Обоснование применения высокопрочной стали в конструкции кузова универсального полувагона для улучшения его прочности и грузоподъемности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Попеску Роман Витальевич

• Попеску Роман Витальевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Попеску Роман Витальевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Совершенствование конструкции кузова полувагона

1.1.1 История развития конструкций полувагонов

1.1.2 Современные российские полувагоны и их характеристики

1.1.3 Зарубежный опыт

1.2 Методы расчета несущих конструкций вагонов

1.2.1 Методы расчета на прочность и сопротивление усталости

1.2.2 Особенности конечно-элементных моделей кузовов полувагонов

1.2.3 Подтверждение прочности и сопротивления усталости результатами испытаний

1.3 Материалы, применяемые в несущих вагонных конструкциях

1.3.1 Применение конструкционных сталей

1.3.2 Применение алюминиевых сплавов

1.3.3 Применение композиционных материалов

1.4 Постановка цели и задач исследования

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ НЕСУЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ И СИЛОВЫХ УЗЛОВ ПОЛУВАГОНА

2.1 Модель влияния массы отдельных узлов на массу несущей конструкции кузова универсального полувагона

2.2 Конечно-элементная модель для расчета прочности, устойчивости сжатых конструкций и сопротивления усталости кузова универсального полувагона

2.3 Разработка конечно-элементной модели макета узла заделки стойки боковой стены

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ И СИЛОВЫХ УЗЛОВ ПОЛУВАГОНА

3.1 Оценка влияния предела текучести стали на массу несущей конструкции

3.1.1 По критерию прочности и жесткости для балки на двух шарнирных опорах, работающей на изгиб

3.1.2 По критерию жесткости для балки на двух шарнирных опорах, работающей на изгиб

3.1.3 По критерию устойчивости сжатой конструкции стержня

3.2 Обоснование марки стали для снижения массы тары полувагона

3.3 Оценка прочности несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали

3.4 Оценка жесткости несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали

3.5 Оценка устойчивости несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали

3.6 Оценка возможности возникновения резонанса

3.7 Оценка сопротивления усталости несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали

3.8 Оценка сопротивления усталости силовых узлов полувагона

3.9 Выводы по главе

ГЛАВА 4. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ НЕСУЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ И СИЛОВЫХ УЗЛОВ ПОЛУВАГОНА С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ

4.1 Статические испытания на прочность несущей конструкции полувагона

4.2 Испытания несущей конструкции полувагона на прочность при соударении

4.3 Ходовые прочностные испытания несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали

4.4 Форсированные ресурсные испытания силовых узлов полувагона

4.5 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список использованных источников

Приложение А. Напряженно-деформированное состояние кузова полувагона с применением высокопрочной стали

Приложение Б. Результаты расчета прочности несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали

Приложение В. Значения статических напряжений для расчета на сопротивление усталости несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали

Приложение Г. Результаты статических испытаний на прочность несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали

Приложение Д. Результаты испытаний несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали на прочность при соударении

Приложение Е. Результаты ходовых прочностных испытаний несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали

Приложение Ж. Напряжения (главные) от действия максимальной статической нагрузки при оценке статической прочности макетных образцов узла заделки стойки

Приложение З. Динамические напряжения в конструкции макетных образцов узла заделки стойки при запуске испытаний

Приложение И. Акт внедрения результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Эффективность работы грузового железнодорожного транспорта напрямую зависит от грузоподъемности вагонов.

Выполненный анализ параметров отечественных универсальных полувагонов показал, что последние 20 лет флагманские модели ведущих производителей выпускаются с грузоподъемностью не более 75 т без дальнейшего увеличения, что позволяет говорить об определенной стагнации в части повышения данного параметра.

Основные способы повышения грузоподъёмности заключаются в увеличении осевой нагрузки и снижении массы тары. В части повышения осевой нагрузки на сегодняшний день существует ограничение инфраструктуры - допускается нагрузка не выше 25 тс. Таким образом, для повышения грузоподъемности необходимо снижать массу тары вагона.

Снижение массы тары может быть достигнуто применением рациональных конструкторских решений, оптимальным выбором материалов, совершенствованием технологии изготовления и ремонта, применением при проектировании более совершенных методов расчета и испытаний с понижением коэффициентов запаса. На сегодняшней день наиболее перспективным из перечисленных способов является применение новых высокопрочных сталей, использование которых в качестве конструкционного материала имеет ряд преимуществ: более низкая стоимость в сравнении с алюминиевыми сплавами, лучшие показатели сопротивления усталости, преемственность технологий изготовления и ремонта при переходе от конструкций из низколегированных сталей. Перечисленные достоинства позволяют сделать вывод, что на сегодняшний день задача создания полувагонов с применением высокопрочных сталей является актуальной для повышения их грузоподъёмности.

Объект исследования: влияние конструкторских решений и материалов, применяемых в несущей конструкции кузова полувагона, на его массу.

Предмет исследования: прочность и сопротивление усталости несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали и его узлов.

Цель работы: научное обоснование технических решений по совершенствованию конструкции кузова универсального полувагона для повышения его грузоподъемности за счет снижения массы в пределах действующих нормативов прочности и существующих ограничений инфраструктуры «пространства 1520».

Для достижение поставленной цели в рамках научного исследования были поставлены и решены следующие задачи:

1. Предложена модель влияния массы отдельных узлов на массу несущей конструкции универсального полувагона, выбрано целевое снижение массы полувагона на 2 т.

2. Разработана уточненная конечно-элементная модель кузова универсального полувагона для оценки прочности, жесткости, устойчивости сжатых конструкций и сопротивления усталости.

3. Обобщены многочисленные результаты ресурсных испытаний узла заделки стойки боковой стены с построением кривых выносливости, примененные в разработанной расчетно-экспериментальной модели для оценки ее прочности и сопротивления усталости.

4. Выполнена оценка влияния предела текучести стали на массу несущей конструкции по критериям прочности и жесткости, а также по критерию устойчивости сжатой конструкции стержня, для балки на двух шарнирных опорах, работающей на изгиб, имитирующей работу продольных балок рамы кузова, определены перспективы снижения массы при применении высокопрочной стали.

5. Произведена оценка прочности, жесткости, устойчивости сжатых конструкций и сопротивления усталости несущей конструкции кузова полувагона с применением высокопрочной стали с пределом текучести 420 МПа.

6. С использованием расчетно-экспериментальной методики выполнена оценка прочности и сопротивления усталости макета узла заделки стойки, имеющей пониженную высоту.

7. Реализован комплекс натурных испытаний полувагона и макетного образца узла заделки стойки с применением высокопрочной стали, позволивший сделать выводы о достоверности разработанных моделей.

Методы исследований. Для решения указанных задач были использованы методы сопротивления материалов и строительной механики, теории упругости, теории колебаний. Численное моделирование осуществлялось с помощью метода конечных элементов. Метод эксперимента использовался при проведении натурных испытаний, по результатам которых выполнялась верификация разработанных математических моделей, а также оценивалась точность результатов, полученных при исследованиях численными методами

Научная новизна работы

1. Разработана уточненная конечно-элементная модель для расчета ресурса макета узла заделки стойки полувагона по критерию сопротивления усталости, дополненная собранными по результатам экспериментов данными о пределе выносливости, позволяющая сократить объем исследований и испытаний.

2. Установлены зависимости массы работающих на изгиб балок, имитирующих работу хребтовой балки, боковых балок и верхней обвязки, по критериям прочности, жесткости, отсутствия резонанса изгибных колебаний и устойчивости сжатых конструкций от предела текучести материала.

3. Обоснована конструкция полувагона с применением типовых сталей и высокопрочной стали в обшивке кузова, элементах торцевых стен, а также концевых и промежуточных балках рамы, позволившая поднять его грузоподъемность на 2 т и увеличить объем на 2 м3 в типовом габарите при осевой нагрузке 25 тс.

Практическая значимость работы

1. Научно доказана и технически подтверждена возможность повышения грузоподъемности полувагона на 2 т за счет применения высокопрочной стали в отдельных несущих узлах.

2. Разработанные конечно-элементные модели полувагона и макета узла заделки стойки его боковой стены позволяют оценивать их прочность и сопротивление усталости с точностью близкой к результатам эксперимента.

3. Полученные аналитические зависимости прочности, жесткости и устойчивости сжатых конструкций от предела текучести материала позволяют производить предварительную оценку влияния свойств материала на массу конструкции отдельных элементов.

4. Результаты использованы при создании полувагона модели 12-6744, отличающегося применением стали с пределом текучести 420 МПа в обшивке кузова, в элементах боковых и торцевых стен, а также концевых и промежуточных балках рамы.

