Специальный изотермический вагон с двухстворчатой крышей, использующий зубчатое зацепление в механизме её открывания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Машиностроение к компьютерные технологии

Сетевое научное издание

http://www.technomagelpub.ru

Ссылка на статью:

// Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 01. С. 1-18.

DOI: 10.24108/0118.0001353

Представлена в редакцию: 24.12.2017

© НП «НЭИКОН»

УДК 629.463.5, 629.463.12, 62-233.3

Специальный изотермический вагон с двухстворчатой крышей, использующий зубчатое зацепление в механизме её открывания

Копытов В.С.1, Плотников И.С.1,

____1 а

Пучков В.М.

Jp\mpuchkov@yandex.ju

1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

В статье разработана, на основании проведенного кинематического и силового анализов конструкции, принципиально новая система открывания двустворчатой крыши специального изотермического вагона, предназначенного для перевозки ответственных крупногабаритных грузов, которая использует все преимущества как одностворчатой, так и двухстворчатой схем открывания. Приведены силовые и прочностные анализы различных схем открывания крыши изотермических вагонов, позволяющие определить их основные конструктивные и геометрические характеристики, а также усилия в гидравлических элементах при действии различных вариантов нагружения. Сделаны вывод о том, что по эксплуатационным характеристикам одностворчатая крыша имеет ряд преимуществ перед двухстворчатой, в то время как прочностной анализ показал значительные преимущества двухстворчатой крыши. Предложена конструкция специального изотермического вагона с двухстворчатой крышей, сочетающего в себе преимущества приведенных раннее конструкций и лишенная их недостатков. Проведены кинематические и силовые расчеты основных конструктивных элементов нового вагона, в том числе расчеты зубчатого зацепления в механизме открывания крыши и контактного напряжения роликов направляющего обода торцевой стенки вагона. Рассмотрен вариант использования данного вагона, когда открывание и закрывание крыши вагона осуществляется вручную. Такая конструкция крыши вагона значительно облегчает погрузочно-разгрузочные работы с пакетированными, штучными и навалочными грузами широкого ассортимента, обеспечивает их сохранность при транспортировке и позволяет эксплуатировать данный вагон на не электрифицированных железнодорожных путях.

Ключевые слова: специальный изотермический вагон, кинематический и силовой анализ, вагон с двустворчатой крышей

Введение

Железнодорожные вагоны с различными схемами открывания крыш строят в нашей стране более 60 лет. Такие вагоны по сравнению с обычными обладают большими функциональными возможностями применения. Они позволяют практически без потерь перевозить различные грузы народно-хозяйственного назначения, особенно это касается

навалочных, насыпных и пакетированных грузов. Крыша вагонов предохраняет эти грузы от намокания и выдувания при транспортировке. Облегчается и улучшается процесс погрузки грузов, так как для этого отпадает необходимость в использовании погрузчиков, а загрузка вагона осуществляется кранами или другими устройствами через открытую крышу вагона. В изотермических вагонах, предназначенных для перевозки ответственных крупногабаритных грузов, открывающаяся крыша также позволяет упростить процесс погрузки груза, а соответствующая схема открывания позволяет предотвратить раскрытие стыка, тем самым предотвратить процесс разгерметизации груза в процессе железнодорожной перевозки.

1. Анализ существующих конструкций вагонов с открывающейся

крышей

Проведенный анализ источников информации показал, что в настоящее время практически все известные схемы открывания крыш железнодорожных вагонов предполагают использование механических, электромеханических либо гидравлических устройств [1-5]. Рассматривались три варианта конструктивного исполнения способов открывания такой крыши:

- одностворчатая крыша с осью поворота, расположенной вдоль одной из сторон кузова вагона;

- двухстворчатая крыша с осями поворота ее створок, расположенных вдоль обеих боковых стенок кузова вагона;

- одностворчатая крыша с осью поворота, расположенной вдоль торцевой стенки вагона.

да

а б

Рис. 1. Конструктивные схемы открывания крыши вагона а - одностворчатая крыша вагона с двумя гидродомкратами открывания; б - двухстворчатая крыша вагона с восемью гидродомкратами открывания

крыши по четыре с каждой стороны створок.

