Введение

Для совершенствования и развития вагоностроения в России, в 1997-2000 гг. была разработана программа- «Разработка и производство в России грузового подвижного состава нового поколе­ния», це­лью которой является удовлетворение перспек­тивных потребностей в грузовом подвижном составе за счет модернизации существу­ющего и поставок подвижного состава нового поколе­ния, отличающегося высокой экономичностью, луч­шими потребительскими, эксплуатационными, эколо­гическими качествами и обеспечивающего конкурен­тность российского транспортного машиностроения и железнодорожных грузовых перево­зок на перспективу.

В соответствии с ней на железные дороги России к 2010 г. должно быть поставлено вагонов нового поколения 197,2 тыс. (по максимальному прогнозу объема перевозки грузов) или 176,7 тыс. (по мини­мальному прогнозу). Серийное производство грузо­вых вагонов нового поколения по заказам промышленных предприятий-грузоотправителей и операторских компаний начато на вагоностроитель­ных заводах в 2003 г. Конструк­тивно грузовые вагоны нового поколения будут собираться из унифицированных блоков, нормализован­ных и стандартных узлов и модулей, что позволяет строить многоцелевые вагоны на базе одной основной конструкции и дает возможность повышать уровень специализации и кооперирования производства не только в пределах отрасли вагоностроения, но и на вагоноремонтных предприятиях. Переход от проек­тирования отдельных специализированных вагонов к созданию семейства на базе основной конструкции позволяет создавать образцы вагонов с заданным уровнем надежности и долговечности, благодаря использованию отработанных и проверенных в эксп­луатации унифицированных элементов конструкции и заменить традиционные методы конструирования вагонов дополнением базового специальными уни­фицированными элементами. При этом повышается технологичность конструкции и уровень механизации и автоматизации производства, повышается ремон­топригодность вагонов и снижаются эксплуатацион­ные расходы потребителей. Сохраняются преиму­щества специализированных вагонов в сфере погрузочно-разгрузочных работ, резко снижаются потери перевозимых грузов при транспортировке. В резуль­тате снижения веса тары вагона, предназначенного для перевозки определенной группы грузов, повы­шается полезная нагрузка, а за счет более полного учета нагруженности повышается эксплуатационная надежность и сокращаются затраты на ремонт и текущее техническое содержание вагонов.

Разрабатываемые проекты универсальных вагонов нового поколения не привязываются к условиям завода производителя, что ранее приводило к разунификации конструкций однотипных вагонов и увеличению затрат на ремонт и техническое содержание. У полувагонов главным направлением совершенствования является удовлетворение требо­ваний грузоотправителей в части удобства погрузки и выгрузки грузов, их сохранности.

1 Описание конструкции вагона

Все вагоны независимо от назначения и конструкции состоят из элементов (узлов), общих для вагонов любого типа. К этим элементам относятся ходовые части, кузов, ударно-тяговые приборы и тормозное оборудование.

К ходовым частям относятся колесные пары, буксы и рессорное подвешивание. В современных вагонах ходовые части объединяются в самостоятельные узлы, называемые тележками. Кроме перечисленных элементов, тележки имеют раму, на которой крепятся детали рессорного подвешивания, тормозного оборудования и предохранительные скобы, а для передачи нагрузки от кузова на тележку – надрессорные балки с подпятниками и скользунами.

Ходовые части (тележки) являются наиболее ответственными узлами, которые должны обеспечивать безопасность движения вагона по рельсовому пути с необходимой плавностью хода (наименьшее динамическое воздействие на перевозимый груз и на элементы пути) и наименьшим сопротивлением движению.

Кузов вагона предназначен для размещения грузов. Конструкция кузова зависит от типа вагона. У многих вагонов основанием кузова является рама, состоящая в основном из продольных и поперечных балок, жестко соединенных между собой. На раме кузова размещаются ударно-тяговые приборы и часть тормозного оборудования. Рама кузова через пятники опирается на подпятники тележек, а у нетележечных вагонов – на упругие элементы рессорного подвешивания. Расстояние между центрами пятников называется базой вагона (у нетележечных вагонов это расстояние измеряется между осями крайних колесных пар).

Четырёхосный полувагон c глухим кузовом модели 12 –175 предназначен для перевозки грузов, не требующих укрытия и защиты от атмосферных осадков.

Основные параметры вагона:

- грузоподъемность, т – 69

- масса тары вагона, т – 25±0,5

- объём кузова м ³,– 88

- нагрузка:

статическая осевая, кН(тс) – 230(23,5)

погонная, кН/м(тс/м) – 70,14(7,18)

- скорость конструкционная, км/ч – 120

- база вагона, мм – 8650

- длина:

по осям сцепления автосцепок, мм – 13920

по концевым балкам рамы, мм – 12700

- ширина максимальная, мм – 3165

- высота от уровня верха головок рельсов:

до верхней обвязки, мм – 3780

до пола, мм – 1230

до оси автосцепки, мм – 1040-1080

- количество осей –4

- модель 2-осной тележки – 18-100

- внутренние размеры кузова, мм:

длина в свету по верхней обвязке - 12480

ширина в свету по верхней обвязке – 2965

высота - 2544

- габарит – 1-Т.