Положения, выносимые на защиту

1. Обоснованное применение высокопрочной стали в конструкции кузова полувагона с осевой нагрузкой 25 тс, обеспечивающее снижение массы тары и повышение грузоподъемности вагона на 2 т.

2. Расчетно-экспериментальная методика для оценки сопротивления усталости узла заделки стойки боковой стены полувагона, совмещающая расчет действующих напряжений с применением разработанной конечно-элементной модели, отличающейся уточненным описанием сварных швов пространственными объемными квадратичными конечными элементами и линейным контактным взаимодействием, с кривой выносливости сварных соединений, основанной на обобщении результатов множественных экспериментов, позволившая оценить прочность и ресурс элемента конструкции полувагона.

Достоверность результатов исследования обусловлена использованием известных методов сопротивления материалов и строительной механики, теории упругости, теории колебаний, а также сходимостью результатов расчётов с результатами натурных испытаний: расхождение результатов расчетов с результатами статических испытаний на прочность несущей конструкции полувагона, а также с испытаниями несущей конструкции полувагона на прочность при соударении не превышает 15 %, с результатами форсированных ресурсных испытаний макетных образцов узла заделки стойки - 25 %.

Реализация результатов работы

Результаты работы использованы при создании универсального полувагона модели 12-6744 производства АО «ТВСЗ», имеющего грузоподъемность на 2 т выше флагманских полувагонов с осевой нагрузкой 25 тс.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование применения высокопрочной стали в конструкции кузова универсального полувагона для улучшения его прочности и грузоподъемности»

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (г. Санкт-Петербург, ФГБОУ ВО ПГУПС, 2022 - 2024 гг.), а также на заседаниях научно-технического совета ООО «Всесоюзный научно-исследовательский центр транспортных технологий» (ООО «ВНИЦТТ») (г. Санкт-Петербург, 2022 - 2025 гг.).

Публикации

Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 6 печатных работах, из них 3 в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ.

Личный вклад соискателя

1. Аналитические и конечно-элементные модели полувагона и его узлов, а именно: модель влияния массы узлов несущей конструкции кузова на массу тары полувагона, конечно-элементная модель кузова полувагона, отличающаяся уточненными кинематическими и силовыми граничными условиями, конечно-элементная модель макета узла заделки стойки боковой стены полувагона, отличающаяся детализированным описанием сварных швов, а также учитывающая условие линейного контактного взаимодействия для описания работы сварных соединений, разработаны лично автором.

2. Расчет прочности несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали, оценка жёсткости несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали, оценка устойчивости рамы полувагона с применением высокопрочной стали при действии сжимающей силы, модальный анализ несущей конструкции полувагона и оценка сопротивления усталости несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали, оценка сопротивления усталости узла заделки стойки согласно усовершенствованной методике, исследование влияния предела текучести стали на массу конструкции по критериям прочности и жесткости для балки на двух шарнирных опорах, работающей на изгиб, а также по критерию устойчивости сжатой конструкции балки, выполнены лично автором.

- В части подготовки, проведения и обработки результатов натурных испытаний опытного образца полувагона с применением высокопрочной стали, а также макетных образцов узла заделки стойки личный вклад автора заключается в определении зон расстановки

тензорезисторов по результатам конечно-элементных расчетов исследуемых конструкций в методиках испытаний; непосредственном участии в проведении испытаний; обработке и анализе результатов.

Структура и объем работы

Работа изложена на 199 листах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 104 источников, 34 таблиц, 72 рисунков и 55 листов приложений.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

В главе приведена ретроспектива развития конструкций полувагонов. Произведен анализ изменения грузоподъемности и технического коэффициента тары отечественных и зарубежных полувагонов. Выполнен обзор исследований, направленных на совершенствование несущей конструкции полувагонов, рассмотрены методы расчета на прочность. Произведен обзор конструкционных материалов, традиционно применяемых в вагоностроение, а также выполнен анализ новых материалов, применение которых может снизить массу тары полувагона. Сформулированы основная цель и задачи диссертационной работы, а также выбраны методы исследования.

Отдельные положения первой главы опубликованы в работах [1, 2, 3, 4, 5].

1.1 Совершенствование конструкции кузова полувагона

1.1.1 История развития конструкций полувагонов

Необходимость транспортировки сыпучих грузов, главным образом угля, обусловила строительство первых вагонов открытого типа - полувагонов.

Первые полувагоны (60-е годы XIX века) [7, 8] имели деревянную раму с боковыми стоиками, опирающимися на буферные брусья или кронштейны, боковые стены, двери, открывающиеся наружу для удобства загрузки тачками. Позже в конструкцию добавили верхние обвязочные брусья. Грузоподъемность первых полувагонов составляла 8,5-10 тонн, объем кузова 8-10 м3, масса тары 4,5-5,2 тонны.

В период 1900 по 1902 годы большое количество полувагонов для перевозки угля было построено на Усть-Катавском заводе. Конструкция этих полувагонов отличалась боковыми балками рамы трубчатого сечения, что обеспечивало сопротивление деформациям изгиба и кручения. Балки усиливались шпренгелями. Боковые стены - деревянные, оборудованные двумя дверьми. Грузоподъемность таких полувагонов составляла 30 т, объем кузова 36 м3, тара - 12 т.

Динамика изменения грузоподъемности полувагонов в довоенный период приведена на рисунке 1.1.

60

50

40

5 30

£ 20

10

1860

замена двухосных конструкции на тележечные четырехосные

линия тренда

9 •

1870 1880 1890 1900 1910 1920 Год начала постройки

1930

1940

Рисунок 1.1 - Динамика изменения грузоподъемности полувагонов, построенных в период

1860-1940 гг.

С 1906 года было запущено производство четырехосных полувагонов с металлическим кузовом. Продольные балки рамы кузова были цельноштампованными и имели форму бруса равного сопротивления изгибу, благодаря чему обеспечивалась необходимая прочность при минимальной массе. Каждая боковая стена оборудовалась двумя дверьми. Объем кузова составлял 50 м3, грузоподъемность первоначально составляла 37,5 т, однако в связи с острой нехваткой вагонов для перевозки угля она была повышена до 50 т без усиления каких-либо частей вагона. При этом коэффициент тары снизился с 0,43 до 0,33.

С началом первой мировой войны, вагоностроительная промышленность, занятая военными заказами, не могла удовлетворить потребность в вагонах. Было принято решения закупить вагоны в США и Канаде. Были получены четырёхосный полувагон со стальным каркасом и деревянной обшивкой, а также полувагон с цельнометаллическим кузовом. Вагоны были оборудованы закрываемыми крышками люков в полу для выгрузки сыпучих грузов, а также торцевыми дверями, отводимыми внутрь кузова. Грузоподъемность вагонов составляла 50 т, тара 20,0 - 21,5 т.

С 1928 года полувагоны, выпускаемые на заводе «Красное Сормово», Крюковском, Днепродзержинском и Уральском вагоностроительных заводах отличались следующими конструктивными особенностями. Боковая стена, каркас которой представлял раскосностоечную ферму, оборудовалась по центру дверью (в последствии от применения дверей в боковых стенах отказались, на эксплуатируемых вагонах они были заварены). Торцевые стены имели угловые стойки на которых была закреплена торцевая дверь, открывающаяся внутрь вагона. Обшивка дверей - деревянная, толщиной 40 мм. Боковые стены также были обшиты досками толщиной 40

0

мм в нижней половине кузова и 35 мм - в верхней. Пол состоял из 14 крышек люков, изготовленных из листа толщиной 6 мм, усиленных ребрами жесткости. Впоследствии жесткость крышек обеспечивалась выштамповкой гофров. Крышки шарнирно соединялись с хребтовой балкой. Рама кузова - сварная, состояла из хребтовой, двух буферных, двух шкворневых и четырех промежуточных балок. Хребтовая балка изготавливалась из двух вертикальных металлических листов сечением 290 х 10 мм, армированных снизу угольниками 130x 90 x 12 мм и перекрытых сверху изогнутой накладкой толщиной 8 мм и тавром 75 х 75 х 8 мм. Было выявлено, что такая конструкция является недостаточно прочной, поэтому впоследствии ее выполняли из полученных прокаткой профилей: двух зетовых и одного двутаврового, расположенного над ними. Грузоподъемность вагона составляла 60 т, тара 22,0 - 22,6 т.

Динамика изменения коэффициента тары полувагонов в довоенный период приведена на рисунке 1.2.

0,500

0,480

.о

<Е 0,460

I—

5 0,440 -е- 0,420

-е-

т

§ 0,400

| 0,380 и си

| 0,360 х

ш 0,340 I- '

0,320

1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940

Год начала постройки

Рисунок 1.2 - Динамика изменения коэффициента тары полувагонов, построенных в период

1860-1940 гг.