Анализ последней приведенной схемы открывания одностворчатой крыши вагона с осью поворота расположенной вдоль одной из его торцевых стенок позволил отказаться от её дальнейшего рассмотрения из-за большой парусности при полностью открытой крыше и значительных габаритах гидродомкрата открывания.

Для остальных рассматриваемых конструктивных схем открывания крыши вагона, были построены и рассчитаны стержневые модели в программном комплексе БЛОЛБ (разработанном на кафедре «Стартовые ракетные комплексы» МГТУ им. Н.Э. Баумана) методом конечных элементов [7,8]. Сечения балок и их габаритные размеры полностью идентичны для рассматриваемых различных конструкций крыш.

На рис. 2 изображены типы используемых сечений конструкций. По результатам расчетов, представленных на рис. 3, видно, что даже без нагрузок, в варианте с двухстворчатой крышей конструкция имеет большие коэффициенты запаса, чем в варианте с одностворчатой крышей, которая требует укрепления хребтовой балки. В расчетной схеме, показанной на рис. 4, когда на крышу приложены нагрузки от силы ветра, а на раму вагона приложены силы от веса транспортируемого груза, балки конструкции двухстворчатой крыши имеют большие коэффициенты запаса, а, следовательно, и меньшие напряжения в стержнях, чем балки конструкции с одностворчатой крышей. Результаты проведенных расчетов показывают, что и для этого случая саму крышу и хребтовую балку вагона при одностворчатой конструкции крыши также необходимо усиливать.

Ь

□Й7

75

Рис. 2. Типы сечений конструкции

Рис.3. Конструкции под действием сил собственного веса, без нагрузок а - двухстворчатая крыша

вагона; б - одностворчатая крыша вагона

Рис. 4. Конструкции под действием сил собственного веса, ветра и силы тяжести перевозимого груза а - двухстворчатая крыша вагона; б - одностворчатая крыша вагона

Сопоставление результатов расчетов вариантов открывания одностворчатой крыши и варианта с двустворчатой крышей показало, что конструкция всех силовых элементов вагона при двухстворчатой крыше, испытывает меньшие нагрузки и поэтому при оптимизации такой конструкции будут использоваться сечения силовых элементов с меньшей площадью, что приведет к уменьшению массогабаритных характеристик всей конструкции. Однако данная двустворчатая крыша имеет ряд недостатков:

• сложно обеспечить герметичность крыши, по стыку двух половинок крыши;

• сложно обеспечить доступ внутрь вагона со стороны крыши из-за открытых створок.

Был разработан способ открывания крыши, с использованием зубчатой передачи (по 4 с каждой стороны), который успешно решает эти проблемы.

2. Проектирование вагона с двухстворчатой крышей и механическим

приводом открывания

На рис. 5, 6 представлено конструктивное исполнение двустворчатой крыши специального изотермического вагона с использованием зубчатой передачи.

Рис. 5. Двустворчатая крыша с зубчатым зацеплением

Рис. 6. Вид специального изотермического вагона

На рис. 7 представлен направляющий обод, за счет него крыша может перемещаться вдоль дуги окружности. Для облегчения хода крыши используются роликовые подшипники, они показаны условно без сепараторов.

Рис. 7. Торцевая стенка вагона

Вопрос с уплотнениями и герметизацией изотермического вагона решается следующим образом: по периметру используются металлические обечайки, которые в закрытом состоянии плотно прижимаются к стенкам вагона, а сверху на стыке используется клинообразное уплотнение, к которой привулканизирована резиновая прокладка (см. рис. 8).

А-А

Рис. 8. Уплотнения а - уплотнение вдоль стенки вагона; б - клинообразное уплотнение на стыке

крыши

В качестве запорного элемента на стыке створок крыши первоначально было принято лабиринтное уплотнение, но расчет показал, что прогиб по длине крыши составляет около 3 мм, поэтому был принят вариант с клинообразным уплотнением стыка крыши. Также была решена проблема с удержанием крыши в открытом и закрытом, состояниях за счет её операния на металлические пальцы диаметром 20 мм каждый, которых в конструкции 8 штук, по 4 пальца с каждой стороны створки крыши. Работу пальцев по их поднятию и опусканию можно проследить по рис. 9. При открывании

срабатывает верхний электромагнит и шатун прижимается - палец проваливается, при фиксации палец доводит нижний гидропривод (рис. 9).

