Технико-экономические параметры вагона

Наиболее важными параметрами, характеризующими эффектив­ность грузовых вагонов, являются грузоподъемность, масса тары, осность (число осей), объем кузова, площадь пола (для платформы) и ли­нейные размеры. Это так называемые абсолютные параметры. Для сравнения вагонов различных типов и конструкций используются соот­ношения этих параметров - относительные параметры. К ним отно­сятся коэффициенты тары, удельный объем кузова, удельная площадь пола, осевая и погонная нагрузки.

• Грузоподъемность - это наибольшая масса груза, допускаемая к перевозке в вагоне. Грузоподъемность определяет провозную способ­ность железных дорог. Поэтому стремятся создавать вагоны с макси­мально возможной грузоподъемностью, увеличивая габаритные разме­ры, повышая осевую и погонную нагрузки. Для существенного повыше­ния грузоподъемности увеличивают число осей в вагоне. Четырехосные грузовые вагоны строятся грузоподъемностью 68-71 т, а восьмиосные - 120-132 т.

• Осевая нагрузка — нагрузка от колесной пары на рельсы. Допус­каемая осевая нагрузка определяется конструкцией и прочностью верх­него строения пути и скоростью движения поездов. В настоящее время она ограничена величиной 230 кН (23,5 тс) для грузовых вагонов и 177 кН (18 тс) - для пассажирских. Ставится вопрос о дальнейшем по­вышении допускаемой осевой нагрузки для грузовых вагонов до 245 кН (25 тс) и более, что связано с необходимостью увеличения мощности пути по всей сети железных дорог.

. Погонная нагрузка - нагрузка от вагона на 1 м пути. Допускаемая погонная нагрузка определяется прочностью мостов и в настоящее вре­мя ограничена величиной 103 кН/м (10,5 тс/м). Четырехосные грузовые вагоны реализуют погонную нагрузку 65-72 кН/м, восьмиосные - 80-85 кН/м. Увеличение погонной нагрузки - наиболее эффективный путь повышения грузоподъемности вагона.

. Масса тары - собственная масса порожнего вагона. Сумма грузо­подъемности и массы тары дает массу вагона брутто. Конструкция ваго­на должна иметь минимальную массу и необходимую прочность. Поэто­му снижение массы тары - важнейшая задача вагоностроения. Ее ре­шение позволяет уменьшить эксплуатационные затраты, связанные с передвижением тары вагонов, снизить расход материалов на изготовле­ние вагонов и повысить грузоподъемность вагона в пределах допускае­мой осевой нагрузки.

Снижения массы тары при одновременном повышении грузоподъем­ности и надежности вагонов достигается:

✓ путем уменьшения динамических сил, действующих на вагон, за счет совершенствования ходовых частей и автосцепного устройства;

✓ выбором целесообразных конструктивных форм нагонов и их эле­ментов;

✓ применением более прогрессивных материалов для элементов вагонов (низколегированных сталей, сталей повышенной прочности и коррозийной стойкости, высокопрочных алюминиевых сплавов и пластмасс);

✓ совершенствованием технологии изготовления и ремонта вагонов; совершенствованием методов расчета и испытаний нагонов.

• Эффективность снижения массы грузового вагона оценивается техническим коэффициентом тары Кт.

Этот коэффициент характеризует качество конструкции вагона: чем меньше Кт, тем меньше собственной массы вагона приходится на каж­дую тонну транспортируемого груза, а следовательно, меньше затраты на перевозку самого вагона и вагон экономически выгоднее. Поэтому при проектировании новых вагонов необходимо стремиться к снижению Кт. Для пассажирских вагонов коэффициент тары определяется как отношение массы тары к населенности вагона.

• Удельный объем кузова вагона представляет собой отношение полного объема кузова к его грузоподъемности. Для платформ опреде­ляется удельная площадь как отношение площади пола к грузоподъ­емности. От величин удельных объемов и удельных площадей зависит использование объема и грузоподъемности вагона, а следовательно, себестоимость перевозок и приведенные затраты народного хозяйства.

• Пассажирские и грузовые вагоны характеризуются также линейными размерами (длиной, шириной, высотой и базой). Общая длина вагона определяется расстоянием между осями сцепленных автосцепок. Длина рамы вагона - расстояние между торцами концевых балок рамы, база вагона - расстояние между центрами пятников кузова. Длина, ширина и высота кузова определяются заданной вместимостью и габаритом подвижного состава. Для достижения возможно большей погонной нагрузки ширину и высоту кузова обычно принимают максимальными для заданного габарита подвижного состава.

• Выбранный тип вагона должен обеспечивать выполнение перевозок с наименьшими эксплуатационными расходами при соблюдении уста­новленных правил безопасности движения.