Конструкция полувагонов постепенно менялась и совершенствовалась: были исключены двери в боковых стенах, менялась конфигурация балок рамы, каркаса кузова, крышек люков и других элементов. Существенным недостатком являлась деревянная обшивка стен, часто повреждаемая, а также способная загореться при погрузке в вагон не до конца остывшего кокса. В связи этим в 1949-1950 Крюковским заводом была выпущена крупная партия полувагонов с цельнометаллическим кузовом. Обшивка стен была выполнена из листов толщиной 5 мм, Необходимая жесткости обшивка боковых стен достигалась благодаря корытообразной выштамповке листов, обшивка торцевых стен имела гофры.

замена двухосных конструкции на тележечные четырехосные

•

\

•

, в _ш_

..... .....« I- • линия тренда

........... /

•

Совершенствование конструкции четырехосных полувагонов активно занимался Уральский завод. В 60-х годах был освоен выпуск полувагонов грузоподъемностью 63 тс увеличенным объемом кузова. При этом была усилена рама, увеличен момент сопротивления стоек боковых стен, повышена более чем вдвое прочность верхнего пояса, усилена торцевая дверь, был освоен выпуск усиленных крышек разгрузочных люков. Была проведена работа по выявлению основных причин повреждения шкворневого узла, в результате которой был осуществлён комплекс мероприятий по его усилению: внедрена шкворневая балка коробчатого сечения вместо двутаврового, изменена конструкция надпятниковой отливки, изменена конструкция соединительных косынок и т.д. Выполненные испытания показали, что проведенный комплекс мероприятий улучшил конструкцию узла с точки зрения прочности, однако масса вагона возросла на 280 кг. Таким образом работы по совершенствованию конструкции продолжались, рассматривались различные варианты совершенствования шкворневого узла, не только путем повышения жесткости, но и наоборот, обеспечением податливости, увеличением деформационных возможностей [9].

Крюковский завод наравне с Уралвагонзаводом активно занимался совершенствованием конструкции четырехосных полувагонов. Так, с 1969 года выпускался четырехосный цельнометаллический полувагон, имеющий обшивку с продольно расположенными гофрами, обращенными наружу вагона. Толщина нижних листов составляла 5 мм, верхних - 4 мм. Несущие элементы кузова были выполнены из стали 09Г2Д. Уральским заводом также выпускались цельнометаллические полувагоны с обшивкой толщиной 5 мм корытообразной конфигурации. Проводилась унификация этих конструкций полувагонов. С 1979 г. выпускаются только унифицированные полувагон. С 1985 г на Уралвагонзаводе торцевые двери были заменены торцевыми стенами, что позволило повысить прочность кузова.

В период 1986 - 1998 выпускался полувагон модели 12-757, разработанный КВСЗ совместно с ВНИИвагоностроения. Модель обладала следующими отличиями: хребтовая балка из усиленных зетов, увеличенная со 263 до 312 мм заделка шкворневых и промежуточных стоек, угловые стойки из листа, увеличенной с 8 до 10 мм толщины, усиленный каркас торцевых дверей за счет применения более мощных горячекатаных профилей и установки дополнительной стойки на каждую створку.

Динамика изменения грузоподъемности полувагонов, построенных в период 1945-1990 гг. приведена на рисунке 1.3. На рисунке 1.4 приведены значения коэффициента тары вагонов, построенных в период 1945-1990 гг.

• • • • •

60

1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990

Год выпуска

Рисунок 1.3 - Динамика изменения грузоподъемности полувагонов, построенных в период

1945-1990 гг.

0,400

3 0,390 р

а

ь 0,380

х

си

§ 0,370 и

§ 0,360 * •§••••••

т ' О

0,350 • * « •

§

ш 0,340

• • • • •

х 0,330

^ * : •

0,320

1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990

Год выпуска

Рисунок 1.4 - Значения коэффициента тары полувагонов с разгрузочными люками,

построенных в период 1945-1990 гг.

В период с начала производства первых отечественных полувагонов (1860е годы) [7, 8] по 1940е годы шло ускоренное развитие данного типа подвижного состава. От двухосных вагонов с деревянным кузовом произошел переход к цельнометаллическим сварным конструкциям, установленным на двухосные тележки. Осевая нагрузка увеличилась более чем в 3 раза (с 7,5 до 22 тс), при этом грузоподъемность возросла с 10 до 64 т. В дальнейший период до 1990х годов происходило совершенствование конструкции, однако грузоподъемность удалось увеличить только до 72 т, что позволяет говорить о достаточно длительном периоде стагнации в части увеличения грузоподъемности.

1.1.2 Современные российские полувагоны и их характеристики

Уральским заводом с 1992 года выпускается «эталонный» полувагон модели 12-132, который эксплуатируется до настоящего времени. На базе данного полувагона разрабатывались новые конструкции, в частности полувагон модели 12-196-01 с осевой нагрузкой 25 тс.

В 1986 г. Минтяжмашем СССР был утверждён стандарт применения грузовых магистральных вагонов с осевой нагрузкой 25 тс «Вагоны грузовые магистральные на 1986-2000 гг» [10, 11]. Полувагон модели 12-196-01 получил широкое распространение на «пространстве 1520» благодаря удачным техническим решениям, реализованным в его конструкции. К таким решениям можно отнести применение стоек боковой стены швеллерообразной конструкции, что позволило снизить их повреждаемость. Для уменьшения повреждаемости обшивки боковой стены, в том числе усталостного характера при воздействии вибраторов, в вагоне была использована плоская конфигурация обшивки с исключением подгибок, являющихся концентраторами напряжений. Было изменено расположение поясов и подобраны профили торцевой стены, что позволило значительно увеличить прочность кузова.

На сегодняшний день четырехосный полувагон с разгрузочными люками представлен в модельном ряде всех крупных производителей грузового подвижного состава [ 1 ]. В таблице 1.1 приведены технические характеристики моделей от ведущих производителей.

Таблица 1.1 - Основные технические характеристики полувагонов от ведущих производителей

Модель вагона 12-9853 12-196-01 12-196-02 12-2159

Производитель ПАО «НПК ОВК» АО НПК «УВЗ» АО НПК «УВЗ» АО «Алтайвагон»

Объем кузова, м3 92 88 94 94

Максимальная масса тары, т 25 25 25 25

Грузоподъемность, т 75 75 75 75

Длина по осям автосцепки, м 13,92 13,92 13,92 13,92

База, м 8,65 8,65 8,65 8,65

Осевая нагрузка, тс 25 25 25 25

Модель тележки 18-9855 18-194-1 18-194-1 18-9800

Погонная нагрузка, т/м 7,18 7,18 7,18 7,18

Удельная грузоподъемность, т/м3 0,85 0,85 0,80 0,80

Коэффициент тары 0,33 0,33 0,33 0,33

Габарит кузова по ГОСТ 9238-2022 1-ВМ 1-Т 1-Т 1-ВМ

Из представленных в таблице х данных видно, что все рассмотренные модели обладают практически одинаковыми параметрами: грузоподъемностью 75 т, погонной нагрузкой 7,18 тс/м и объемом кузова 88.. .94 м3 при осевой нагрузке 25 тс.

На рисунке 1.5 приведен общий вид флагманских моделей полувагонов ведущих российских производителей.

а) б)

Рисунок 1.5 - Флагманские модели ведущих российских производителей: а - 12-9853 (ПАО «НПК ОВК»), б - 12-2159 (АО «Алтайвагон»), в - 12-196-01 (12-196-02) (АО НПК «УВЗ»)

Один из главных показателей эффективности вагона - статическая нагрузка, приходящаяся на 1 м пути, называемая погонной нагрузкой. Различают погонную нагрузку брутто, получаемую делением массы брутто вагона на его длину по осям сцепления автосцепок, и погонную нагрузку нетто, получаемую делением грузоподъёмности вагона на его длину по осям сцепления автосцепок. На рисунках 1.6 и 1.7 приведены зависимости погонной нагрузи брутто и нетто четырехосных универсальных полувагонов в зависимости от их грузоподъемности. Как видно из приведенных графиков погонная нагрузка возрастает с увеличением грузоподъемности вагона.