Ударно-тяговые приборы служат для сцепления вагонов между собой и с локомотивом, для восприятия, передачи и амортизации растягивающих (тяговых) и сжимающих усилий от локомотива и от одного вагона к другому. Современным ударно-тяговым прибором является автосцепное устройство, выполняющее все основные функции ударных (буфера) и тяговых (сцепки) приборов.

Тормоз предназначен для создания искусственного сопротивления движению поезда или отдельного вагона с целью регулирования скорости движения или остановки, а также для удержания на месте. Устройство тормозов изучается в курсе «Автоматические тормоза».

В настоящее время грузовые вагоны железных дорог России строят с тележками типа 18-100, которое имеют клиновые гасители колебаний.

Тележка модели 18-100, рассчитанная на конструкционную скорость движения 120 км/ч, состоит из двух колёсных пар с четырьмя буксовыми узлами , двух литых рам , надрессорной балки , двух комплектов центрального подвешивания с фрикционными гасителями колебаний и тормозной рычажной передачи.

Боковая рама отлита из низколегированной стали марок 20ФЛ или 20ГЛФ. Она имеет объединённые пояса и колонки, образующие в средней части проём для размещения комплекта центрального рессорного подвешивания, а по концам - буксовые проёмы. Шишки 3, отлитые с внутренней стороны на наклонном поясе, служат для подбора боковых рам (боковин) при сборке тележки, так как в зависимости от допускаемых отклонений при отливке и обмере боковин некоторые из шишек срубают. Если все шишки срублены, то рама имеет градацию № 0 с размером между наружными челюстями 2181 мм, при одной оставленной шишке это расстояние равно 2183 мм, а рама имеет градацию № 1, при №№ 2,3,4 и 5 указанное выше расстояние соответственно увеличивается по 2 мм.

Надрессорная балка литая из стали марок 20ФЛ или 20ГФЛ, имеющая полую конструкцию замкнутого поперечного сечения и форму, близкую к брусу равного сопротивления изгибу. Она отлита вместе с подпятником, служащим опорой кузова вагона, и опорами для скользунов. На каждом из двух опор скользунов размещаются перевёрнутые коробки 8 с регулировочными прокладками 9. Такая конструкция по сравнению с применяемой ранее (коробки отливались заодно с надрессор- рессорной балкой, а вкладыши скользуна укладывались в них, что в эксплуатации приводило к накоплению продуктов износа и недопустимое уменьшение зазоров между скользунами тележки и кузова вагона), обеспечивает самоудаление продуктов износа и постоянство отрегулированных зазоров между скользунами.

Рессорное подвешивание состоит из двух комплектов, каждый из которых имеет пять, шесть или семь двухрядных цилиндрических пружин и два фрикционных клиновых гасителя колебаний. Пять пружин устанавливают в тележки грузовых вагонов грузоподъёмностью до 50т, шесть - до 60т и 7 - более 60 т.

2 Выбор основных параметров вагона

Основными параметрами вагона являются: грузоподъемность Р, тара Т, осность m_o, объем кузова V, линейные размеры. Для сравнения вагонов между собой пользуются величинами, представляющими отношениями этих параметров: удельный площадь пола f_y, технический коэффициент тары к_т, осевая р_о и погонная q_п нагрузки.

Правильный выбор параметров обеспечивает наименьшие затраты на перевозку грузов. Так как вагоны имеют длительный срок службы, то вновь проектируемые конструкции должны удовлетворять не только современным, но и перспективным условиям эксплуатации.

Определение параметров грузовых вагонов следует вести в следующем порядке:

1. установить коэффициент тары;

2. определить грузоподъемность вагона;

3. установить оптимальный удельный объем кузова;

4. определить геометрический объем кузова;

5. найти линейные размеры вагона.

2.1 Расчет грузоподъемности вагона

Грузоподъемность вагона Р, или полезная нагрузка является основным параметром вагона, определяющим максимальную массу груза.

Одним из главных факторов, влияющих на грузоподъемность вагона, является допускаемая осевая нагрузка р_о. Возможная осевая нагрузка определяется на основе прочности пути, которая, в свою очередь, зависит от грузонапряженности железных дорог.

Исходя из мощности пути и экономичности его содержания, а также прочности подвижного состава в настоящее время для основных типов грузовых вагонов допускаемая осевая нагрузка составляет 24 тс.

Проводимая реконструкция пути, заключающаяся в установке более тяжелых типов рельсов (Р 65 и Р 75) с объемной закалкой, позволяет в перспективе увеличить вагонные осевые нагрузки до 25 тс и более.

