Раздел 1. Определение технико-экономических параметров грузовых вагонов

Основными параметрами вагона являются: грузоподъёмность Р, тара (собственная масса) Т, количество колёсных пар (осность) m₀, объём кузова V, площадь пола F, линейные размеры. Для сравнения вагонов между собой пользуются параметрами, представляющими отношения указанных величин: удельным объёмом кузова, удельной площадью пола, коэффициентами тары, нагрузкой от колёсной пары на рельсы, нагрузкой на метр пути (погонная нагрузка).

Правильный выбор параметров обеспечивает наименьшие затраты общественного труда на перевозки грузов.

Определение параметров грузовых вагонов рекомендуется вести в следующем порядке:

-установить удельный объём V_у (удельную площадь пола)F_у;

-установить коэффициент тары;

-определить грузоподъёмность вагона;

-установить геометрический объём кузова или площадь пола;

-определить линейные размеры вагона.

1.1. Выбор удельного объёма или удельной площади пола

Для вагонов в которых перевозится один определённый род груза значения целесообразного удельного объёма и удельной площади вычисляют по формулам [1], [3].

, (1.1)

(1.2.)

где r-объёмная масса груза, т/м³;

j -коэффициент использования геометрического объёма кузова;

Н -высота погрузки, м.

Высота погрузки для сыпучих грузов принимается исходя из высоты бортов и угла естественного откоса груза a с учётом его уменьшения во время движения, а для остальных грузов – очертаниями верхних линий габаритов подвижного состава.

Значения углов естественного откоса, объёмной массы некоторых сыпучих грузов, объёмной массы некоторых грузов, перевозимых в цистернах, приведены в , [3].

Для учёта факторов, влияющих на использование геометрического объёма вагонов в формулы (1.1), (1.2) введён коэффициент j.

Величина j зависит от конфигурации кузова, расположения и размеров дверей, люков, внутреннего оборудования, высоты и формы бортов, а также свойств груза. Установлено, что использование геометрического объёма вагонов различных типов в зависимости от рода перевозимых в них грузов различно. Для крытых вагонов j колеблется от 0,6 до 0,93, для полувагонов и хопперов 1,12-1,15 (при погрузке выше уровня стен), для платформ 0,8 (погрузка по габариту) и для цистерн около 1,0.

Если вагон предназначен для различных грузов, с разными r и j, то выбор значений V_у и F_у усложняется. В этом случае устанавливается оптимальное значение удельного объёма V_{у опт} или определяется оптимальная величина площади пола F_{у опт} (для платформ).

При этом за критерий оптимальности принимается минимальная себестоимость (С) перевозок грузов. Зависимость себестоимости С, а также технического коэффициента тары К_т, от величины удельного объёма V_у или удельной площади F_у приведены в , [3].

Значения удельных объёмов кузова и удельных площадей пола наиболее распространённых в настоящее время вагонов также приведены в , [3].

1.2. Определение коэффициента тары и расчёт грузоподъёмности вагона

Основным параметром вагона, принадлежащим одновременно к важнейшим параметрам железнодорожного транспорта является грузоподъёмность вагона.

Одним из факторов, определяющих величину грузоподъёмности вагона считается допускаемая осевая нагрузка Р_о, которая определяется исходя из мощности пути и экономичности его содержания. Для наиболее распространенных типов вагонов осевая нагрузка в настоящее время ограничена величиной 228 кН. Как показали исследования для основных типов грузовых вагонов (цистерн, полувагонов и вагонов-хопперов) указанная норма осевой нагрузки целесообразна и на перспективу, т.к. повышение осевых нагрузок вызывает значительное увеличение затрат на содержание пути и путевого хозяйства.

Связь между осевой нагрузкой и грузоподъёмностью вагона выражается зависимостью:

, (1.3)

где Р₀ –допускаемая осевая нагрузка, кН (т/ось);

m₀ –количество колёсных пар в вагоне;

К_т –технический коэффициент тары;

К_т – может быть определён по графикам, приведены в , [3]. Для предварительных расчётов значения К_т основных типов грузовых вагонов приведены в , [3].

