Расчет технико-экономических характеристик, связанных с оценкой оптимальности линейных размеров, с учетом ограничений, накладываемых на конструкции грузовых вагонов

При экспертных оценках грузовых вагонов необходимо учитывать ряд обязательных ограничений. Прежде всего, к ним относятся допустимые уровни осевых и погонных нагрузок, но не менее важно такое ограничение, как габарит подвижного состава.

Для оценки эффективности использования кузовом вагона погрузочных возможностей рассмотрим три его конструктивных исполнения: для номинальных линейных размеров (длина вагона по осям сцепления автосцепок такая же как у вагона-прототипа) и два варианта с измененной длиной (2L_сцI + 0,5 м и 2L_сцI – 0,5 м).

Таким образом, 2L_сцII =12,52 м, 2L_сцIII =11,52 м.

Для пересчета линейных размеров вагона с увеличенной и уменьшенной длинной воспользуемся следующими формулами:

Длина вагона по раме:

2L_к = 2L_сц – 2· а_а.

2L_кII = 11,3 м, 2L_кIII = 10,3 м.

-10-

Длина базы вагона:

2ℓ_II = 8 м, 2ℓ_III = 7,28 м.

1.2.1 Вписывание вагона в габарит

Линейные размеры вагона и габарит подвижного состава, требованиям которых должен удовлетворять каждый вагон, вновь проектируемый и находящийся в эксплуатации, взаимосвязаны между собой. Габариты накладывают ограничения на линейные размеры вагона, от которых зависит его производительность.

При вписывании вагона в габарит определяется наибольшая ширина строительного очертания вагона на высоте Н от уровня головок рельсов.

Ограничение полуширины вагона для любого поперечного сечения, расположенного между направляющими (шкворневыми) сечениями:

Е_в = S_к – d_г + q + w + [k₂(l² – x²) + k₁ – k₃] – k, (1.1)

где: S_к –максимальная полуширина колеи в кривой расчётного радиуса, мм;

d_г – половина минимального расстояния между наружными гранями предельно изношенных гребней колёс, мм;

-11-

S_к – d_г – максимальный разбег изношенной колесной пары между рельсами, мм; S_к – d_г = 27мм;

q + w –горизонтальные поперечные смещения из-за износов и зазоров между отдельными узлами вагона, мм; для тележки модели 18-100: q + w = 31мм;

2 l – база вагона, м;

x – расстояние от поперечной оси симметрии вагона (центр вагона) до рассматриваемого сечения, м; наибольшей величиной выносов обладают сечения с координатами х = 0 (для Е_в) и х = L_к (для Е_н);

мм – величина до­пол­ни­тель­ного поперечного смещения, из-за выносов подпятника надрессорной балки тележки в кривой;

k₂ – коэффициент, зависящий от расчётного радиуса кривой и обусловленный переводом размеров в метрах к выносам в миллиметрах;

k₃ – величина уширения габарита для Т, 1-Т, Тц, Тпр и 1-ВМ на кривом участке пути, определяемая по выносам расчетного вагона в кривых участках пути R = 200 м, мм, мм; k₃ = 180 мм (используется только для отечественных габаритов подвижного состава);

-12-

k – величина, на которую допускается выход подвижного состава, проектируемого по габаритам 0-ВМ, 02-ВМ и 03-ВМ за очертания этих габаритов в кривых участках пути R = 250 м, мм; k = 75 мм (используется только для международных габаритов подвижного состава);

Если при расчетах по формулам (1.1÷1.3) отдельно взятая величина в квадратных скобках [ ] окажется отрицательной, то она не учитывается, то есть принимается равной нулю.

мм.

мм.

мм.

Ограничение полуширины вагона для поперечного сечения, расположенного в консольной части вагона:

(1.2)

Ограничение полуширины вагона для направляющих сечений вагона:

-13-

(1.3)

мм.

