Кроме полного объема, различают погрузочный объем кузова

(1.2)

где j — коэффициент использования геометрического объёма ку­зова.

У крытых и изотермических вагонов обычно j < 1, у цистерн j = 1, а у полувагонов при загрузке их выше уровня стен (с шапкой) j > 1.

Учитывая выражение (1.2), формула (1.1) принимает вид:

(1.3)

Для платформ вместо удельного объёма определяют удельнуюплощадь пола –

(1.4)

где F — полная площадь пола, м²;

Н — высота погрузки, м.

Высота погрузки сыпучих грузов определяется высотой бортов платформы и углом естественного откоса груза с учётом его уменьшения во время движения, а для остальных грузов — очертаниями верхних линий габаритов подвижного состава.

От величины удельных объёмов и удельных площадей зависит ис­пользование объёма и грузоподъёмности вагонов, а следовательно,

себестоимость перевозок, размер и стоимость парка вагонов, необходи­мых для данного объёма перевозок.

При перевозке в вагоне одного вида груза с объёмом массой r

(в т/м³) целесообразные удельный объём и удельная площадь составляют:

; (1.5)

; (1.6)

Если вагон предназначен для перевозки различных грузов, с разными r и j , то выбор целесообразных значений удельных объемов и площадей существенно усложняется.

Расчёт удельного объёма и удельной площади вагона по грузам с наименьшими значениями риф приводит к недоиспользованию объёма кузова при перевозке остальных грузов в этом вагоне. Недоиспользова­ние объёма кузова означает излишнюю затрату материала на его изготовление, т.е. излишнюю тару вагона по сравнению с вагоном, имеющим рациональные значения объемов и площадей.

Если удельный объём и удельная площадь выбраны по грузам с наибольшими значениями r и j, то при перевозке остальных грузов будет недоиспользование грузоподъёмности вагона. В связи с этим потребуется большее число вагонов для данного объёма перевозок, чем при лучшем использовании грузоподъёмности. Недоиспользование гру­зоподъёмности означает также неэффективное использование несущих элементов вагонов, рассчитанных на загрузку вагона в соответствии с его грузоподъёмностью.

Повысить использование грузоподъёмно­сти вагонов, увеличить их статическую нагрузку позволяет применение уплотненной погрузки грузов.

Статическая нагрузкаопределяет количество груза, которое загру­жается в вагон. Для каждого вида груза её можно определить по формуле

(1.7)

где Р — грузоподъёмность вагона;

— коэффициент использования грузоподъёмности для -го груза.

Средняя статическая нагрузкадля каждого типа вагона, в котором перевозятся различные грузы —

(1.8)

где а_i. — абсолютное количество или доля i-го груза в общем объёме грузов, перевозимых рассматриваемым типом вагона.

Статическая нагрузка определяет количество груза в вагоне без учёта расстояния его перевозки. Для учёта этого расстояния пользуются другим показателем — средней динамической нагрузкой вагонарассматриваемого типа —

(1.9)

где l_i — среднее расстояние перевозки i-го груза.

Коэффициенты тары

Снижение тары вагонаявляется одной из важнейших задач вагоно­строительной промышленности. Это обусловлено не только большим расходом материала (преимущественно металла) на постройку вагонов, но главным образом значительными постоянными затратами на передвиже­ние вагонов, которые возрастают с увеличением их тары.

Поскольку при уменьшении тары грузовых вагонов может быть увеличена их грузоподъёмность, то тем самым обеспечивается возраста­ние провозной способности железных дорог за счёт повышения массы нетто поездов. При неизменных размерах перевозок снижение тары обеспечивает сокращение парка вагонов и локомотивов, потребности в развитии пропускной способности железных дорог, локомотивных и поездных бригад. Если при снижении тары вагонов не повышается грузоподъёмность, то уменьшается нагрузка от колёсных пар на рельсы, благодаря чему увеличивается срок службы рельсов, колёс, тормозных колодок, букс.

Одновременно уменьшается сопротивление движению, что при неиз­менной силе тяги локомотивов позволяет увеличить скорость движения поездов и за счёт этого повысить пропускную способность железных дорог или сократить расход электроэнергии и топлива, потребляемых локомотивами. Уменьшаются также динамические усилия, что, в свою очередь, способствует снижению тары вагона.

Таким образом, снижение тары вагонов обеспечивает возрастание провозной способности дорог, экономию металла, идущего на постройку вагонов и локомотивов, экономию электроэнергии и топлива, расходуе­мых локомотивами, ускорение и снижение себестоимости перевозок, сокращение (в большинстве случаев) капиталовложений в вагонный и локомотивный парки и в развитие пропускной способности.