8,00 Д 7,50

I-

0

Е= 7,00 ю

(И

1 6,50 |_

(И X

_ 6,00

•

•

.....1

С«.......:......'Ч • а 1

X X

о

о

с 5,50 5,00

60 62 64 66 68 70 72 74 76

Грузоподъемность, т

Рисунок 1.6 - Зависимость погонной нагрузи брутто четырехосных универсальных полувагонов

от их грузоподъемности

6,00 5,80

Д 5,60 -

т

т,о 5,40 те

х 5,20 -

| 5,00 -

П5

* 4,80 -

ос

| 4,60 -

о

° 4,40 4,20 4,00

60 62 64 66 68 70 72 74 76

Грузоподъемность, т

Рисунок 1.7 - Зависимость погонной нагрузи нетто четырехосных универсальных полувагонов

от их грузоподъемности

Эффективность снижения тары грузового вагона оценивается коэффициентами тары: техническим, погрузочным и эксплуатационным. В настоящей работе рассматривается технический (конструктивный) коэффициент тары, представляющий собой отношение массы тары вагона к его грузоподъемности:

_ Т К - —,

•

•

....... Г-"'*

...... . « 1

.»..... • —•—л

....... ••••• <

Р - грузоподъемность вагона, т.

На рисунках 1.8 и 1.9 приведены результаты анализа массы тары и технического коэффициента тары моделей, выпускаемых в период с начала производства первых полувагонов по настоящее время. Рассматривались универсальные четырехосные полувагоны с разгрузочными люками (за исключением нескольких двухосных моделей - первых конструкций, выпускаемых в самом начале развития отечественного вагоностроения) с различной осевой нагрузкой: от 7,5 тс у первых двухосных вагонов до 27 тс у вагонов, эксплуатируемых в настоящее время на Восточном полигоне.

30 25

ос

(И

I 20

(И

£ 15

ГО

10

и

« 5

.. *.........

о

1860 1875 1890 1905 1920 1935 1950 1965 1980 1995 2010 2025

Год выпуска

Рисунок 1.8 - Значения массы тары четырехосных универсальных полувагонов, построенных в

период 1860 - н.в.

0,500 н 0,480

I 0,460

¡1 0,440

I 0,420

и

■I 0,400

0 0,380 к

1 0,360 к

<и 0,340

-г '

• ........ • • • • ф | V • •

; 5 • • \г$ • -чаЕЬ

== 0,320 ш

н 0,300

1860 1875 1890 1905 1920 1935 1950 1965 1980 1995 2010 2025

Год выпуска

Рисунок 1.9 - Значения технического коэффициента тары четырехосных универсальных полувагонов, построенных в период 1860 - н.в.

Наименьший коэффициент тары характерен для моделей с минимальной тарой, небольшой грузоподъемностью и объемом кузова, оснащенных тележками с осевой нагрузкой 23,5 тс (полувагоны модели 12-2122-01 и 12-2122-02 (АО «Алтайвагон») с объемом кузова 83,7 м3 и грузоподъемностью 71 т), или же наоборот, для моделей с повышенной грузоподъёмностью и объемом кузова, оснащенных тележками с увеличенной осевой нагрузкой 27 тс, (полувагон модели 12-9548 (ПАО «НПК ОВК») с объемом кузова 108 м3 и грузоподъемностью 82 т) [2, 4, 5]. При этом необходимо отметить, что для максимального экономического эффекта должно соблюдаться определенное соотношение грузоподъемности и объема кузова. Такое соотношение должно обеспечивать перевозку наиболее распространенных марок угля с погрузкой до полной грузоподъемности. Для большей части люковых полувагонов с объемом кузова от 76 до 94 м3 и осевой нагрузкой 23,5 и 25 тс, в число которых входят флагманские модели ведущих производителей, такие как 12-9853 (ПАО «НПК ОВК»), 12-196-01 и 12-196-02 (АО НПК «УВЗ»), 12-2159 (АО «Алтайвагон») коэффициент тары составляет 0,33...0,35.

Снижение технического коэффициента тары достигается путем уменьшения тары вагона и увеличения его грузоподъемности [2, 4, 5]. В свою очередь, снижение тары вагонов может быть достигнуто применением рациональных конструктивных решений, оптимальным выбором материалов, совершенствованием технологии изготовления и ремонта, применением при проектировании более совершенных методов расчета и испытаний с понижением коэффициентов запаса. Актуальной является задача снижения технического коэффициента тары при сохранении повышенной грузоподъемности и объема кузова, а также с учетом существующего ограничения инфраструктуры по допускаемой осевой нагрузке, которая на сегодняшний день составляет 25 тс.

1.1.3 Зарубежный опыт

Наиболее сопоставимыми с отечественными железными дорогами являются дороги Северной Америки [12]. Для американского вагоностроения характерны повышение грузоподъемности, увеличение допускаемых осевых нагрузок и специализация парка грузовых вагонов. Высокие допускаемые нагрузки от оси на рельс позволяют создавать четырехосные вагоны большой грузоподъемности, коэффициент тары которых обычно ниже, чем у аналогичных российских моделей.

На американских железных дорогах эксплуатируется большое количество полувагонов. В отличии от отечественных они менее универсальны, предназначены для ограниченной номенклатуры грузов. Для легковесных грузов (уголь и подобный груз с насыпной плотностью до 1,5 т/м3) создаются конструкции с высокими бортами, для перевозки грузов повышенной плотности (руда, черные металлы) - конструкции с низкими бортами. Рама американского полувагона состоит из хребтовой, шкворневых, промежуточных и концевых балок. Хребтовая

балка как правило проходит не по всей длине, а в центральной части между шкворневыми балками. В консольной части устанавливаются литые концевые узлы для размещения ударно-тяговых устройств. Разгрузочными люками американские полувагоны не оборудуются, пол глухой. Боковые стены имеют вертикальные стойки постоянного или переменного сечения и гладкую обшиву, соединяемую со стойками клепкой или сваркой. Некоторые конструкции стен оборудуются дверьми для разгрузки и очистки кузова. Торцевые стены состоят из вертикальных стоек и горизонтальных поясов. Соединение верхних обвязок торцевой и боковой стены часто выполняют шарнирным. Для увеличения поперечной жесткость кузова при распоре сыпучим грузом и ударе о привалочную стенку вагоноопрокидывателя, на большинстве полувагонов кузов усилен дополнительными элементами: внутренними раскосами и верхними поперечными связями. Раскосы устанавливаются между стойками боковой стены и поперечными балками. Поперечные связи расположены над шкворневыми балками. Для лучшего высыпания груза кузов часто выполняют уширенным кверху, а места сопряжения стен и пола по возможности с плавными переходами, что, кроме того, увеличивает прочность кузова. Внутренние поверхности обшивки покрывают специальными веществами, ухудшающими сцепляемость груза со стенами кузова и способствующими лучшей разгрузке.

Рассмотрим некоторые современные модели одного из ведущих производителей Северной Америки FreightCar America [13]. Представленный на рисунке 1.10а полувагон Aggregate Gondola Cars (Agon) предназначен для перевозки песчаника и различных минеральных ресурсов. Полувагон имеет цельносварной кузов. Стойки боковой стены постоянного поперечного сечения соединены с поперечными (промежуточными и шкворневыми) балками. В состав торцевой стены входит лобовая балка, два горизонтальных пояса, вертикальные полустойки и верхняя обвязка. Верхняя обвязка торцевой стены с верхней обвязкой боковой стены соединена шарнирно. Холоднокатаная хребтовая балка по заявлению производителя обеспечивает прочность и долговечность конструкции. В боковых стенах предусмотрены небольшие очистные двери по четырём углам вагона. Верхняя обвязка торцевой стены с верхней обвязкой боковой стены соединяется при помощи штифта. Объем кузова составляет 71 м3, масса тары 24 т, грузоподъемность 106 т. Коэффициент тары составляет 0,224.

Полувагон с низкими бортами Mill Gondola Car (Millgon) (рисунок1.10б) с низкими бортами (высота 2438 мм) предназначен для перевозки тяжелых грузов. Полувагон оснащен холоднокатаной хребтовой балкой. Стойки боковой стены постоянного сечения, обшива из гладкого листа, соединение верхних обвязок боковой и торцевой стены шарнирное. Конструкции выполняется из стали или нержавеющей стали в зависимости от требований заказчика. Внутри кузова возможно размещения стеллажей для перевозки груза. Данную модель изготавливают в

двух вариантах: длинной 52' 6'' (16 002 мм) и 66' 0'' (20 117 мм). Коэффициент тары для первого варианта составляет 0,304, для второго - 0,380.

Рисунок 1.10 - Полувагоны компании FreightCar America: а - Aggregate Gondola Cars (Agon);

б - Mill Gondola Car (Millgon)

Полувагон America's aluminum BethGon II, представленный на рисунке 1.11, относится к ведущим моделям отрасли. Впервые вагон был произведен в 1978 г. Доказав свою надежность и эффективность вагон считается флагманской моделью для перевозки угля. Использование в конструкции алюминиевых сплавов в сочетании с нержавеющими и низкоуглеродистыми сталями обеспечивают массу тары всего лишь 19 т при грузоподъемности 111 т и объеме кузова 139 м3. Коэффициент тары составляет 0,171. Полувагон имеет усиленную холоднокатаную хребтовую балку, стоики боковой стены омегообразного сечения, обшивку из сплошного листа, соединяемую с несущей конструкцией заклепками. Полувагон обладает характерной конструктивной особенностью - по обеим сторонам хребтовой балки установлены продольные ниши цилиндрической конфигурации, что позволяет увеличить объем кузова и снижает центр тяжести.