В подраздел 8.2. «Определение технико-экономических параметров вагона» необходимо произвести расчеты технико-экономических параметров для заданного типа вагона по нижеприведенной методике. Производимые расчеты надо дополнить пояснениями о принятых решениях по изменению величин номинальной нагрузки и удельного объема.

Первостепенное значение для вагоностроения имеет проблема снижения тары вагонов, так как ее решение позволяет снизить затраты материалов, сократить расходы в эксплуатации на перевозку тары и повысить их грузоподъемность в пределах допускаемой нагрузки от колесной пары на рельсы. Эффективность снижения тары характеризуют коэффициентом тары - отношением веса тары вагона к грузоподъемности.

Техническим коэффициентом тары грузового вагона называется от­ношение его тары к номинальной грузоподъемности:

Кт=

где К_Т - технический коэффициент тары; T- тара вагона, т; Qn - номинальная грузоподъемность, т.

Учитывая, что технический коэффициент тары недостаточно полно раскрывает эксплуатационные качества вагона, вводят дополнительные коэффициенты.

Погрузочный коэффициент тары, учитывающий использование грузо­подъемности вагона, определяют по формуле

Кп=

где Кп ~ погрузочный коэффициент тары; - коэффициент использования грузоподъемности; Qn.гр – фактическая грузоподъемность вагона, т.

Коэффициент использования грузоподъемности определяется:

Эксплуатационный коэффициент тары К_Э, учитывающий пробег вагона в груженом и порожнем состоянии, выражается формулой

Кэ=

где β - показатель порожнего пробега вагона (отношение порожнего пробега вагонов данного типа к их груженому пробегу в долях; Рд_с- средняя

динамическая нагрузка груженого вагона, тс.

В наибольшей степени эффективность вагона характеризуется эксплуатационным коэффициентом тары и в наименьшей - техническим.

Снижение технического коэффициента тары достигается путем уменьшения тары. Для уменьшения погрузочного коэффициента тары требуется дополнительное повышение использования грузоподъемности, а для снижения эксплуатационного - сокращение порожнего пробега путем повышения универсальности. Если обеспечиваются полное использование грузоподъемности и ликвидация порожнего пробега, то Кт=Кп=Кэ. Однако для универсальных вагонов этого достичь не удается.

Желательно, чтобы все коэффициенты тары при прочих равных условиях имели минимальное значение и разница в их величине была возможно меньшей.

Величина коэффициентов тары зависит от удельного объема и удельной площади.

Удельным объемом называют отношение объема кузова к его номинальной грузоподъемности

Vy=

где V_y - удельный объем, м³/т; V - полный или геометрический объем кузова, м³, Qn - номинальная грузоподъемность вагона, т.

Кроме полного объема, различают погрузочный объем кузова

Vп=V·φ

где Vп - погрузочный объем кузова, ; φ - коэффициент использования геометрического объема кузова.

У крытых и изотермических вагонов φ < 1, у цистерн часто φ = 1 и у полувагонов при загрузке с «шапкой» φ > 1. С учетом этого удельный объем определяется

Vy=

Удельной площадью платформы называется отношение полной площади пола к его грузоподъемности:

Fy=

где F_y- удельная площадь пола, м²; F- полная площадь пола, м²; h - высота погрузки, м.

Для сыпучих грузов высота погрузки определяется высотой бортов и углов естественного откоса груза с учетом его уменьшения во время движения, а для остальных грузов - очертаниями верхних линий габари­тов подвижного состава.

Оптимальные значения удельного объема и удельной площади пола определяется структурой перевозочного процесса для каждого типа ва­гонов. Зависимость между коэффициентом использования грузоподъ­емности и удельным объемом или удельной площадью приведена на рис. 3.

Рис. 3. Графики зависи­мости коэффициента ис­пользования грузоподъем­ности вагона X от удель­ного объема и удельной площади для грузовых ва­гонов: а - крытых; б - по­лувагонов; в - изотерми­ческих; г - платформ; д - цистерн

При проектировании вагона стремятся к максимальной его грузоподъемности в пределах допустимой нагрузки от колесной пары на рельсы и погонной нагрузке. Максимальное значение номинальной гру­зоподъемности вагона не должно превосходить следующей величины:

Qn=

где n - количество осей в вагоне; q - допускаемая осевая нагрузка, кН.

В ходе проектирования необходимо определить максимальную гру­зоподъемность вагона с учетом осевой нагрузки установленной для же­лезных дорог России и возможность увеличения удельного объема или удельной площади пола по графику зависимости коэффициента исполь­зования грузоподъемности.