Рис. 9. Устройство фиксации крыши

Для определения характеристик зубчатой передачи и вала были определены силы, возникающие в зубчатом зацеплении. На рис. 10 представлена расчетная схема для проведения кинематического и силового расчетов.

Рис. 10. Расчетная схема открывания крыши

Найдем плечо неуравновешенности крыши от силы тяжести. Обозначим следующие расчетные параметры:

(р = 77°, а = 39°, = 0° ... 23°, Я = 1.925.

В полярной системе координат, зависимость плеча действия, опрокидывающей силы неуравновешенности одной створки крыши относительно оси её поворота, описывается следующей системой уравнений:

ВДО = 2 ■ II ■ со 8(<р + ; ЬМ=г1(р1)-соз(а + р1); ¿2 (А) = -Ч^Рг) ' со Б{<р + (ЬМ = при < 13°;

ЬМ = ¿2(^),при^ > 13°.

Графическое представление показано на рис. 11.

0.8 0.6 0.4

е ц(ЕН)

0.2

О

-0.2

О 0.1 0.2 0.3 0.4

(И Радиан

Рис. 11. Изменение плеча силы от угла открытия крыши

Определим нагрузку на элементы силового механизма открывания от веса конструкции крыши и снега:

^крыши и снега 1500 КГ,

'крыши и снега '

Опрокидывающий момент неуравновешенности крыши равен (рис. 12):

^кр ^крыши и снега "9.82 14730 Н.

Мкр 081) = ¿3081) • ^

Рис. 12. Изменение опрокидывающего момента крыши от угла ее открытия

Крутящий момент (рис. 13), который необходимо обеспечить на одном зубчатом колесе определяется как:

МкрышиСД)

мКр(/?ь> =

Рис. 13. Зависимость крутящего момента на зубчатом колесе от угла закрытия крыши

Таким образом, для дальнейших расчетов параметров зубчатого зацепления, принимаем крутящий момент на зубчатом колесе равным М=3000 Нм. Также был проведен геометрический, прочностной и расчет на выносливость цилиндрической зубчатой передачи внутреннего зацепления с помощью программы Компас-15 3Б, библиотека валы и шестерни. А также сконструирован сам вид зубчатой передачи. Результаты расчетов представлены в таблице 1. Вид зубчатой передачи показан на рис. 14.

Таблица 1. Параметры зубчатого зацепления

Наименование и обозначение параметра Обозначение Шестерня Колесо

Число зубьев Z2 55 777

Модуль, мм m 5

Угол наклона зубьев на делительном цилиндре В 0°

Исходный контур - ГОСТ 13755-81

Ширина зубчатого венца, мм Ь 105 100

Коэффициент смещения исходного контура x 0 0

Передаточное число u 14,127

Межосевое расстояние, мм Яш 1805^цдд2

Делительный диаметр, мм ё 275 3885

Диаметр вершин зубьев, мм ¿а 284,999 3877,5

Диаметр впадин зубьев, мм йг 262,5 3897,499

Начальный диаметр, мм ¿ш 275 3885

Основной диаметр, мм <4 258,415 3650,706

Угол зацепления а 20°00'00"

Марка материала - Сталь 12ХН3А ГОСТ 4543-71

Частота вращения ведущего колеса, об/мин п 120

Окружная сила на делительном цилиндре, Н 21818,182

Рис. 14. Вид зубчатого зацепления

Расчет валов и подшипников выполнен в САПР Компас-Shaft 2D. Результаты представлены на рисунках 15, 16. На вал действуют следующие силы: F =22000Н - окружная сила в зацеплении;

Fr = Ft • tg20 / cos 0 = 8000 H - радиальная сила от зубчатого зацепления; FR2 = (тктши + mCHeea)g /4 = 3430 H - сила, действующая в радиальном направлении от массы крыши и снега;

Мкр = F • d/2 = 3000Я • м - крутящий момент на валу;

F , = (0,05..0,1)2T / d = 0,1- 2 • 3000 / 0,120 = 5000 Н - сила на конце вала от муфты.

ЕЙ у

J Fg-nii» 1

t * % 1

U 1Я>

ж

US

Рис. 15. Вал

Рис. 16. График коэффициентов запаса прочности вала

Как видно из рис. 16, коэффициент запаса самого высоконагруженного участка вала равняется 1,7.

