CC BY
263
Инновационное решение — 120-футовая платформа сочлененного типа для перевозки трех 40-футовых крупнотоннажных контейнеров
Ю. П. БОРОНЕНКО, докт. техн. наук, профессор, академик РАТ, Т. М. БЕЛГОРОДЦЕВА, зав. НИЛ «Динамика вагонов», ПГУПС, С. Г. ВАСИЛЬЕВ, канд. техн. наук, зам. директора ОАО «НВЦ «Вагоны», Н. В. СМИРНОВ, научный сотрудник ОАО «НВЦ «Вагоны»
Повышение эффективности железных дорог при перевозке грузов во многом связано с увеличением количества перевозимых контейнеров в контейнерном поезде. Новая разработка ученых позволяет в поезде длиной 71 условный вагон увезти 78 сорокафутовых контейнеров.
В последнее время на пространстве 1520 мм возрос интерес к вагонам сочлененного типа, которые успешно эксплуатируются на железных дорогах колеи 1435 мм в Европе и Северной Америке [1, 2].
Первую попытку создания вагонов сочлененного типа для колеи 1520 мм предпринял ОАО «Днепровагонмаш». Но их проект сочлененной платформы (модель 13-4123) на скоростных тележках нового поколения, предназначенной для транспортировки крупнотон-
Таблица 1
нажных контейнеров типоразмеров 1А, 1АА, 1АХ, 1С, 1СС, 1СХ в различной их комбинации, не был доведен до конца. К настоящему моменту созданием вагонов сочлененного типа заняты ОАО «Азовмаш», ОАО «Татравагонка» совместно с ОАО «ВНИКТИ» и ОАО «НВЦ «Вагоны», ОАО «РКТМ». Причем первые две организации разработали проекты сочлененных платформ для перевозки как 40 и 45-футовых, так и 20-футовых крупнотоннажных контейнеров, которые в основном повторяют известные зарубежные конструкции. Инноваци-
№ Наименование параметра Значение
1 Грузоподъемность максимальная, т 86,5
2 Масса вагона (тара), т 39,2
3 Коэффициент тары, не более 0,46
4 Нагрузка (средняя по вагону): от оси колесной пары на рельсы, кН(тс) на один погонный метр пути, кН/м(тс/м) 204,7 (20,87) 32,37 (3,30)
5 Скорость конструктивная, (км/ч) 120
6 Габарит по ГОСТ 9238-83 1-Т
7 Полубаза вагона, мм 16548±10
8 Длина, мм:
по осям сцепления автосцепок 37996
по концевым балкам рамы 36776±20
9 Ширина максимальная, мм 2540±10
10 Высота от уровня верха головок рельсов максимальная, мм 1718±5
до уровня пола, мм 1275±5
11 Ширина колеи, мм 1520
12 Модель тележки Тип 2 по ГОСТ9246
13 Количество тележек 3
14 Тип автосцепки полужесткого типа СА-3
15 Тип устройства сочленения SAC-1
16 Наличие стояночного тормоза Есть
17 Перевозимые грузы 3 контейнера типоразмера 1А, 1АА, 1ААА
онным проектом является разработка ПГУПС и ОАО «НВЦ «Вагоны» — 120-футовая платформа для перевозки трех 40-футовых контейнеров 13-470-01, в котором один из контейнеров перевозится над узлом сочленения. Возвращаясь в историю воплощения идеи такого рода подвижного состава, немаловажно отметить, что инициатором данной проекта стал ОАО «Трансконтейнер», платформы модели 13-470 которого неэффективны для перевозки 40-футовых контейнеров. Перед ОАО «НВЦ «Вагоны» была поставлена технически очень интересная задача — повышение эффективности платформ модели 13470 для перевозки контейнеров типоразмера 1А, 1АА, 1ААА до уровня 80-футовых длиннобазных платформ. Единственным выходом из данной ситуации стало решение о переоборудовании платформ модели 13-470 в платформу сочлененного типа при условии возможности перевозки одного из трех контейнеров над устройством сочленения.