Экономичность вагона в значительной степени зависит от совершен­ства его конструкции, обеспечивающей наименьшую стоимость изготов­ления, удобство погрузки и выгрузки, сохранности грузов при перевоз­ках, минимальные расходы на содержание и ремонт вагонов в процессе их эксплуатации.

Основными линейными размерами вагона, определяющими его вме­стимость, являются длина, ширина и высота. При этом соотношение между линейными размерами кузова должны быть такими, чтобы обес­печивались свободная погрузка и выгрузка вагона, наиболее рацио­нальное размещение перевозимого груза, наименьший коэффициент тары, наименьшее сопротивление движению, прочность и устойчивость вагона.

По установленной номинальной грузоподъемности и уточненному удельному объему или удельной площади пола определяют геометри­ческий объём кузова (для цистерн объем котла, а для платформ - пло­щадь пола) по формулам:

V = Qn-V_y; F = Qn-Fy

Увеличение объема кузова достигается изменением его высоты, ширины или длины. Высота кузова ограничена возможностями габарита подвижного состава. Удлинение кузова ведет к уменьшению ширины кузова по условиям вписывания в тот же габарит. Кроме того, длина вагонов, предназначенных для перевозки массовых видов грузов, выбирается с учетом существующих сортаментов длинномерных грузов, условий размещения контейнеров и размеров погрузо-разгрузочных механизмов.

В выполняемом проекте увеличение объема кузова будет достигаться изменением ширины кузова.

9) Расчёт сопротивления движению вагона на руководящем подъёме 9‰

При движении поезда по руководящему подъёму вагон оказывает сопротивление движению, состоящему из основного w^//_o и w^//_доп (от подъёма i)

Под основным сопротивлением понимают сопротивление, которое оказывается движению поезда всегда, независимо от того, где движется поезд: по площадке, спуску или подъёму. Оно суммируется из следующих сопротивлений:

- воздушной среды;

- трения в буксах;

- качения колёс по рельсам;

- проскальзывания колёс по рельсам из-за возможной разницы в диаметрах колёс;

- рельсовых стыков.

Удельная сила – это часть полной силы, приходящаяся на 1 кН веса (локомотива, вагона, состава). Её размерность Н/кН. Удельные силы основного сопротивления движению для локомотивов и вагонов w^/_o и w^//_o определяют по эмпирическим формулам, полученным опытным путём. Удельные силы зависят от скорости движения, типа подшипников букс, а также от загрузки вагонов и числа осей. Формулы по определению основного удельного сопротивления вагонов имеют вид:

Четырёхосные вагоны на подшипниках скольжения

w^//_o4ck= ;

четырёхосные вагоны на подшипниках качения (на роликовых):

w^//_o4kач = ;

шестиосные вагоны:

w^//_o6kач = ;

восьмиосные вагоны:

w^//_o8kач = ;

где , , - масса, приходящаяся на одну колёсную пару соответственно 4-,6-,8-осного вагонов, т/ось.

Данные по грузоподъёмности, массе тары, осности для заданного типа вагона взять из технических характеристик (см. приложение).

Под дополнительным сопротивлением понимают сопротивление, которое оказывается движению поезда по подъёму, кривым, а также при ненормальных метеорологических условиях.

Удельное сопротивление от подъёма численно равно крутизне подъёма, выраженной в числе тысячных (‰). Одна тысячная подъёма (1‰) означает, что через каждую тысячу метров поезд поднимается относительно предыдущей отметки на 1 м. А величина уклона i есть тангенс угла ἀ наклон прямой (плоскости) над горизонталью. Таким образом на руководящем уклоне равном i = 9‰ на вагон будет действовать дополнительная удельная сила w^//_доп= 9Н/кН (на каждый килоньютон веса вагона 9Н силы сопротивления)

Студент должен определить сопротивление движению заданного вагона при скорости движения V=25 км/ч (расчётная скорость тепловозов) или V=45км/ч (расчётная скорость электровозов) по выбору для полностью загруженного (с расчётной грузоподъёмностью) и порожнего вагона (вес только тары)

Пример: Четырёхосный вагон-хоппер на подшипниках качения. Грузоподъёмность 70,5 т, масса тары 23 т. Уклон i=10‰(рис.4). Удельное основное сопротивление порожнего вагона:

w^//_o4пор= =1,9 Н/кН;

груженого вагона:

w^//_o4гр= =0,9 Н/кН;

Полное сопротивление вагона на расчётном подъёме порожнего вагона:

w^//_{o пор}= w^//_{o п} ∙ Q_{в пор} ∙q+ w_доп∙Q_{в пор}∙q=1,9∙23∙9,8+9∙23∙9,8=2456 кН,

где q=9,8 м/с² –ускорение свободного падения

груженого: w^//_{o гр} =0,9∙93,5∙9,8+9∙9,5∙9,8=9070 Н

Рис.4 К определению дополнительного сопротивления движению w^//_доп

(w^//_доп = )

10) Определение передаточного числа тягового редуктора.