Результаты расчета подшипников на грузоподъемность и долговечность показали, что для бесперебойной работы зубчатой передачи на стенке вагона с временным ресурсом в 1520 часов, подойдут подшипники по ГОСТ 8338-75, 308 серии наружный диаметр которых - 90 мм, а внутренний - 40 мм.

Проведем расчет болтового соединения варианта крепления зубчатого колеса к стенке вагона. На рис. 17 показана расчетная схема крепления зубчатого колеса для случая открывания крыши.

Рис. 19. Расчетная схема крепления зубчатого колеса для случая открывания крыши

Определим основные расчетные параметры:

^в.крыши = 3430 Н; Мкр = ^.крыши ■ 0,06 = 205,8 Н • м; ^ = 22000 Н; ¥г = 8000 Н; а = 49.8° ; (3 = 41.3 ■ йед ; ^ = 0.1425 м ; Ъ = 0 . 3 8 м — ш и р и н а ; а = 0 . 4 м — в ы с ота. Горизонтальная сила:

^ = ^ ■ со5(90 ■ йед - (3) + ¥г ■ со5(90 ■ йед - а) = 2.063 ■ 104 Н.

Вертикальная сила:

FB = Ft ■ сos (//) — Fr ■ сos ( a) — FB. кр ыш и = 7.934 ■ 1 0 3 H - направлена вверх. М о м е н т н а сты1 к е:

М = Ft ■ Lt + Fr ■ Lr + Мкр = 5,4 2 1 ■ 1 0 3 H • м - направлен против часовой

стрелки.

При расчете полагаем, что центральная внешняя сила нагружает болты равномерно, а момент - пропорционально их расстояниям до нейтральной, центральной оси. Наиболее нагруженным будет один или несколько наиболее удаленных болтов с раскрывающей стороны стыка. В общем случае нужно обеспечить:

• условия не раскрытия стыка;

• прочность болтов.

В общей форме условие не раскрытия стыка может быть записано так: <гт£п. ст > 0 , [9] где <Tmjn.CT - минимальное напряжение сжатия в стыке после приложения внешней нагрузки.

Для обеспечения выполнения условия <гт£п . ст>0 вводят коэффициент запаса по не раскрытию стыка К. При этом принимают К=1.1 - для малоответственных соединений. Из этого условия определяют необходимую для предотвращения раскрытия стыка силу F^ каждого болта. Внешние нагрузки (M, F) распределяются между резьбовыми деталями и стыком. На резьбовые детали действует часть нагрузки, обозначаемая х и называемая коэффициентом основной нагрузки. Если от расчета не требуется повышенная точность, принимают х=0.2...0.3 - для металлических соединений. Условие не раскрытия стыка, выраженное через напряжение на стыке, принимает вид:

°гп £ п. ст = °з ат ± a Fn - a М > 0 [9].

Напряжение сжатия ст3 ат на стыке от затяжки болтов [9]:

^зат ^зат ' % / Аст,

где z - число болтов на стыке; Аст - номинальная площадь стыка (без учета наличия отверстий под болты).

Напряжение a Fn на стыке от действия внешней, нормальной к стыку силы [9]:

°Fn = FiV • (1 - х) Мст-Знаки перед a Fn в формулах: (-) - при раскрывающей стык нагрузке, (+) - в том

случае, когда нагрузка увеличивает напряжения сжатия на стыке. Максимальное

напряжение oM на стыке от опрокидывающего момента:

Ом= М^Жст,

где WCT - момент сопротивления стыка относительно нейтральной оси [9]. Если нейтральная ось обозначена Х-Х, то:

^Хст — 1х.ст/Утах.ст

где - момент инерции стыка относительно нейтральной оси; - расстояние от

нейтральной оси до наиболее удаленных точек стыка с разгружаемой стороны стыка [6]. Z=8 - число болтов; Аст = а ■ Ъ = 0, 1 5 2 м - площадь стыка; X = 0, 3 ; К= 1,1.

/ст = = 2 . О 2 7 ■ 1 0 ""3 м 4 - осевой момент инерции относительно оси ОХ.

утах = 2 = 0 2 м ' = —^ = 0, 0 1 м 3 - момент сопротивления.