Так что же такое сочлененная платформа? Ответ настолько же прост в словесном описании, наколько сложен в техническом воплощении. Сочлененная платформа — это вагон, имеющий две рамы, соединенные между собой, взамен ударно тяговых приборов, устройством сочленения, и опирающийся на три тележки, две из которых расположены на крайних штатных пятниковых местах, а третья в центре вагона, под устройством сочленения. Технические характеристики порожней платформы представлены в табл. 1.
Важнейшим узлом этого вагона является устройство сочленения. Сегодня в России такие устройства не только не применяются, но и ни одно предприятие в нашей стране не выпускает данную продукцию. На рынке производ-
Углы поворота относительно осей:
Продольной ±13°
Поперечной ±22°
Вертикальной ±11°
Рис. 1. Устройство сочленения SAC-1 компании WABTEC
Рис. 2. Конструктивные решения, принятые при модернизации рамы
Рис. 3. Положение среднего контейнера в кривой и устройство турникетных опор
ства устройств сочленения вагонов в Америке доминируют две фирмы: компания ASF и компания WABTEC. В Европе применяется узел сочленения с одним шарниром и двумя поводками, напоминающий соединение кардана. Проведя экономико-технический анализ продукции данных фирм, конструкторы ОАО «НВЦ «Вагоны» посчитали, что устройство сочленения SAC-1 компании WABTEC наиболее предпочтительно для адаптации его применительно к российским вагонам в условиях эксплуатации на пространстве 1520 мм. Устройство сочленения представлено на рис. 1.
Работа над проблемой переоборудования двух 60-футовых платформ в сочлененную 120-футовую состояла из трех основных этапов:
• Доработка рам базовых платформ и введение в конструкцию дополнительных элементов, связанных с введением в ее состав устройств для перевозки контейнера над средней тележкой;
• Соединение рам платформ устройством сочленения и конструктивные решения по передаче нагрузок от рам платформы на среднюю тележку;
• Решение такой стандартной на первый взгляд проблемы, как оборудование платформы, имеющей две рамы и три тележки, автоматическим и стояночным тормозом.
На этапе предварительных исследований выяснилось, что главная проблема в создании сочлененных платформ — перегрузка средней тележки. При перевозке трех 40-футовых контейнеров, загруженных до полной грузоподъемности, нагрузка на ось средней тележки превышает 23,5 тонны. Перенос нагрузки на крайние тележки может быть достигнут посредством двух технических решений: удлинение крайних консолей путем переноса крайних шкворневых балок или же удлинение консолей рам платформ, обращенных к узлу сочленения. Кроме этого, на этапе предварительных расчетов выяснилось, что при переходе на силовую схему в три контейнера прогиб рам сочлененной платформы значительно превышает общепринятую лимитирующую величину и для его уменьшения в дальнейшем потребовалась частичная обрезка консолей рам, обращенных к узлу сочленения совместно с усилением боковых балок. Выводом предварительных исследований стало заключение о возможности переоборудования 18-метровых платформ в вагон сочлененного типа при массе брутто среднего контейнера, не превышающей 25,5 т. Проанализировав
свои статистические данные, ОАО «Трансконтейнер» констатировало, что за последние пять лет среднестатистическая масса перевозимого им груженного 40-футового контейнера не пре-
вышала 23 т, и приняло решение о продолжении данного инновационного проекта. Конструктивные решения, принятые при модернизации рамы, показаны на рис. 2.
Рис. 4. Устройство сочленения и элементы передачи нагрузок на тележку
Рис. 5. Установка сепараторов скользунов и упругих скользунов на тележку модели 18-100
В процессе разработки было проведено множество уникальных исследований, связанных с особенностью работы конструкции вагона в эксплуатации, таких как вписывание платформы с установленными тремя контейнера-
ми как в габарит подвижного состава, так и в габарит погрузки, ввиду того что контейнер, установленный над узлом сочленения, выносит в поперечной плоскости при проходе кривого участка пути; устойчивость вагона в прямо-
линейном участке пути, сцепляемость вагона при прохождении кривых участков пути, прочность и кинематика работы турникетных опор при перевозке контейнера над устройством сочленения, проход вагоном в груженом состоянии сортировочных горок, работа комплекса передачи нагрузок на среднюю тележку и многие другие.