Формула (1.3) может быть представлена в виде

Р₀m₀ =Р+Т. (1.4)

Левая часть равенства (1.4) для заданных условий проектирования всегда постоянна. Величины, входящие в правую часть равенства можно изменять, оставляя неизменной их сумму. При этом необходимо стремится к снижению тары вагона, что приведёт к соответствующему увеличению грузоподъёмности вагона. С этой целью при найденном коэффициенте тары определяется грузоподъёмность вагона, затем из веса брутто вычитается грузоподъёмность и определяется тара вагона. После этого рассматриваются возможные пути снижения тары вагона:

-осуществление конструктивных мероприятий, обеспечивающих уменьшение усилий, действующих на вагон и его части;

-целесообразный выбор материалов для частей вагона;

-совершенствование технологии изготовления и ремонта вагонов;

-совершенствование методов расчёта и испытаний вагонов и их узлов.

1.3. Определение геометрического объёма кузова и ориентировочных значений основных линейных размеров вагона

Зная удельный объём V _у и грузоподъёмность вагона можно определить геометрический объём кузова V, а для платформ – площадь пола F по формулам:

V=Р·V_у (1.5)

F=Р·F_у (1.6)

Внутренняя длина крытых, изотермических и полувагонов находится из выражения

, (1.7)

где F_к – площадь поперечного сечения кузова, заполняемого грузом, м².

Внутренняя длина платформы определяется по формуле

, (1.8)

где 2В_В - внутреняя ширина платформы, м.

Для достижения возможно большей погонной нагрузки площадь поперечного сечения кузова F_к , а следовательно внутреннюю ширину и внутреннюю высоту вагона целесообразно принимать максимальными в пределах заданного габарита подвижного состава.

Однако следует учитывать, что внутреннюю ширину крытого вагона, используемого для людских перевозок принимают равной 2760 мм исходя из необходимости размещения существующего съёмного оборудования.

Внутреннюю ширину полувагонов и платформ принимают не менее 2740 мм для обеспечения погрузки контейнеров.

Для ориентировочных расчётов внутреннюю ширину вагона можно принимать: для габарита Т – 3400 мм, I-Т – 3000мм, 0I-Т – 2900мм.

При вычислении площади поперечного сечения кузова высоту стенки полувагонов устанавливают по условию загрузки его под эстакадами: четырёхосного – 2060 мм, восьмиосного –2450 мм.

Полувагоны увеличенных габаритов могут иметь наружную ширину кузова до 3600 мм и высоту от уровня верха головок рельсов до 4800 мм. При выборе высоты полувагона более 4350 мм от уровня верха головок рельсов следует иметь в виду, что это потребует создания нового вагоноопрокидывателя.

Внутреннюю высоту кузова крытого вагона принимают максимально возможной по габариту.

Высота бортов у платформы определяется удобствами их закрытия, а также необходимостью перевозки ряда грузов с опущенными бортами без выхода последних за пределы нижнего очертания габарита подвижного состава. Торцовые борта в открытом состоянии должны размещаться в межвагонном пространстве с учётом безопасного положения человека между бортами двух платформ.

Для ориентировочного определения диаметра котла D четырёхосной цистерны может быть использована формула:

(1.9)

При малых колпаках, которые имеют цистерны последних лет постройки, объём котла, вычисленный по формуле (1.9), увеличивают на 2-3% для обеспечения расширения груза при повышении температуры.

При определении внутренней длины полувагонов следует учитывать, что из условия взаимозаменяемости крышек люков всех полувагонов расстояние между стойками боковой стены полувагона должно быть равно 1750 мм. Указанное условие должно быть учтено также при выборе базы и консоли вагона, т.е. база вагона и длина консоли должна быть кратной соответствующему размеру разгрузочного люка. Кроме того, длину полувагонов и платформ желательно иметь кратной величине 6600-6700 мм, соответствующей длине распространенных лесоматериалов с учётом зазоров между штабелями и стенами вагонов. Исходя из условий размещения контейнеров, внутреннюю длину платформы и полувагона целесообразно принимать кратной 2170 мм.