Вычислив ограничения полуширины вагона, получили наибольшую ширину строительного очертания, вписываемого в габарит вагона на рассматриваемой высоте от уровня верха головок рельсов:

2 B = 2·(B_г – max(E_в, Е_н, Е₀)), (1.4)

где B_г – полуширина габарита подвижного состава, мм.

Таблица 1.2

Обозначение габарита	Т	Тц, 1-Т	Тпр	1-ВМ	0-ВМ	02-ВМ, 03-ВМ
Полуширина габарита, мм

2 B_I = 2·(1575 – 31,5) = 3087 мм.

2 B_II = 2·(1575 – 37,1) = 3075,8 мм.

2 B_III = 2·(1575 – 31,9) = 3086,2 мм.

-14-

Вывод:

Проектное очертание вагона получают изменением размеров строительного очертания на величину допускаемых при постройке технологических отклонений. Ширина рассматриваемого вагона с учетом стандартного внутреннего диаметра котла 3000 мм, толщин его цилиндрической части и допускаемых технологических отклонений равна 3040 мм. Отсюда следует, что вагон может использоваться в рамках габарита 02-ВМ, т.к. полученная в результате расчетов по формуле (1.4) его допустимая ширина составляет 3075,8 мм ≥ 3040 мм.

Рассмотрение стандартного диаметра котла характерно только для вагонов-цистерн, причем диаметр котла при этом меняется с шагом в 200 мм, т.е. (2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200 мм), что обусловлено особенностями изготовления котлов вагонов-цистерн. Для остальных вагонов при дальнейших расчетах принимаются значения максимально допустимой ширины кузова 2 В.

-15-

1.2.2 Технико-экономические характеристики, связанные с оценкой оптимальности линейных размеров

К ним относятся средняя статическая нагрузка для вагона, в котором перевозятся различные грузы. Она рассчитывается по формуле:

, (1.5)

где: – доля i -го груза в общем объеме, %;

Р_ci – статическая нагрузка i -го груза, тс;

, (1.6)

где v_i – удельный объем i -того груза.

Для полувагона и крытого вагона объем кузова может быть вычислен по формуле:

где Н – внутренняя высота кузова полувагона или внутренняя высота боковой стены крытого вагона (без учета высоты его крыши).

Для цистерны объем котла может быть вычислен по формуле:

-16-

где D_в – внутренний диаметр котла цистерны; D_в = 3,0 м;

L_кот – половина длины котла; L_котI = 5,385 м, L_котII = 5,635 м, L_котIII = 5,135 м;

h_д – высота эллиптического днища, h_д =0,61 м.

Для платформы формула (1.6) примет вид:

, (1.7)

где s_i – удельная площадь, занимаемая i -тым грузом;

– общая площадь пола платформы.

Таким образом, по формулам (1.6) или (1.7) вычислены максимальные возможные величины загрузки вагона из условия полного заполнения объема его кузова тем или иным i -тым грузом. Однако, следует учитывать такое ограничение, накладываемое на конструкцию вагона, как допустимое значение осевой нагрузки.

-17-

Из условия не превышения допустимого уровня осевой нагрузки запишем выражение для вычисления максимальной грузоподъем­ности конструкции вагона рассматриваемой длины:

P_max=q_o·m – Т, (1.8)

где q_o – максимальная допустимая осевая нагрузка (наиболее распространенная в настоящее время тележка модели 18-100 имеет допустимый уровень осевой нагрузки q_o = 23,5 тс/ось, но для возможности сопоставления с характеристиками вагона-прототипа выберем уровнем осевой нагрузки q_o = 21,0 тс/ось);

m – количество осей в вагоне (рассматриваемая цистерна – четырехосная);

Т – тара вагона (зависит от длины вагона).

Тара вагона может быть вычислена по формуле:

Т=а₀+а₁·2L_к, (1.9)

где а₀ – условно постоянный коэффициент тары вагона;

а₁ – переменный коэффициент тары вагона;

а₀ = m_т·n_т+m_уд·n_уд+m_тор·n_тор,

где m_т = 5т, m_уд = 0,9 т, m_тор = 0,5 т, соответственно, массы одной тележки, одного комплекта ударно-тяговых устройств и торцевых частей кузова (в данном случае эллиптических днищ котла);

-18-

n_т = 2; m_уд = 2, n_тор = 2, соответственно, количество тележек, комплектов ударно-тяговых устройств и торцевых частей кузова.