Основным элементом конструкции сочлененной платформы являются несущие рамы базовых вагонов, доработанных в части установки фитинговых упоров для крайних контейнеров, усиления боковых балок, установкой новой усиленной торцевой балки, обращенной к устройству сочленения, а также в части установки поворотных турникетных опор на каждой из рам. Причем одна из турникетных опор, состоящая из толстостенного проката, шарнирно вращающаяся относительно хребтовой балки посредством устройств типа пятник-подпятник и опирающаяся на боковые балки рамы при помощи беззазорных неупругих сколь-зунов, оснащена фитинговыми упорами традиционной конструкции. Вторая же турникетная опора в отличии от первой оснащена взамен традиционных фитинговых упоров ограничителями от продольных и поперечных перемещений 40-футового контейнера, установленного между рамами вагона над устройством сочленения (рис. 3). Это связано с тем, что при прохождении кривых участков пути происходит перемещение контейнера в поперечном и продольном направлении относительно турникетных опор. Для предотвращения увеличения нагрузок на упорки фитингов в кривых малого радиуса, на одну из турникетных опор контейнер устанавливается свободно, его перемещения ограничивают только ограничители перемещений контейнера в нештатных ситуациях.
В связи с введением в конструкцию сочлененного вагона поворотных тур-никетных опор среднего контейнера, в отраслевых научных организациях возникли споры о методике расчета габарита для такой схемы перевозок. Рассчитывать ли габарит для вагона в соответствии с инструкцией по применению габаритов подвижного состава или же рассчитывать габарит как для груза, расположенного над сцепом двух платформ, в соответствии с техническими условиями погрузки и крепления грузов в вагонах и контейнерах? Споры закончились после того, как была доказана вписываемость как в габарит погрузки, так и в габарит подвижного состава.
Рис. 7. 120-футовая платформа сочлененного типа для перевозки трех 40-футовых крупнотоннажных контейнеров
На втором этапе разработки конструкции сочлененной платформы разрабатывались соединение рам платформ устройством сочленения и конструктивные решения по передаче нагрузок от рам платформы на среднюю тележку. Устройство сочленения ЭЛС-1 позволяет смежным рамам поворачиваться относительно друг друга в горизонтальной плоскости — ±22°, в вертикальной плоскости — ±11°, вдоль продольной оси вагона — ±13°, чего вполне достаточно как для прохождения кривых радиусом более 80 м, так и горбов сортировочных горок. Заявленные американскими специалистами прочностные и геометрические характеристики были подтверждены в процессе предварительных испытаний опытного образца сочлененного вагона.
Особую сложность при разработке конструкции вызвала схема опирания смежных рам платформы на скользуна надрессорной балки средней тележки, ввиду того что при вписывании в кривые малого радиуса, в Э-образные кривые, а также при переходе из прямого участка пути, необходимо учитывать кинематику процесса таким образом, чтобы исключить ударное соприкосновение каких-либо элементов конструкции между собой (рис. 4). Нагрузка от смежных рам платформы при помощи силовых кронштейнов передается на беззазорные упругие скользуны, которые, в свою очередь, через опору, установленную взамен колпака передают на скользуны надрессорной балки (рис. 5). При этом удалось исключить касание опор упругих скользунов с внутренни-
Таблица 2
ми торцевыми балками рам, а также касание кронштейнов передачи нагрузки на упругие скользуны при прохождении криволинейных участков пути радиусом более 77 м.
Последним этапом реализации конструкции сочлененного вагона явилось оборудование вагона автоматическим и стояночным тормозом (рис. 6). Ввиду того что нагрузка на ось в средней и в крайних тележках различаются на 20%, решение данной задачи было нетривиальным. В конструкции вагона применена схема раздельного торможения с контролированием загрузки каждой из тележек и, соответственно, с применением различной силы нажатия на тормозные колодки средней и крайних тележек. Стояночный тормоз имеют только крайние тележки, но даже при отсутствии у средней тележки стояночного тормоза эффективность удержания вагона на нормативном уклоне обеспечивается сполна.