Для котла цистерны длину устанавливают в зависимости от диаметра, формы днища и других частей, определяющих объём.

После установления внутренних размеров определяют наружные размеры кузова с учётом толщины стен, пола и крыши.

Наружная длина кузова 2L, совпадающая у большинства конструкций вагонов с длиной рамы 2L_Р, определяется по формуле:

2L=2L_B+2а_Т, (1.10)

где а_Т - толщина торцовой стены кузова.

Наружная ширина кузова

2В=2В_В +2а_б, (1.11)

где а_б – толщина боковой стены.

В крытых вагонах учитывают также толщину боковой двери, в цистернах – наружную лестницу (если она расположена на цилиндрической части котла).

Ориентировочные значения толщины стен для различных типов вагонов представлены в .

Общая длина вагона определяется по формуле

2L₀=2L_P+2а_а, (1.12)

где а_а – вылет автосцепки, т.е. расстояние от оси сцепления

до концевой балки.

Рекомендуемые значения вылета автосцепки приведены в .

При определении 2L₀, следует учитывать, что минимально возможная длина вагона по осям сцепления автосцепок, исходя из условий размещения ходовых частей, автосцепного и тормозного оборудования, а также устойчивости вагона от выжимания в кривых согласно расчётов при эксплуатации грузовых вагонов в поездах массой до 10-12 тыс.т должна быть для четырёхосных вагонов не менее 13,5 м.

База вагона может быть определена из выражения

, (1.13)

где - соотношение между длиной рамы и базой вагона, при котором горизонтальные смещения концов кузова наружу кривой и его середины в сторону центра последней при прохождении вагоном криволинейных участков пути приблизительно одинаковы.

Длина консольной части вагона

; (1.14)

Минимально допустимая длина консольной части вагона определяется геометрией ходовых частей и схемой их размещения под вагоном.

Для четырехосных вагонов:

; (1.15)

Для восьмиосных:

, (1.16)

где - база двухосной тележки;

- база четырёхосной тележки;

- номинальный диаметр колеса по гребню;

- зазор между гребнем наружного колеса и торцом концевой балки.

Последний показатель задается с учётом обеспечения беспрепятственного поворота тележек относительно кузова в кривой минимального радиуса 60 м и удобства замены поглощающего аппарата автосцепки без выкатки тележки (при предварительных расчётах можно принять равным 0,4 м).

Минимально допустимое значение базы вагона 2l_min определяется как удвоенная величина минимально допустимой консоли

(1.17)

При определении основных параметров целесообразно выполнять сравнительный анализ параметров проектируемого вагона и вагонов, эксплуатируемых на железных дорогах Республики Казахстан.

Линейные размеры вагонов, принятые или вычисленные по вышеприведённым формулам, уточняют путём вписывания вагона в заданный габарит подвижного состава.

Раздел 2. Проверка вписывания кузова проектируемого вагона в заданный габарит подвижного состава

Габаритом подвижного состава называется поперечное (перпендикулярное оси пути) очертание, в котором, не выходя наружу, должен помещаться установленный на прямом горизонтальном пути (при наиболее неблагоприятном положении в колее и отсутствии боковых наклонений на рессорах и динамических колебаний) как в порожнем, так и в нагруженном состоянии не только новый подвижной состав, но и подвижной состав, имеющий максимально нормируемые износы.

Государственным стандартом «Габариты приближения строения и подвижного состава железных дорог колеи 1520 (1524) мм» (ГОСТ 9238-83) установлено две группы габаритов подвижного состава: первая – для подвижного состава, предназначенного к обращению только по железным дорогам «Стран содружества и Балтии» и МНР колеи 1520 (1524) мм (габариты Т, Тц, Тпр и 1-Т); вторая - для подвижного состава, допускаемого к обращению как по железным дорогам колеи 1520 (1524) мм, так и по зарубежным железным дорогам колеи 1435 мм [габариты I –ВМ (0-Т), 0-ВМ (01-Т), 02-ВМ (02-Т) и 03-ВМ (03-Т)].