а₀ = 5·2+0,9·2+0,5·2 = 12,8 т.

Определим значение коэффициента а₁ по формуле:

где Т_в.п. – тара вагона прототипа (в данном случае вагоном-прототипом выступает цистерна модели 15-1443);

– длина по раме вагона-прототипа.

Подставив полученные значения в формулу (1.9), получим:

Для вагона-прототипа:

Т_I=12,8+1,037·10,8=24 т.

Для вагона с длиной, увеличенной на 0,5 м:

Т_II=12,8+1,037·11,3=24,52 т.

Для вагона с длиной, уменьшенной на 0,5 м:

Т_III=12,8+1,037·10,3=23,48 т.

Воспользовавшись формулой (1.8), получим:

P_maxI = 21·4 – 24 = 60 т.

P_maxII = 21·4 – 24,52 = 59,48 т.

-19-

P_maxIII = 21·4 – 23,48 = 60,52 т.

Для подсчета P_сi произведем отбор результатов по следующему критерию:

P_сi = min(P_i, P_max), (1.10)

Полученные значения P_i и P_сi приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3

Длина вагона по раме, м	2LкI = 10,8 м	2LкII = 11,3 м	2LкIII = 10,3 м
Pi, т	53,79	58,57	60,40	56,39	61,4	63,33	51,2	55,74	57,49
Pci, т	53,79	58,57	60,0	56,39	59,48	59,48	51,2	55,74	57,49

Рассчитывается средняя статическая нагрузка:

Затем рассчитывается средняя динамическая нагрузка вагона :

-20-

(1.11)

где: l_i - среднее расстояние перевозки i -го груза, км.

Кроме того к относительным технико-экономическим показателям вагона относятся технический и погрузочный коэффициенты тары вагона, от которых зависят расходы на перевозочный процесс.

Средний погрузочный коэффициент тары;

(1.12)

Технический коэффициент тары:

(1.13)

-21-

Принимается, что главным показателем эффективности вагона является величина средней погонной нагрузки нетто , т.к. этой нагрузкой определяются провозные способности железных дорог.

Средняя погонная нагрузка нетто:

(1.14)

Таким образом, при изменении длины вагона его погонная нагрузка нетто не увеличивается.

Вывод:

Из расчетов видно, что в случае перевозки вышеперечисленной номенклатуры грузов не происходит повышения средней погонной нагрузки вагона нетто при изменении его длины на ± 0,5 м. Повышение средней погонной нагрузки нетто при неизменной длине станционных путей позволяет увеличивать полезную массу поезда и, следовательно, повысить провозную способность железных дорог и отдалить затраты на развитие их пропускной способности.

-22-

Однако, следует отметить, что если бы в расчетах был принят уровень осевой нагрузки не 21,0 тс/ось, а общепринятый на сети железных дорог РФ 23,5 тс/ось или внедряемый в настоящее время уровень осевой нагрузки 25,0 тс/ось, то эффективная величина длины вагона по осям сцепления автосцепок для тех же грузов получается 13,27 м и 14,27 м соответственно.

Более точным вариантом решения приведенной выше задачи может быть программа, в которой по тем же зависимостям рассматривается не три значения длины вагона по осям сцепления автосцепок, а весь рациональный диапазон таких длин, рассматриваемых с заданным шагом между соседними значениями.

В Приложении представлен пример составления такой программы с использованием Microsoft Excel.

По результатам расчетов в этой программе наиболее эффективной длиной вагона по осям сцепления автосцепок, выведенной с учетом максимума погонной нагрузки вагона нетто является 2 L_сц = 12,02 м, что идентично результату, полученному выше.

-23-