Утах

1) Условие не раскрытия стыка примет следующий вид:

гм(1 -х)утах fr-(l-x)

F» = K'T

I А

I ст -"ст

= 5,841 ■ 103 Н.

2) Найдем необходимую площадь поперечного сечения болта:

й х = 0 . О089 м - диаметр болта;

й 2

Ах = 3 , 1 4 ■ — = 6, 2 1 8 ■ 1 0 _ 5м 2 - площадь болта.

2 1_

4

Момент сопротивления болтов относительно нейтральной оси Х равен:

/0Д442 0,04824

^болтов = Ai ■ --+ -- ■ 4 = 2,865 ■ 10"5 м3;

\ Утах Утах /

М■A, Fr F =-— + —- = 1 434 ■ 104 Н-

'сум.ВН. тат ~ -LU 11,

"''болтов ^

1 3 ■ F + X ■ F

' i зат т Л 1 сум.вн. . _ . „ . „ „ _ _ , . „

<тболта =-----= 1,913 ■ 108 Па < о = 320 МПа.

Ai

Подходят болты класса прочности 8,8 - М10 - при контролируемой затяжке.

Расчет гайки и болта на срез резьбы:

Кг = 0, 8 7; К6 = 0, 8 7 - коэффициенты полноты резьбы болта и гайки, резьба метрическая;

Кт = 0, 7 5 - учитывает неравномерность деформации витков по высоте гайки.

При одинаковых материалах более опасным по срезу будет болт Н г = 0,0084 м.

Определим значения касательных напряжений в болтах:

т = з-м /Т"' у и = 9<364 ■ 107 Па < ТФ = 160 МПа-

0,1 (¿i 1 I\g 1 I\m 1 rlp

Класс прочности гайки 8,8.

Также был проведен аналогичный расчет в случае закрытия крыши, который показал, что принятые ранее параметры гайки и болты удовлетворяют этому случаю

Проведен расчет контактного напряжения роликов направляющего обода торцевой стенки вагона, за счет него крыша может перемещаться вдоль дуги окружности [10,11]. Для облегчения хода крыши используются роликовые подшипники, они показаны условно без сепаратора (см. рис. 7). Так, при сжатии двух цилиндров радиусами Rг и R2 (рис. 20), загруженных нагрузкой, равномерно распределенной по длине цилиндров, интенсивностью p, образуется поверхность давления в виде прямоугольной полоски с размерами lx2b.

Рис. 20. Расчетная схема распределения давления Основные используемые расчетные формулы:

Р

Ъ = 1.522

\ERj_ +й2'

, + й2 Ощах = 0-418 |р£ д ■

Основные расчетные параметры:

2455

F «-= 122 . 75 Н - сила, приходящаяся на 1 ролик; й х = 1 0 0 м м ;

й2 = 1850 м м; Е = 200000 МПа; А = 50 мм; р = ^ = 2 .455 Н /м м. Окончательно имеем:

31 + и2\

= 0.418 р ■ Е = 422.832 МПа.

Л ^ ' ^2 '

Подходит сталь марки 95Х18, стт = 720 М П а.

Для рассматриваемой конструктивной схемы открывания крыши вагона, была построена и рассчитана стержневая модель в программном комплексе БАОАБ (разработанном на кафедре «Стартовые ракетные комплексы» МГТУ им. Н.Э. Баумана), см. рис. 21. Типы используемых сечений конструкций аналогичны одностворчатой конструкции крыши, приведенной в работе [1].

Как отмечалось ранее [1] двустворчатая крыша вследствие меньшей парусности (в данном случае практически нулевой) и симметричности нагружения испытывает меньшие нагрузки, поэтому при оптимизации её конструкции будут использоваться сечения силовых элементов с меньшей площадью, что приведет к уменьшению весогабаритных характеристик всей конструкции вагона и с успехом решает проблемы обеспечения герметичности створок крыши вагона и доступа внутрь вагона при проведении регламентных работ с перевозимым грузом.

Заключение

• Предложена принципиально новая схема открывания крыши изотермического вагона с использованием зубчатого зацепления в элементах подъема и опускания, произведена конструктивная её проработка и комплекс силовых и прочностных расчетов, которые обосновывают предложенные конструктивные решения.