Рисунок 1.11 - Полувагон America's aluminum BethGon II (производства компании FreightCar

America)

Китайская корпорация CRRC Corporation Limited [14], являющаяся крупнейшим производителем подвижного состава в мире, в том числе изготавливает полувагоны. В каталоге

производителя есть модели для внутреннего и внешнего рынка. Рассмотрим некоторые модели, выпускаемые для внутреннего рынка.

Полувагон C80H Aluminum Alloy Coal Gondola Car (CRRC), представленный на рисунке 1.12а, предназначен для перевозки угля. Изготовленный с применением алюминиевых сплавов полувагон конструктивно схож с рассмотренным выше полувагоном America's aluminum BethGon II (FreightCar America). Полувагон обладает грузоподъемности 80 т при объеме кузова 87 м3. Масса тары составляет 20 т, коэффициент тары 0,250.

Полувагон C80B (C80BH Stainless Steel Coal Gondola Car (CRRC) , представленный на рисунке 1.12б, изготовлен из нержавеющей стали. Торцевая стена состоит из трех горизонтальных поясов, переходящих на боковую стену, а также вертикальных полустоек, расположенной под нижним поясом. Боковая стена состоит из стоек постоянного сечения. Полувагон обладает грузоподъемности 70 т при объеме кузова 77 м3. Масса тары составляет 23,8 т, коэффициент тары 0,340.

Полувагон C70H (C70) General-purpose Gondola Car, представленный на рисунке 1.12в, имеет цельносварную конструкцию. Торцевая стена усилена тремя горизонтальными поясами, соединенными с угловыми стойками. Верхняя обвязка жестко соединена с верхней обвязкой боковой стены. Стойки боковой стены омегообразного сечения. Боковые стены оборудованы дверьми для разгрузки. Обшива боковой стены усилена раскосами. Грузоподъемность полувагона составляет 70 т при объеме кузова 77 м3, коэффициент тары 0,340.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Попеску Роман Витальевич, 2025 год

Список использованных источников

1. Попеску Р.В. Улучшение технико-экономических характеристик полувагонов / А. Ю. Новоселов, Д. С. Коротков, Р. В. Попеску // Железнодорожный транспорт. - 2023. - № 7. С. 2632.

2. Попеску Р.В. Как повысить эффективность полувагона: направления снижения технического коэффициента тары / А. М. Орлова, К. П. Демин, Р. В. Попеску // Транспорт Российской Федерации. - 2023. - № 3-4(106-107). С. 33-38.

3. Попеску Р. В., Орлова А. М., Демин К. П. Применение высокопрочной стали для создания полувагонов повышенной грузоподъемности // Бюллетень результатов научных исследований. 2024. Вып. 3. С. 7-23.

4. Попеску Р.В. Направления повышения технико-экономических характеристик вагонов ПАО «НПК ОВК» на примере полувагона / А.М. Орлова, С.А. Федоров, И.А. Хилов, Р.В. Попеску // Мат. XVI Междунар. научно-техн. конф. «Повижной состав XXI века: идеи, требования, проекты». - СПб.: ПГУПС, 2022. - с. 28-32.

5. Попеску Р.В. Анализ путей снижения технического коэффициента тары универсального полувагона / А. М. Орлова, К. П. Демин, Р. В. Попеску // Мат. XVII Междунар. научно-техн. конф. «Повижной состав XXI века: идеи, требования, проекты». - СПб.: ПГУПС, 2023. С. 32-37.

6. Попеску Р.В. Универсальный полувагон с увеличенным объемом кузова и грузоподъемностью / А. Ю. Новоселов, Д. С. Коротков, А.А. Мышкин, Р. В. Попеску // Техника железных дорог. 2025. - №1(69). - с. 8-14

7. Шадур Л.А. Развитие отечественного вагонного парка. М.: Транспорт, 1988. - 279с.

8. Мокрицкий Е.И. История вагонного парка железных дорог СССР. М.: Изд-во и 1-я тип. Трансжелдориздата, 1946. - 203 с.

9. Речкалов А.И. Совершенствование конструкции полувагона // Повышение надежности и совершенсвование методов ремонта и эксплуатации грузовых вагонов: материалы IV научно-технической конференции / Уральское отделение ВНИЖТ: Средне-Уральское издательство, Свердловск, 1965. С. 17-24.

10. Типаж «Вагоны грузовые магистральные на 1986-2000 гг. / ВНИИЖТ, ВНИИВ. М.,

1986.

11. Вывод на российский рынок тележки новой конструкции: результаты адаптации зарубежных решений на примере модели 18-9855 / А. М. Орлова, Е. А. Рудакова, А. В. Гусев [и

др.] // Вестник Института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. - 2023. -№ 2(62). - С. 34-41.

12. Американская железнодорожная энциклопедия. Вагоны и вагонное хозяйство. М.: Всесоюзное издательско-полиграфическое объединение МПС, 1961. 483с.

13. FreightCar America: [Электронный ресурс] // Компания «FreightCar America ». URL: https://freightcaramerica.com/ (дата обращения 15.06.2022)

14. CRRC Corporation Limited: [Электронный ресурс] // Компания «CRRC Corporation Limited». URL: https://www.crrcgc.cc/g6638.aspx (дата обращения 20.06.2022)

15. Greenbrier Europe: [Электронный ресурс] // Компания «Greenbrier Europe». URL: https://www.greenbrier-europe.com/ (дата обращения 22.06.2022)

16. Tatravagonka a.s. Poprad: [Электронный ресурс] // Компания «Tatravagonka a.s. Poprad». URL: https://tatravagonka.sk/?lang=en (дата обращения 22.06.2022)

17. Власов В. З. Тонкостенные упругие стержни. М.: Физматлит, 1959. - 568 с.

18. Власов В. З. Строительная механика тонкостенных пространственных систем. М.: Стройиздат, 1949. - 435 с.

19. Власов В.З. Общая теория оболочек и ее приложения в технике М.: Гостехтеориздат, 1949 г. - 784 с.

20. Горбунов Б. Н. Расчет пространственных рам из тонкостенных стержней // Прикладная математика и механика. 1943. Вып. 1. C. 188.

21. Никольский Е.Н. Применение метода конечных элементов в сочетании с методом чередования основных систем к расчету сложных конструкций. - в с.: Тезисы докладов Всесоюзной научно- технической конференции «Жесткость машиностроительных конструкций». Брянск, 1976. С. 229-232.

22. Никольский Е.Н. Расчет кузовов вагонов по методу конечных элементов на основе применения нерегулярных расчетных схем, составленных из разнородных элементов. - В сб.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов. Тула, 1977. С. 4-18.

23. Никольский Е.Н. Анализ алгоритмов, получаемых при совместном использовании метода чередования основных систем и метода конечных элементов для расчета сложных конструкций кузовов. - В сб.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов. Тула, 1978. С. 4-13.

24. Котуранов В.Н., Хусидов В.Д., Сергеев К.А. Матричный алгоритм расчета кузова полувагона. - Тр. Моск. ин-та инж. ж.-д. транс., 1972, вып. 399, с. 68-74.

25. Котуранов В.Н. Методы исследования напряженно-деформированного состояния котлов железнодорожных цистерн. - Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: МИИТ, 1973. - 43 с.

26. ЛОГОС Прочность [Электронный ресурс] URL: https://www.saec.ru/logos/prochnost/ (дата обращения 19.10.2024)

27. CAE Fidesys [Электронный ресурс] URL: https://cae-fidesys.com/ (дата обращения 19.10.2024)

28. APM FEM[Электронный ресурс] URL: https://apm.ru/apm-fem (дата обращения 19.10.2024)

29. ГОСТ 33211-2014 Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам

30. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных), ГосНИИВ-ВНИИЖТ, М., 1996 г

31. Орлова А.М., Рудакова Е.А., Шевченко Д.В. Опыт применения стандарта «Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам» для расчета грузовых вагонов при их проектировании // Научное издание. «Подвижной состав XXI века: инновации в грузовом вагоностроении». Материалы научно-технической конференции. СПб.: ФГБОУ ВПО ПГУПС, 25-28.06.2014. - с. 57-68.

32. Шапошников Н.Н. Краткое описание автоматизированной системы расчета пространственных конструкций по методу конечных элементов. - Тр. Моск. ин-та инж. ж.-д. транс., 1980, вып. 677. С.158-163.

