш-957-Д	Немоторный дизель-поезда
РВ2Ш-957-Г	Грузовой	1200	245,2 (25,0)