CC BY
18
УДК 629.44
Гуржи Н.Л., инженер-конструктор («ГСКБВ»)
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ШАРНИРНО-СОЕДИНЕННОГО ВАГОНА-ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ КРУПНОТОННАЖНЫХ КОНТЕЙНЕРОВ
В настоящее время до 80 % международных перевозок укрупненных грузовых единиц осуществляется с использованием контейнеров. Кроме того, контейнерные перевозки имеют стабильную тенденцию роста (около 3% в год). До последнего времени перевозки контейнеров по железным дорогам стран СНГ осуществлялись как специализированным подвижным составом, так и в полувагонах, и на универсальных платформах, предназначенных для перевозки не только контейнеров, но и колесной
техники, а также штучных грузов. С увеличением объема контейнерных перевозок возникла необходимость в пополнении вагонного парка именно специализированными платформами-контейнеровозами, т.к. их конструкция оптимально приспособлена для данного вида продукции [1]. Альтернативой создания длинномерных 4-хосных платформ является выпуск сочлененных вагонов-платформ, освоенный мировыми лидерами вагоностроения. В Северной Америке и Западной Европе успешно эксплуатируются сочлененные вагоны-платформы, состоящие из двух, трех и более секций. При использовании 6-осных платформ достигается существенное повышение грузоподъемности, что обеспечивает возможность одновременной транспортировки четырех и более 20-футовых контейнеров при их максимальной загрузке. Распределение нагрузок на шесть осей позволит уменьшить длину пролетов несущих балок и одновременно повысить как надежность, так и грузоподъемность конструкции.
К рассмотрению предлагается одна из последних разработок ООО «Азовмаш» - двухсекционная шарнирно-соединенная вагон-платформа для крупнотоннажных контейнеров модель 13-1839. Вагон представляет собой конструкцию из двух рам с фитинговыми упорами для фиксации контейнеров, установленные на три двухосные тележки. Между собой эти рамы соединены специальным узлом сочленения SAC-1 компании CardweП Westinghouse (США), через который опираются на среднюю тележку. Конструкция узла сочленения позволяет вагону беспрепятственно проходить горки и кривые [2].
При разработке конструкции шарнирно-соединенной платформы были учтены следующие принципы:
- линейные размеры платформы выбраны из расчета беспрепятственного прохождения вагоном кривых малого радиуса в сцепе с эталонным и аналогичным вагоном, а также соблюдения условия автоматической сцепляемости в кривых участках пути;
- равномерная нагрузка на все тележки достигается путем смещения фитинговых упоров в стороны крайних тележек. При таком расположении груза на платформе разница нагрузок на среднюю и крайние тележки не превышает 10%;
- параметры профиля боковых балок выбирались исходя из максимальных изгибающих моментов, возникающих от веса груза. Расположение боковых балок по вертикали было выбрано исходя из максимального понижения центра тяжести груза, но в тоже время с соблюдением требований «Инструкции по применению габаритов
подвижного состава» [3]. Вагон-платформа модель 13-1839 была вписана в габарит 1-ВМ, что позволяет ей выходить на железные дороги СНГ, Балтии и Монголии, а также по отдельным магистральным линиям других стран участниц ОСЖД, используемых для международных сообщений.
С целью выбора наиболее неблагоприятных схем загрузки для прочностного анализа были рассмотрены возможные схемы загрузки вагона-платформы контейнерами. Размещение контейнеров различных типоразмеров и величины изгибающих моментов приведены на рисунках 1-3. Так как размещение контейнеров и конструктивная схема полурам платформы зеркальны, эпюра изгибающих моментов построена для одной полурамы. Дальнейший расчет также проведен для одной полурамы вагона-платформы.
Рисунок 1 - Загрузка платформы 20-футовыми контейнерами до полной
грузоподъемности
Рисунок 2- Загрузка платформы 30-футовыми контейнерами
Наибольший изгибающий момент в средней части получен для схемы представленной на рисунке 1. Для консольной части для схемы представленной на рисунке 3. Дальнейший расчет приведем для случая загрузки платформы 20-футовыми контейнерами до полной грузоподъемности.
В соответствии с требованиями «Норм ...» [4] расчет производится для I и III эксплуатационных режимов, а также случая роспуска с горок. При этом на элементы конструкции полурамы вагона-платформы действуют следующие нагрузки:
- нагрузка от массы груза P^;
- вертикальная добавка динамической нагрузки Рдин;
- нагрузка от элементов конструкции Ркон (гравитация);
- продольная сила:
для I режима сжатие Рсж I= 2,5 МН, растяжение Ppac I= 2,0 МН;
для III режима сжатие и растяжение Рсж ш = Ррас ш = 1,0 МН;
- силы инерции при роспуске с сортировочных горок:
удар Руд i= 3,5 МН;
- силы при нецентральном взаимодействии автосцепок Рав;
- боковые силы Рбок.