33. Шапошников Н.Н., Волков В.А. Расчет пластинок и коробчатых конструкций методом конечных элементов. - В сб.: Исследования по теории сооружений. М.: Наука, 1976, вып. 22, с.134-146.

34. Лозбинев В.П. Исследование напряженного состояния и разработка методики оптимального проектирования ортогонально подкрепленных тонкостенных пространственных систем кузовов грузовых вагонов. - Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - М., 1982. - 50 с.

35. Лозбинев В.П. Уточнение расчета напряжений в подкрепляющих элементах кузовов вагонов при использовании метода конечных элементов. - В сб.: Транспортное оборудование. М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1980, вып.5, №17, с. 13-15.

36. Лозбинев В.П. Особенности построения расчетных схем кузовов вагонов при расчете методом конечных элементов. - В сб.: Повышение прочности узлов и элементов вагонов. М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1982, вып.5, №19, с. 6-8.

37. Лозбинев В.П., Кузьменко Н.И., Двухглавов В.А. Оптимизация массы кузова четырехосного полувагона с осевой нагрузкой 250 кН. - В сб.: Транспортное оборудование. М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1982, вып.5, №14, с. 12-14.

38. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных), ВНИИВ-ВНИИЖТ, М., 1983 г.

39. Афанасьев А.Е. Совершенствование конструкции кузова универсального полувагона: автореф. дис. ...канд. техн. наук: 05.22.07/ Афанасьев Александр Евгеньевич. - СПб., 2009. - 18 с.

40. Афанасьев, И. А. Метод расчетного обоснования конструкции кузова полувагона повышенной ремонтопригодности: дис. .канд. техн. наук 05.22.07/ Афанасьев Игорь Анатольевич. - Москва, 2001. - 113 с.

41. Бейн Д.Г. Оптимизация кузовов грузовых вагонов открытого типа с несущим полом: автореф. дис. .канд. техн. наук: 05.22.07/ Бейн Дмитрий Григорьевич. - Брянск, 2011. - 20 с.

42. Битюцкий A.A. Анализ напряженного состояния и совершенствование конструкций соединений несущих элементов кузова полувагона: дис. на соиск. уч. степ, к.т.н. Д.: ЛИИЖТ, 1983, 183 с.

43. Герасимов К.В. Нагруженность кузова полувагона глухого типа при падении глыбы груза: автореф. дис. .канд. техн. наук: 05.22.07/ Герасимов Кирилл Вячеславович. - Москва, 2017. - 20 с.

44. Чепурченко И.В. Совершенствование конструкции кузова полувагона путем выбора рациональных параметров нагруженных элементов: автореф. дис. .канд. техн. наук: 05.22.07/ Чепурченко Илья Вадимович. - Омск, 2019. - 20 с.

45. Хилов И.А. Совершенствование конструкции кузова специализированного полувагона: автореф. дис. .канд. техн. наук: 05.22.07/ Хилов Иван Андреевич. - СПб., 2012. -18 с.

46. Булычев, М. А. Совершенствование методики расчета на прочность верхних обвязок боковых стен полувагонов / М. А. Булычев, Д. Я. Антипин // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2019. - № 3(76). - С. 58- 64.

47. Синицын, В. В. Разработка методики оценки несущей способности тонкой гофрированной обшивки кузовов вагонов: дис. .канд. техн. наук: 05.22.07/ Синицын Владимир Владимирович. - Брянск, 2002. - 100 с.

48. Анисимов, П.С. Испытания вагонов: монография / П. С. Анисимов. — Москва: Издательство "Маршрут", 2004. — 197 с.

49. ГОСТ 33788-2016 Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и динамические качества

50. РД 24.050.37-95 Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества

51. Орлова А.М., Васильев С.Г. Межгосударственный стандарт «Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытания на прочность и динамические качества» // Вагоны и вагонное хозяйство, №1 (37), 2014 г. - с. 29-32.

52. Орлова А.М., Шевченко Д.В., Саидова А.В. Требования и методы подтверждения прочности кузовов грузовых вагонов: учебное пособие. ISBN 978-5-7641-0936-7 - СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2018. - 43 с.

53. Тихвинский испытательный центр железнодорожной техники [Электронный ресурс] URL: https://www.railtest.ru/ (дата обращения 23.07.2024)

54. Орлова А.М., Шевченко Д.В. Современные требования к прочности грузовых вагонов и контейнеров, и экспериментальные методы их подтверждения. Доклад на конференции «Подходы к формированию рациональных методов обоснования Ускоренной Сертификации Конструкций нового качества на основе математического моделирования и управления процессом их изготовления и эксплуатации», Сколковский Институт Науки и Технологий, Сколково, 05-06.02.2015 г. (без издания сборника трудов)

55. Шевченко Д. В. Методология построения цифровых двойников на железнодорожном транспорте [Электронный ресурс] URL: https://www.journal-vniizht.ru/jour/article/view/507?locale=ru_RU (дата обращения 12.08.2022)

56. Орлова А.М., Абрамов Д.Е. Совершенствование системы стандартов в области грузовых железнодорожных вагонов // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: материалы XI международной научн.-техн. конф., Санкт-Петербург, 6-10 июля 2016. - СПб.: ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2016. - С. 3-5.

57. ГОСТ 26725-2022 Полувагоны. Общие технические условия

58. ГОСТ 19281-2014 Прокат повышенной прочности. Общие технические условия

59. Цистерна для крепкой азотной кислоты. Модель 15-1596 [Электронный ресурс] URL: https://vagon.by/model/15-1596 (дата обращения 14.11.2024)

60. Цистерна для молока. Модель 15-886 [Электронный ресурс] URL: https://vagon.by/model/15-886 (дата обращения 14.11.2024)

61. Хапилов, Ю.А. Алюминиевые сплавы в несущих конструкциях грузовых вагонов / Ю.А. Хапилов, Л.В. Журавлева, Т.А. Ратникова., Д.М. Матвеев // Железнодорожный транспорт. - 1981. - №11. - С.60-62.

62. Конюхов, А. Д. Алюминиевые сплавы и нержавеющие стали в конструкциях кузовов железнодорожного подвижного состава с целью обеспечения их коррозионной стойкости и конструкционных характеристик / А. Д. Конюхов, А. К. Шуртаков, Т. Н. Воробьева // Технология легких сплавов. - 2010. - № 3. - С. 87-94.

63. RM Rail. Каталог продукции: [Электронный ресурс] // Компания «RM Rail». URL: https://rmrail.ru/catalogue/vagony-khoppery/vagon-khopper-dlya-perevozki-mineralnykh-udobreniy (дата обращения 15.09.2023)

64. Битюцкий Н. А. Совершенствование методов оценки и восстановления ресурса вагонов-цистерн с котлами из алюминиевых сплавов: автореф. дис. .канд. техн. наук: 05.22.07/ Битюцкий Никита Алексеевич. - СПб., 2009. - 16 с.

65. Битюцкий Н. А. Исследование эксплуатационных повреждений вагонов-цистерн с котлами из алюминиевых сплавов / Н. А. Битюцкий // Наука и техника транспорта. - 2009. - № 1. - С. 39-45.

66. Иванов А.А. Условия целесообразного применения алюминиевых сплавов в вагоностроении: на примере полувагонов: автореф. дис. .канд. техн. наук: 05.22.07/ Иванов Александр Анатольевич. - М.,1999. - 24 с.

67. Конюхов А.Д. Кузова грузовых вагонов из алюминиевых сплавов / А.Д. Конюхов, А.М. Дриц // Железнодорожный транспорт - М.: РЖД, 2016. - №2, С.67-69.

68. Шуртаков А.К. Оптимизация состава и механических свойств сварных и крепёжных соединений алюминиевых сплавов для создания кузовов железнодорожных вагонов нового поколения: автореф. дис. .канд. техн. наук: 05.16.01/ Шуртаков Александр Константинович. -Москва, 2018. - 29 с.

69. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. - М.: 1988. -

272 с.

70. Быков, А. И. Напряженно-деформированное состояние несущих кузов грузовых вагонов из анизотропных материалов: дис. .д-ра. техн. наук: 05.22.07/ Быков Анатолий Иванович. - Москва, 1999. - 259 с.

71. Петров, А. А. Напряженно-деформированное состояние крыши крытого вагона из стеклопластика: автореф. дис. .канд. техн. наук: 05.22.07/ Петров Александр Алексеевич. -Москва, 1995. - 21 с.

72. Фролова Т.А. Моделирование методов расчета несущих кузовов грузовых вагонов из стеклопластика: дис. .канд. техн. наук: 05.22.07/ Фролова Татьяна Александровна. - Москва, 1998. - 139 с.