Вращающий момент от двигателя к колесной паре у грузовых и маневровых тепловозов передается тяговым редуктором, состоящим из шестерни, насаженной на вал электродвигателя, и зубчатого колеса, напрессованного на ось колесной пары. У электровозов (за некоторым исключением) тяговый момент передаётся на ось двумя параллельными потоками через косозубые зубчатые передачи.

Студенту следует привести схему передачи вращающего момента от двигателя к колесной паре, обозначив силы и моменты, как показано на рис. 5.

При вращении вала двигателя, зубья шестерни будут действовать на зубья зубчатого колеса с силой P_з , равной моменту двигателя, деленного на радиус шестерни r_ш, т. е.

.

В свою очередь момент, передаваемый колесной паре, M_к будет равен произведению силы P_з на радиус зубчатого колеса
(плечо силы P_з)

.

Выражая P_з через M_д и с учетом КПД зубчатой передачи, получим:

.

где ƞ_зп=0,97 -0,99 – КПД зубчатой передачи

Отношение r_зк/r_ш называют передаточным числом редуктора i_ред.

,

где z_зк , z_ш — число зубьев соответственно зубчатого колеса и
шестерни;

w_д , w_к — угловая скорость соответственно вала двигателя и
колесной пары, рад/с;

Передаточное число редуктора можно рассчитать как отношение максимально допустимой угловой скорости вала двигателя к угловой скорости колесной пары при конструкционной скорости локомотива.

,

где w_{к max} — угловая скорость колесной пары при конструкционной скорости тепловоза.

.

w_{g max} - угловая скорость вала двигателя при максимально допустимой частоте вращения

Угловая скорость w рад/с, связана с частотой вращения n, 1/с, соотношением:

При максимально допустимых частотах вращения якорей двигателей

n_max = 37-38 1/c,

Скорость тепловоза v в км/ч связана с частотой вращения колесных пар n_к соотношением:

,

где Д_к — диаметр колеса. Для тепловозов ТЭП70 и 2ТЭ70 Д_к = 1,22 м,
для остальных Д_к = 1,05 м. Для всех электровозов Д_к=1,25 м.

n_к — частота вращения колесной пары, с^-1.

Откуда частота вращения колесных пар при конструкционной скорости

.

Тогда .

Передаточное число i_ред (если принять w_{д max} = 233 рад/с, v_констр = 100 км/ч, Д_к = 1,05 м) равно

11) Расчёт и построение тяговой характеристики локомотива

Тяговая характеристика (графическая зависимость силы тяги от скорости движения) имеет два участка: ограничение силы тяги по мощности, приходящейся на тяговые электродвигатели, и ограничение силы тяги по сцеплению.

Для тепловоза, располагающего дизелем с ограниченной постоянной мощностью зависимость силы тяги от скорости определяется из выражения

, кВт=const

Касательная мощность, которую студент определил ранее для длительного (продолжительного) режима при движении тепловоза с расчётной скоростью будет оставаться постоянной и при скоростях выше расчётной вплоть до конструкционной. Задаваясь последовательно значениями скоростей V равными 20,40,60,80,100 и т.д. получим значения силы тяги F_k при этих скоростях из выражения

, кН.

По полученным данным построить зависимость F_k=f(v) – (кривая рис.6). Этот участок имеет вид гиперболы.

Для построения участка характеристики, ограничивающего силу тяги по сцеплению нужно воспользоваться зависимостью

F_кmax = F_сц= P_сц ∙φ

Максимальное значение силы тяги F_к ограничивается силой сцепления колес с рельсами F_сц.

,

где P_сц — сцепной вес тепловоза (вес, передаваемый от движущихся
колес на рельсы), кН;

;

2П — масса локомотива, приходящаяся на одну движущуюся ось, т;

m — число движущихся осей;

— расчетный коэффициент сцепления.

Значения сцепного веса в кН или сцепной массы в т приведены в технических характеристиках заданного локомотива. Там же могут быть указаны значения нагрузки от колёсной пары на рельсы.

Правилами тяговых расчетов для поездной работы установлена следующая эмпирическая формула для определения :

,

где v — скорость движения, км/ч.

Величину F_сц вычисляют для нескольких значений скорости (0, 10, 20, 30, 40 км/ч).

Результаты расчетов свести в таблицу.

По точкам F_сц, v нанести на тяговую характеристику (см. рис. 6) кривую 1 ограничения силы тяги по сцеплению.