40-футовый контейнер
EDOH 1ШИИ1МШИЯН-. С rwjXttafr- ^ ^ ^ 5ХХХХХХХВ i^J-IJvi^U-
Рисунок 3- Загрузка платформы 40-футовыми контейнерами
Оценка напряженно-деформированного состояния полурамы платформы производилась методом конечных элементов (МКЭ) с использованием программно-вычислительного комплекса ANSYS/v.10.0. Расчетная схема представляет собой пространственную пластинчатую модель. В качестве конечного элемента выбран пластинчатый элемент типа SHELL 43. Используемые конечные элементы имеют линейные функции формы и шесть степеней свободы в каждом узле, перемещения вдоль осей х, у, z и повороты вокруг этих осей. При наложении одного элемента конструкции на другой учитывался один элемент с их суммарной толщиной. Конечно-элементная модель рамы вагона приведена на рисунке 4. В качестве глобальной системы координат при составлении расчетной схемы была выбрана правая, декартова система с центром на продольной оси вагона в плоскости нейтральной оси лобовой балки. Ось «X» системы координат направлена вдоль продольной оси вагона, ось «Y» -вертикально
вверх. В конструкции узла сочленения предусмотрен клин, который, опускаясь под собственным весом, исключает зазоры в продольном направлении между деталями. Таким образом, при передаче продольных усилий узел сочленения работает как жесткий стержень.
Рисунок 4 - Общий вид расчетной схемы полурамы вагона-платформы
Нагружение собственным весом производилось путем задания плотности материала модели, с последующим приложением к расчетной схеме ускорения 9,81 м/с в каждом узле вдоль вертикальной оси "У".
Эквивалентные напряжения определяются в соответствии с четвертой теорией прочности (по Мизесу) по формуле
2 '((ст1 -СТ2 )2 + (а2 -03 )2 + (а3 -01 )2 ) ,
Главные напряжения (о1, о2, а3) получены из компонентов тензора напряжений решением кубического уравнения:
^х -00
а.
0ух ^^ -00
а
а„
а
уг
гх
0 гу 0 г -а
= 0;
где о0 -главные напряжения, величины главных напряжений (01,02, о3) принимаются таким образом, чтобы выполнялось условие (о1>о2>о3).
Напряженно-деформированное состояние полурамы вагона-платформы для эксплуатационных режимов приведено на рисунках 5-9.
.579228 63.313 126.046 188.779 251.513
31.946 94.679 157.413 220.146 282.88
Рисунок 5- Первый режим растяжение (вес груза два 20-футовых
контейнера)
0 64.444 128.889 193.333 257.778
32.222 96.667 161.111 225.556 290
Рисунок 6 - Первый режим сжатие (вес груза два 20-футовых контейнера)
.221755 67.806 135.391 202.975 270.559
34.014 101.598 169.183 236.767 304.352
Рисунок 7- Первый режим удар (вес груза два 20-футовых контейнера)
.23350 43.857 87.481 131.104 174.728
5 22.045 65.669 109.292 152.916 196.539
Рисунок 8 - Третий режим растяжение (вес груза два 20-футовых
контейнера)
.23051 43.208 86.185 129.162 172.14
21.719 64.697 107.674 150.651 193.628
Рисунок 9 - Третий режим сжатие (вес груза два 20-футовых контейнера)
Оценка соответствия конструкции рамы вагона требованиям «Норм..» [4] по I, III режимам и режиму соударения производилась путем сравнения расчетных эквивалентных напряжений с допускаемыми величинами.
Кроме выполненных прочностных расчетов проектируемой конструкции произведены теоретические исследования динамической нагруженности шарнирно-соединенного вагона-платформы с различными схемами загрузки и двумя типами скользунов - стандартными и упругими фирмы «Стаки».
В результате выполнения расчетно-конструкторских работ можно сформулировать следующие выводы:
1. Выполненная расчетная оценка прочности полурамы вагона-платформы свидетельствует о том, что суммарные напряжения, возникающие в элементах конструкции полурамы, не превышают допускаемых при сочетаниях нормативных нагрузок на всех основных расчетных режимах.
2. Динамические показатели вагона-платформы в большинстве рассмотренных случаев не превышают своих допустимых значений в диапазоне скоростей вплоть до конструкционной скорости.
3. Применение шести осей позволяет наряду с увеличением грузоподъемности вагона-платформы уменьшить неподкрепленный пролет
боковых балок. Это способствует уменьшению прогиба полурамы под действием силы тяжести груза, снижению усталостных напряжений и увеличению надежности подвижного состава.
Таким образом, получены основные конструкторские решения шарнирно-соединенного вагона-платформы для перевозки контейнеров.
Список литературы
1. Мямлин С.В., Бубнов В.М.. Андрющенко Н.Л. Тенденции развития контейнерных перевозок // Зб. наук. праць.- Донецк: ДонИЖТ, 2008.- Вып. № 14. - С. 3440.
2. В.М. Бубнов, С.В. Мямлин, Н.Л. Андрющенко, И.В. Юрцевич Повышение грузоподъемности вагонов-платформ //Вагоны и вагонное хозяйство.- Москва, 2008.- Вып. № 2 (14). - С. 43.
3. «Инструкция по применению габаритов подвижного состава» № ЦВ/4422. «Транспорт». Москва 1988 г.
4. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог колеи 1520 мм (несамоходных). ГосНИИВ-ВНИИЖТ. Москва, 1996 г. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог колеи 1520 мм (несамоходных). Изменения и дополнения. ГосНИИВ-ВНИИЖТ. Москва, 01.02.2000 г.