73. Перспективы применения композиционных материалов в грузовом вагоностроении / К. Б. Бектуров, Р. Ю. Зарипов, А. С. Медведев, Д. З. Каербеков // Наука и техника Казахстана. -2017. - № 1-2. - С. 25-33.

74. Федоров, С. А. Применение композиционных материалов в грузовом вагоностроении / С. А. Федоров, А. Ю. Новоселов, С. А. Волков // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2015. - № 2(42). - С. 41-44.

75. Применение композитных материалов в вагоностроении / А. В. Дорожкин, С. Н. Озеров, М. В. Агинских [и др.] // Вестник Института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. - 2014. - № 1(25). - С. 47-51.

76. СНиП 32-01-95 Свод правил. Железные дороги колеи 1520 мм

77. Гончаров П. С., Артамонов И. А., Халитов Т. Ф., Денисихин С. В., Сотник Д. Е. NX Advanced Simulation. Инженерный анализ. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 504 с.

78. Данилов Ю.В., Артамонов И.А. Практическое использование NX. - М.: ДМК Пресс, 2011. - 332 с.

79. Кузович В.М. Динамическая нагруженность специализированных вагонов в криволинейных участках пути: дис. ...канд. техн. наук: 05.22.07/ Кузович Вадим Миронович. -Москва, 2010. - 201 с.

80. Лебедев В. А. Обоснование технических решений конструкции двухэтажного пассажирского вагона: дис. .канд. техн. наук: 05.22.07/ Лебедев Владимир Александрович. -Москва, 2017. - 178 с.

81. Жуков А. С. Обоснование конструкции кузова пассажирского вагона из экструдированных алюминиевых панелей: дис. .канд. техн. наук: 05.22.07/ Жуков Александр Сергеевич. - Москва, 2020. - 160 с.

82. Битюцкий А. А., Афанасьев А. Е. Исследование усталостной прочности заделок стоек боковой стены новой конструкции кузова полувагона // Исследование усталостной прочности узлов и выбор параметров новых грузовых вагонов / под ред. А. А. Битюцкого; Инж. центр вагоностроения. СПб., 2009. Вып. 7. С. 62-72.

83. Битюцкий А. А., Афанасьев А. Е. Совершенствование узла заделки стойки боковой стены полувагона модели 12-9833 по критерию усталостной прочности // Совершенствование конструкций универсальных полувагонов грузовых вагонов / под ред. А. А. Битюцкого; Инж. центр вагоностроения. СПб., 2010. Вып. 8. С. 31-41.

84. Хилов И. А., Афанасьев А. Е. Выбор параметров узла заделки стойки боковой стены полувагона // Исследование усталостной прочности узлов и выбор параметров новых грузовых вагонов / под ред. А. А. Битюцкого; Инж. центр вагоностроения. СПб., 2009. Вып. 7. С. 34-43.

85. Bertsekas D. P. Constrained optimization and Lagrange multiplier methods. - Academic press, 2014. - 412 pp.

86. ГОСТ.5267.0-90 Профили горячекатаные для вагоностроения. Общие технические условия

87. Высокопрочные стали с экономным легированием для карьерного транспорта и горнодобывающей техники / В. Н. Никитин, С. Ю. Настич, Л. А. Смирнов [и др.] // Сталь. - 2016. - № 10. - С. 57-66.

88. Бороненко, Ю. П. Использование высокопрочных сталей в вагоностроении / Ю. П. Бороненко, И. О. Филиппова // Транспорт Российской Федерации. - 2015. - № 3(58). - С. 16-19.

89. Таничева, Н. А. Съемное оборудование для перевозки лесоматериалов: новые технические решения и применение высокопрочных сталей / Н. А. Таничева, И. В. Федоров, И. О. Филиппова // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2020. - Т. 17, № 1. -С. 117-128.

90. ГОСТ 5267.3-90 Профиль зетовый для хребтовой балки. Сортамент

91. ГОСТ.5267.0-90 Профили горячекатаные для вагоностроения. Общие технические условия

92. ОСТ 32.153-2000 Металлопрокат для кузовов грузовых вагонов нового поколения. Технические требования

93. A.F. Hobbacher Recommendation for fatigue design of welded joints and components // International Institute of Welding (IIW).2016.143 p.

94. ГОСТ 5267.6-90 Профиль вагонной стойки. Сортамент

95. ГОСТ 8510-86 Уголки стальные горячекатаные неравнополочные. Сортамент

96. Шевченко, Д. В. Методика проектирования несущих узлов грузовых вагонов на примере узла заделки стойки боковой стены полувагона / Д. В. Шевченко, С. А. Федоров, С. И. Попович // Вестник Института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. -2018. - № 4(44). - С. 68-73.

97. Антропова Т. А. Анализ существующих методов расчета нагружения деталей при оценке усталостной прочности / Т. А. Антропова // Транспорт Урала. - 2021. - № 2(69). - С. 4447.

98. Исследование прочности узлов крепления стоек 8-осных полувагонов габарита 1Т. Оценка прочности усовершенствованной конструкции узла крепления стоек 8-осного полувагона с разработкой предложений / ВНИИЖТ, УО ВНИИЖТ. Тема И 544-У-82, р.2а; руководитель Е. И. Ченцов. - М.; Свердловск, 1982. - 20 с.

99. Плоткин В. С., Дружинин С. С., Ченцов Е. И. Исследование усталостной прочности заделок стоек 4-х осных цельнометаллических полувагонов // Сб. науч. тр. / ВНИИВ. 1978. Вып. 35. С. 21-26

100. Стендовые испытания на сопротивление усталости макетных узлов крытого вагона для перевозки автомобилей / А. А. Битюцкий, А. Е. Афанасьев, И. А. Хилов, В. И. Гуськов // Транспорт Российской Федерации. - 2015. - № 3(58). - С. 81-85.

101. Ченцов Е. И., Михайлов С. И. Выносливость узлов крепления стоек к раме полувагона // Совершенствование конструкции, технического обслуживания, ремонта вагонов и погрузочно-разгрузочных средств / под ред. Г. К. Сендерова, В. В. Зубарева. М., 1978. С. 45-48.

102. Северсталь. Каталог продукции: [электронный ресурс] // Компания «Северсталь». URL: https://severstal.com/rus/clients/products-catalog/goryachekatanyy-prokat/powerform/. (Дата обращения: 10.06.2023).

103. ГОСТ 33760-2016 Железнодорожный подвижной состав. Методы контроля показателей развески

104. ГОСТ 25.101-83 Расчеты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Напряженно-деформированное состояние кузова полувагона с применением

высокопрочной стали

263.25

241.31

219.38

197.44

175.50

153.56

131.63

109.69

87.75

65,81

43.88

21.94

0.00

Рисунок А.1 - Распределение эквивалентных напряжений при растяжении по режиму 1г (первый расчетный случай), МПа

Рисунок А.2 - Распределение эквивалентных напряжений при сжатии по режиму !в (второй расчетный случай), МПа

Рисунок А.3 - Распределение эквивалентных напряжений при рывке по !б режиму (пятый расчетный случай), МПа

292.50

268.13

243.75

219.38

195.00

170.63

146.25

121.:

97.50

73,13

48,75

24.38

0.00

Рисунок А.4 - Распределение эквивалентных напряжений при ударе по режиму 1а (шестой расчетный случай), МПа

Рисунок А.5 - Распределение эквивалентных напряжений при первом ремонтном режиме (девятый расчетный случай), МПа

Рисунок А.6 - Распределение эквивалентных напряжений при третьем ремонтном режиме (одиннадцатый расчетный случай), МПа

Рисунок А.7 - Распределение эквивалентных напряжений при четвертом ремонтном режиме (двенадцатый расчетный случай), МПа

Рисунок А.8 - Распределение эквивалентных напряжений при пятом ремонтном режиме (тринадцатый расчетный случай), МПа

Рисунок А.9 - Распределение эквивалентных напряжений при разгрузке вагона на вагоноопрокидывателе (пятнадцатый расчетный случай), МПа

Рисунок А.10 - Распределение эквивалентных напряжений при ударе по первому режиму при перевозке штабельных грузов (шестнадцатый расчетный

случай), МПа

Рисунок А.11 - Распределение эквивалентных напряжений при ударе по первому режиму при перевозке штабельных грузов с шапкой (семнадцатый

расчетный случай), МПа

Рисунок А.12 - Распределение эквивалентных напряжений при перевозке на пароме с продольным креном (восемнадцатый расчетный случай), МПа

Рисунок А.13 - Распределение эквивалентных напряжений при перевозке на пароме с поперечным креном (девятнадцатый расчетный случай), МПа