• Предложенная конструкция двустворчатой крыши вследствие меньшей парусности и симметричности нагружения испытывает меньшие нагрузки по сравнению с одностворчатой, что приведет при оптимизации её конструкции к использованию сечений силовых элементов с меньшей площадью и уменьшению весогабаритных характеристик всей конструкции специального изотермического вагона.

• Предложенный конструктивный вариант двухстворчатой крыши с зубчатым зацеплением в элементах подъема и опускания решает проблемы обеспечения герметичности крыши с изотермическим вагоном.

• Рассмотрен вариант использования данного вагона для народно-хозяйственных нужд, когда его 4 электромеханических зубчатых передачи соединяются одним общим валом с силовым редуктором, размещенным снаружи вагона на одной из его торцевых стенок без использования электродвигателя, когда открывание и закрывание крыши вагона осуществляется вручную. Такая конструкция крыши вагона значительно облегчает погрузочно-разгрузочные работы с пакетированными, штучными и навалочными грузами широкого ассортимента, обеспечивает их сохранность при транспортировке и позволяет эксплуатировать данный вагон на не электрифицированных железнодорожных путях.

Список литературы

1. Копытов В.С., Пучков В.М. Расчет элементов системы открывания крыши изотермического вагона и прочностной анализ конструкции вагона при её различном

конструктивном исполнении // Аэрокосмический научный журнал. 2016. Т. 2. № 2. C. 1-15. DOI: 10.7463/aersp.0216.0839313

2. ScaleTrainsClub. Вагоны с раскрывающейся крышей: [Электрон. портал]. Режим доступа: http://scaletrainsclub.com/board/viewtopic.php?t=1916 (дата обращения 10.10.2017).

3. Вагоны: Проектирование, устройство и методы испытаний / Л.Д. Кузьмич и др.; под ред. Л.Д. Кузьмича. М.: Машиностроение, 1978. 376 с.

4. СЦБИСТ: Железнодорожный форум. Особенности зарубежных грузовых вагонов. Режим доступа: http://scbist.com/vagonnoe-hozyaistvo/4386-statya-osobennosti-zarubezhnyh-gruzovyh-vagonov.html (дата обращения 10.01.2017).

5. Конструирование и расчет вагонов: учебник / В.В. Лукин и др.; под ред. П.С. Анисимова. 2-е изд. М.: Изд-во Учебно-метод. центра по образованию на ж.-д. трансп., 2011. 687 с.

6. Храмов Б.А. Основы теории и проектирования устройств и систем боевого железнодорожного ракетного комплекса: учебное пособие. СПб.: Изд-во Балт. гос. техн. ун-та, 2005. 111 с.

7. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: учебник. 14-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 590 с.

8. Светлицкий В.А. Строительная механика машин. Механика стержней: учебник: В 2 т. Т. 1: Статика. М.: Физматлит, 2009. 408 с.

9. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т. 2. 8-е изд. М.: Машиностроение, 2001. 900 с.

10. Атлас конструкций узлов и деталей машин: учеб. пособие / Б.А. Байков и др.; под ред. О.А. Ряховского, О.П. Леликова. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 400 с.

11. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин: учеб. пособие. 8-е изд. М.: Академия, 2003. 495 с.

Mechanical Engineering & Computer Science

Mechanical Engineering and Computer Science, 2018, no. 01, pp. 1-18.

DOI: 10.24108/0118.0001353

Received: 24.12.2017

Electronic journal

http://www.technomagelpub.ru © NP "NEICON"

Special Isothermal Two-leaf Roof Railway-car Using Gearing in Its Opening Mechanism