На основании исходной осевой нагрузки и осности вагона, которые указаны в задании на курсовой проект, грузоподъемность разрабатываемой конструкции (нового) вагона рассчитывается по формуле:

Р = , (2.1)

где р_оm_о= Р_бр - масса брутто вагона, т;

р_о = 24 - заданная осевая нагрузка, тс;

m_o = 4 - количество колесных пар в вагоне;

к_т - технический коэффициент тары.

Ориентировочное значение технического коэффициента тары определяется исходя из параметров существующей (базовой) модели вагона:

к_т = , (2.2)

где Т_б = 25 – тара базовой модели вагона по заданию, т.;

Р_б = 69 – грузоподъемность этой модели, т.

к_т = =0,36

Р_бр = 24  4 = 96 тс.

Р = = 70,59 тс.

После определения грузоподъемности разрабатываемого вагона определяется его тара:

Т = Р_бр – Р , (2.3)

Т = 96 – 70,59=25,41 тс.

В целях создания рациональной конструкции необходимо стремиться к уменьшению тары вагона и увеличению его грузоподъемности. Пути снижения тары вагона за счет мероприятий, связанных в основном с применением наиболее прогрессивных материалов для несущей конструкции кузова и отдельных деталей, а также с некоторыми конструктивными изменениями:

- использование полой оси;

Если предполагается уменьшение тары на ∆Т, то можно увеличить на такое же значение грузоподъемность вагона, оставляя неизменной допускаемую осевую нагрузку и, следовательно, вес вагона брутто:

Р_бр=Р_н+Т_н=(Р+∆Т)+(Т -∆Т), (2.4)

где Т_н = Т - ∆Т– тара нового вагона;

Р_н = Р+∆Т– грузоподъемность нового вагона;

∆Т=4∙0,1=0,4 тс,

Т_н = 25,41-0,6068=24,8632 тс,

Р_н =70,59+0,6068= 71,1968 тс.

Определив окончательно скорректированную грузоподъемность и тару разрабатываемой конструкции вагона, можно найти значение технического коэффициента тары нового вагона:

, (2.5)

= 035

2.2 Определение линейных размеров вагона

Определив грузоподъемность вагона P_н, можно вычислить внутренний объем кузова V_Н :

V_н. = P_н ν_у.опт , (2.6)

где ν_у.опт = 1.17 м³/т –оптимальное значение удельного объема.

V_{н. полез.} = 71,19681.17=83,3 м³.

Внутренняя длина крытых вагонов, м:

, (2.7)

где F_К - площадь поперечного сечения кузова, заполненного грузом, м².

м²;

м

Уточним размер :

ребер жесткости; м

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

Для ориентировочных расчетов внутреннюю ширину кузова вагона можно принимать: для габарита Т – 3400 мм; Т_пр, Т_ц – 3200 мм; 1-Т и 1-ВМ – 3000 мм.

Наружная длина кузова, совпадающая у большинства конструкций с длиной рамы, определяется по формуле:

, (2.8)

где – толщина торцовой стенки корпуса

м,

м.

Общая длина вагона:

2L_о=2L_р+2а_а, (2.9)

где a_а– вылет автосцепки, т.е. расстояние от концевой балки рамы до оси сцепления автосцепок. Значение a_а принимаем равным 610 мм для всех типов четырехосных вагонов.

2L_о=10,5+20,61=11,72 м.

База вагона:

2l=2L_р / , (2.10)

где – коэффициент, определяемый соотношением между длиной рамы и базой расчетного двухосного вагона из условия равенства выносов его концевой и внутренней частей в габарит подвижного состава.

2l=21,06/ =14,894 м.

Длина консольной части вагона:

n_к=(2L_р –2l)/2. (2.11)

n_к=(21,06 – 14,94)/2=3,083м.

Из условия размещения автосцепного оборудования на раме четырехосного вагона длина консоли не должна быть менее 1500 мм.

3 Вписывание вагона в габарит подвижного состава

Одним из главных условий безопасности движения вагонов является предупреждение возможности их соприкосновения со стационарными сооружениями, расположенными вблизи железнодорожного пути, или с другим подвижным составом, находящимся на соседнем пути, поэтому стационарные сооружения должны располагаться на определенном расстоянии от железнодорожного пути, а подвижной состав иметь ограниченное поперечное очертание.

Таким образом, получаются два контура: контур, ограничивающий наименьшие допускаемые размеры приближения строений и путевых устройств к оси пути, - габарит приближения строений; контур, ограничивающий наибольшие допускаемые размеры поперечного сечения подвижного состава, - габарит подвижного состава. Второй контур располагается внутри первого и между ними имеется пространство. Пространство между габаритами приближения строений и подвижного состава обеспечивает безопасные смещения вагонов, возникающие при движении поездов и обусловленные возможными отклонениями в состоянии пути и динамическими колебаниями вагона.

Максимальные допускаемые горизонтальные строительные размеры вагона получают путем умножения размеров габарита подвижного состава на величину смещений, обусловленных зазорами, износами ходовых частей и прогибом рессорного подвешивания каждого типа вагона, а также выносом частей вагона при движении по кривым.