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Результаты расчета прочности несущей конструкции полувагона с применением высокопрочной стали

Таолица Б.1

№ точки [о], МПа оэкв, МПа кзап

Третий расчетный случай (Растяжение +2,0 МН)

1 359,10 10,52 34,14

2 359,10 12,14 29,58

3 294,98 11,16 26,42

4 294,98 13,34 22,12

5 359,10 34,50 10,41

6 359,10 15,32 23,44

7 359,10 5,53 64,91

8 359,10 1,27 282,98

9 359,10 15,96 22,50

10 294,98 29,02 10,16

11 294,98 8,03 36,73

12 294,98 7,04 41,88

13 294,98 12,48 23,65

14 294,98 52,23 5,65

15 294,98 12,98 22,73

16 294,98 7,29 40,47

17 294,98 8,03 36,73

18 294,98 29,48 10,01

19 294,98 56,80 5,19

20 294,98 51,36 5,74

21 294,98 49,63 5,94

22 294,98 56,77 5,20

23 277,88 47,49 5,85

24 294,98 40,27 7,33

25 294,98 43,70 6,75

26 277,88 37,78 7,36

27 277,88 37,80 7,35

28 294,98 43,48 6,78

29 294,98 39,96 7,38

30 277,88 48,59 5,72

31 359,10 12,21 29,41

32 359,10 10,81 33,21

33 294,98 11,71 25,18

34 294,98 12,99 22,71

35 359,10 34,39 10,44

36 359,10 15,40 23,32

37 359,10 5,55 64,71

38 359,10 1,26 285,23

№ точки [о], МПа оэкв, МПа кзап

39 359,10 15,97 22,49

40 294,98 25,97 11,36

41 294,98 7,87 37,46

42 294,98 7,34 40,17

43 294,98 12,92 22,84

44 294,98 53,50 5,51

45 294,98 13,44 21,94

46 294,98 7,62 38,74

47 294,98 7,87 37,47

48 294,98 26,37 11,18

49 294,98 56,67 5,21

50 294,98 51,72 5,70

51 294,98 50,00 5,90

52 294,98 57,12 5,16

53 277,88 42,02 6,61

54 294,98 41,15 7,17

55 294,98 44,25 6,67

56 277,88 37,89 7,33

57 277,88 38,35 7,25

58 294,98 44,03 6,70

59 294,98 40,91 7,21

60 277,88 41,52 6,69

61 294,98 60,69 4,86

62 294,98 70,41 4,19

63 294,98 51,81 5,69

64 294,98 75,29 3,92

65 359,10 49,92 7,19

66 359,10 166,68 2,15

67 263,25 96,08 2,74

68 263,25 104,75 2,51

69 263,25 82,13 3,21

70 263,25 82,93 3,17

71 277,88 70,44 3,94

72 277,88 70,66 3,93

73 359,10 166,39 2,16

74 294,98 39,72 7,43

75 294,98 38,68 7,63

76 359,10 48,33 7,43

77 294,98 39,49 7,47

78 294,98 38,87 7,59

79 359,10 166,67 2,15

80 263,25 84,32 3,12

81 263,25 81,18 3,24

82 263,25 68,34 3,85

83 263,25 72,34 3,64

84 263,25 96,18 2,74

№ точки [о], МПа оэкв, МПа кзап

85 263,25 104,80 2,51

86 359,10 167,51 2,14

87 359,10 50,95 7,05

88 277,88 50,72 5,48

89 277,88 76,14 3,65

90 294,98 58,67 5,03

91 294,98 74,01 3,99

92 303,75 26,58 11,43

93 303,75 57,87 5,25

94 303,75 104,33 2,91

95 303,75 86,48 3,51

96 263,25 39,11 6,73

97 263,25 22,46 11,72

98 263,25 35,63 7,39

99 263,25 32,18 8,18

100 303,75 103,41 2,94

101 303,75 103,55 2,93

102 303,75 123,46 2,46

103 303,75 121,95 2,49

104 303,75 103,94 2,92

105 303,75 102,71 2,96

106 263,25 34,16 7,71

107 263,25 33,14 7,94

108 263,25 37,96 6,94

109 263,25 20,99 12,54

110 303,75 104,14 2,92

111 303,75 83,21 3,65

112 303,75 53,13 5,72

113 303,75 32,13 9,45

Четвертый расчетный случай (Сжатие -2,5 МН)

1 359,10 26,93 13,34

2 359,10 17,24 20,83

3 294,98 26,64 11,07

4 294,98 15,09 19,54

5 359,10 43,47 8,26

6 359,10 16,80 21,38

7 359,10 9,97 36,04

8 359,10 8,95 40,14

9 359,10 16,27 22,07

10 294,98 34,33 8,59

11 294,98 9,37 31,47

12 294,98 7,83 37,69

13 294,98 9,91 29,76

14 294,98 15,34 19,23

15 294,98 12,32 23,94

16 294,98 15,76 18,72

№ точки [о], МПа оэкв, МПа кзап

17 294,98 11,06 26,67

18 294,98 76,47 3,86

19 294,98 55,60 5,31

20 294,98 46,55 6,34

21 294,98 41,81 7,06

22 294,98 57,35 5,14

23 277,88 67,09 4,14

24 294,98 51,96 5,68

25 294,98 39,41 7,48

26 277,88 34,35 8,09

27 277,88 32,42 8,57

28 294,98 29,21 10,10

29 294,98 27,70 10,65

30 277,88 49,61 5,60

31 359,10 26,39 13,61

32 359,10 17,54 20,48

33 294,98 26,62 11,08

34 294,98 15,05 19,60

35 359,10 43,42 8,27

36 359,10 16,74 21,45

37 359,10 9,94 36,12

38 359,10 8,91 40,29

39 359,10 16,25 22,09

40 294,98 34,94 8,44

41 294,98 9,46 31,19

42 294,98 7,84 37,62

43 294,98 9,92 29,73

44 294,98 15,39 19,16

45 294,98 12,31 23,97

46 294,98 15,73 18,75

47 294,98 10,94 26,95

48 294,98 75,86 3,89

49 294,98 55,58 5,31

50 294,98 46,60 6,33

51 294,98 41,85 7,05

52 294,98 57,93 5,09

53 277,88 67,94 4,09

54 294,98 52,22 5,65

55 294,98 39,46 7,48

56 277,88 34,36 8,09

57 277,88 32,89 8,45

58 294,98 29,24 10,09

59 294,98 27,88 10,58

60 277,88 52,39 5,30

61 294,98 28,49 10,35

62 294,98 63,42 4,65

№ точки [о], МПа оэкв, МПа кзап

63 294,98 38,95 7,57

64 294,98 128,38 2,30

65 359,10 13,75 26,12

66 359,10 38,62 9,30

67 263,25 13,06 20,16

68 263,25 39,36 6,69

69 263,25 38,55 6,83

70 263,25 46,02 5,72

71 277,88 129,53 2,15

72 277,88 94,98 2,93

73 359,10 51,14 7,02

74 294,98 58,43 5,05

75 294,98 75,41 3,91

76 359,10 165,80 2,17

77 294,98 75,79 3,89

78 294,98 58,41 5,05

79 359,10 50,63 7,09

80 263,25 46,48 5,66

81 263,25 38,44 6,85

82 263,25 95,94 2,74

83 263,25 128,58 2,05

84 263,25 39,64 6,64

85 263,25 14,29 18,42

86 359,10 38,68 9,28

87 359,10 14,24 25,22

88 277,88 130,65 2,13

89 277,88 38,51 7,22

90 294,98 64,62 4,56

91 294,98 27,53 10,72

92 303,75 2,32 130,70

93 303,75 40,21 7,55

94 303,75 202,77 1,50

95 303,75 108,58 2,80

96 263,25 256,52 1,03

97 263,25 178,04 1,48

98 263,25 119,92 2,20

99 263,25 95,23 2,76

100 303,75 191,85 1,58

101 303,75 236,02 1,29

102 303,75 96,23 3,16

103 303,75 96,54 3,15

104 303,75 235,74 1,29

105 303,75 192,18 1,58

106 263,25 94,96 2,77

107 263,25 120,64 2,18

108 263,25 175,84 1,50

№ точки [о], МПа оэкв, МПа кзап

109 263,25 263,06 1,00

110 303,75 105,22 2,89

111 303,75 206,83 1,47

112 303,75 38,87 7,81

113 303,75 2,33 130,31

Седьмой расчетный случай (Рывок +2,5 МН)

1 378,00 61,64 6,13

2 378,00 61,46 6,15

3 310,50 36,53 8,50

4 310,50 42,74 7,26

5 378,00 166,03 2,28

6 378,00 59,55 6,35

7 378,00 7,91 47,78

8 378,00 4,05 93,29