. 1 T 0 m . 1 'pvrapuchkcvlgyandexjij

V.S. Kopytov , I.S. Plotnikov ,

i *

V.M. Puchkov1,

:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: special isothermal railway-car, kinematic and strength analysis, railway-car with double-

leaf roof

Railway-cars with various roof opening schemes have been built in our country for over 60 years. As compared to conventional cars, these ones are of great functionality. They allow carrying different kinds of cargoes of national economic significance almost with no loss, especially with regard to bulk and packaged cargoes. During transportation a roof of the cars protects these goods from wetting and blowing. To load cargo becomes easier and better since there is no need to use forklifts. Instead, cranes or other devices provide loading through the open roof of the car. In isothermal cars, designed to carry bulky cargoes, the opening roof also allows easy loading of cargo, and the appropriate opening scheme disables opening the joint, thereby ensuring unsealing prevention during rail transportation. The paper presents a fundamentally new system for opening a double-leaf roof of a special isothermal car designed to carry bulky cargoes, which development is based on the kinematic and force design analysis. Its engineering study and a complex of strength calculations that substantiate the proposed constructive solutions have been carried out. The proposed design of a double-leaf roof due to less sail and symmetry of loading is under less load as compared to a single-leaf roof, which, when optimizing its design, will lead to using force element cross-sections with a smaller area and to decreasing dimensions-and-weights of the entire structure. The proposed design option of a double-leaf roof with gear in the lifting and lowering elements solves the problems of ensuring the integrity between the roof and the isothermal car. The paper considers an option of using this car for national economic needs when its 4 electromechanical gears are connected by one common shaft with a power reducer placed outside the car on one of its end walls without using an electric motor when the roof is manually opened and closed. Such a car roof design makes considerably easier loading and unloading works with packaged, single-piece and bulk cargo of a wide variety, ensures their safe transit, and allows this car to run in non-electrified tracks.

References

1. Kopytov V.S., Puchkov V.M. Calculating the insulated car roof opening system components and strength analysis of car design in its various embodiments. Aerokosmicheskij nauchnuj zhurnal [Aerospace Scientific J.], 2016, no. 2, pp. 1-15. DOI: 10.7463/aersp.0216.0839313 (in Russian)

2. ScaleTrainsClub. Vagony s raskryvayushchejsia kryshej [Wagons with opening roof]. Available at: http://scaletrainsclub.com/board/viewtopic.php?t=1916, accessed 10.10.2017 (in Russian).

3. Vagony: Proektirovanie, ustrojstvo i metody ispytanij [Wagons: Design, construction, and test methods] / L.D. Kuz'mich a.o.; ed. by L.D. Kuz'mich. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1978. 376 p. (in Russian).

4. STSBIST. Zheleznodorozhnyj forum. Osobennosti zarubezhnykh gruzovykh vagonov [STSBIST. Railway Forum. Features of foreign freight cars]. Available at: http://scbist.com/vagonnoe-hozyaistvo/4386-statya-osobennosti-zarubezhnyh-gruzovyh-vagonov.html, accessed 10.10.2017 (in Russian).

5. Konstruirovanie i raschet vagonov [Construction and calculation of cars]: a textbook / V.V. Lukin a.o.; ed. by P.S. Anisimov. 2nd ed. Moscow, 2011. 687 p. (in Russian).

6. Khramov B.A. Osnovy teorii i proektirovanima ustrojstv i sistem boevogo zhelezhnodorozhnogo raketnogo kompleksa [The fundamentals of the theory and design of devices and systems of the combat iron missile complex]: a textbook. St. Petersburg: Baltic State Technical Univ. Publ., 2005. 111 p. (in Russian).

7. Feodos'ev V.I. Soprotivlenie materialov [Resistance of materials]: a textbook. 14th ed. Moscow: BMSTU Publ., 2007. 590 p. (in Russian).

8. Svetlitskij V.A. Stroitel'naia mekhanika mashin. Mekhanika sterzhnej [Construction mechanics of machines. Mechanics of rods]: In 2 vol. Vol. 1: Statics. Moscow: Fizmatlit Publ., 2009. 408 p. (in Russian).

9. Anur'ev V.I. Spravochnik konstruktora-mashinostroitelia [Handbook of the designer-machine builder]: In 3 vol. Vol. 2. 8th ed. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2001. 900 p. (in Russian).

10. Atlas konstruktsij uzlov i detalej mashin [Atlas of constructions of knots and machine parts]: a textbook / B.A. Bajkov a.o.; ed. by O.A. Riakhovskij, O.P. Lelikov. 2nd ed. Moscow: BMSTU Publ., 2009. 400 p. (in Russian).

11. Dunaev P.F., Lelikov O.P. Konstruirovanie uzlov i detalej mashin [Designing of units and machine parts]. 8th ed. Moscow: Akademiia Publ., 2003. 495 p. (in Russian).