Опытный образец платформы сочлененного типа был подвергнут предварительным стационарным и ходовым испытаниям, таким как проверка соответствия строительного очертания габарита; определение статической нагрузки от колеса на рельс; проверка на статическую прочность; на соударения и по сбросу с клиньев; проверка тормоза на вагоне; проверка прохождения кривых; ходовые прочностные и ходовые динамические испытания (см. табл. 2). Наиболее интересные результаты и выводы, связанные с испытаниями, изложены в статьях [3, 4]. При прохождении одиночным вагоном кру-
Режим Коэффициент вертикальной Коэффициент вертикальной Горизонтальное ускоре- Вертикальное ускорение Рамная сила в долях статической осевой нагрузки Коэффициент устойчивости колеса от схода с рельсов Коэффициент поперечной устойчивости вагона от бокового опрокидывания
рамы кузова динамики необресс. частей рамы кузова, ё рамы кузова, & средней тележ ки крайней тележ ки средней тележ ки крайней тележ ки
Порожний 0,56 0,7 0,54 0,70 0,23 1,9 2,0 2,79 1,82
Порожний с контейнерами 0,50 0,76 0,50 0,56 0,24 1,8 1,8 1,98 1,96
Груженый 0,30 0,39 0,44 0,60 0,17 2,2 2,3 3,46 3,04
говой кривой радиусом 80 м имелись необходимые зазоры между элементами вагона, вагона и груза, а при прохождении вагоном в сцепе сопряжения прямого участка с круговой кривой радиусом 110 м, а также Э-образной кривой радиусом 160 м, имелись необходимые зазоры между элементами вагона, вагона и груза.
Несмотря на некоторые недостатки, связанные с усложнением выкатки средней тележки для ремонта, сочлененный вагон для перевозки трех 40-футовых контейнеров сопоставим по экономическим показателям с 80-футовой длиннобазной платформой, а с учетом невысокой стоимости модернизации оказался поистине инновационным вагоном, у которого до сих пор еще нет аналога в мире. Оригинальность конструкции защищена патентом [5]. Положительные результаты испытаний и расчетов говорят о принципиальной возможности создания вагонов сочлененного типа для перевозки различного рода легковесных грузов.
Литература:
1. Бороненко Ю. П. Выбор конструктивных решений сочлененных грузовых вагонов для колеи 1520 мм // Тез. VI межд. научно-техн. конф. «Подвижной состав 21 века (идеи, требования, проекты)». — СПб: ПГУПС, 2009. — С. 22.
2. Васильев С. Г. Создание сочлененного вагона для перевозки трех 40-футовых контейнеров / Атаманчук Н. А., Кукушина Н. А., Васильев С. Г., Цыганская Л. В. // Тез. VI межд. научно-техн. конф. «Подвижной состав 21 века (идеи, требования, проекты)». — СПб: ПГУПС, 2009. — С. 3-5.
3. Орлова А. М. Расчет устойчивости сочлененных вагонов от выжимания и опрокидывания / Орлова А. М., Козлов П. В. // Тез. VI межд. научно-техн. конф. «Подвижной состав 21 века (идеи, требования, проекты)». — СПб: ПГУПС, 2009. — С. 130-131.
4. Рудакова Е. А. Результаты ходовых испытаний сочлененного вагона-платформы модели 13-470-01 / Рудакова Е. А., Артамонов Е. И., Козлов П. В. // Тез. VI межд. научно-техн. конф. «Подвижной состав 21 века (идеи, требования, проекты)». — СПб: ПГУПС, 2009. — С. 161-162.
5. Бороненко Ю. П., Васильев С. Г., Смирнов Н. В. Вагон-платформа сочлененного типа для перевозки крупнотоннажных контейнеров. Патент № 82 174 от 09.02.2009.