Даже небольшое уменьшение тары вагонов сопровождается значи­тельным эффектом, что обусловлено массовостью вагонного парка. Однако снижение тары вагонов должно осуществляться без ущерба для безопасности движения поездов и эксплуатационной надёжности вагонов.

Эффективность снижения тары грузового вагона оценивается коэффи­циентами тары — техническим, погрузочным и эксплуатационным.

Технический, или конструктивный, коэффициент тары представляет собой отношение тары вагона к его грузоподъёмности:

(1.10)

где Т — тара вагона, т.

Погрузочныйкоэффициент тары представляет собой отношение тары к фактически используемой грузоподъёмности вагона:

(1.11)

где , — коэффициент использования грузоподъёмности вагона. Эксплуатационныйкоэффициент тары дополнительно учитывает пробеги вагонов в гружёном и порожнем состоянии:

(1.12)

где — коэффициент порожнего пробега, равный отношению порожнего пробега вагонов данного типа к гружёному пробегу (имеется в виду порожний пробег, обусловленный недостаточной универсальнос­тью вагона).

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

Снижение технического коэффициента тары достигается путём уменьшения тары вагона и увеличения его грузоподъёмности. Для уменьшения погрузочного коэффициента тары дополнительно требуется повысить использование грузоподъёмности, а для снижения эксплуата­ционного коэффициента тары — также сократить порожний пробег за счет повышения универсальности вагона. Если обеспечивают полное использование грузоподъёмности и устраняют порожний пробег,

т.е. = 1 и = 0, то К_Т =К_П =К_Э . Однако для универсальных вагонов, обращающихся по всей сети железных дорог, этого достичь не удаётся и поэтому К_Т < К_П < К_Э.

Снижение тары вагонов достигается:

уменьшением усилий,действующих на вагон и его части (повышение статического прогиба и обеспечения оптимальных величин демпфирую­щих усилий, а также поперечной устойчивости рессорного подвешива­ния; уменьшение массы необрессоренных частей вагона и устранение дефектов колёсных пар; снижение центра тяжести вагона и уменьшение его смещения от вертикальной оси симметрии; уменьшение продольных нагрузок и т.п.);

целесообразными конструктивными формамивагонов и их частей (цельнонесущие кузова с облегчёнными или частично удалёнными хреб­товыми балками, устранение излишних запасов прочности в деталях кузова; уменьшение эксцентриситетов в узлах, соединяющих несущие элементы, рационализация сечений и профилей, совершенствование свар­ных соединений; облегчение колёсных пар, букс, рессорного подвешива­ния, рам тележек, деталей тормозного оборудования, снижение массы деталей внутреннего оборудования вагонов и т.п.);

целесообразным выбором материаловдля частей вагонов (примене­ние низколегированных сталей, лёгких сплавов, пластмасс и т.п.);

совершенствованием технологии изготовления и ремонтавагонов (улучшение качества поверхности, применение поверхностного упроч­нения деталей; совершенствование технологии литья и проката; повы­шение качества сварки; улучшение технологии изготовления и ремонта рессор и пружин; обеспечение защиты металлических частей от корро­зии и т.п.).

Важное значение для снижения тары вагонов имеет совершенствова­ние методов расчёта и испытаний вагонов и их узлов (достоверная оценка нагрузок; правильная оценка напряжённого состояния; пра­вильный выбор запасов прочности и др.).

Грузоподъёмность, осевая и погонная нагрузки вагона

Грузоподъёмность, являясь основным параметром вагона, принадле­жит одновременно к важнейшим параметрам железнодорожного транс­порта в целом.

Чем больше грузоподъёмность вагона, тем больше его производи­тельность, т.е. количество (по объему) перевозок, выполняемых в еди­ницу времени. Известно, что производительность вагона одновременно служит косвенным показателем производительности трудана железно­дорожном транспорте. Всемерное повышение производительности труда является важной задачей.

Исследования показывают, что увеличение грузоподъёмности обычно сопровождается уменьшением приведенных затрат, хотя в отдельных случаях возможно создание большегрузных конструкций, для которых эти затраты больше, чем для вагона меньшей грузоподъёмности.

Наблюдаемая во всём мире тенден­ция роста грузоподъёмности вагонов обусловлена важными достоинст­вами большегрузных конструкций.

Преимуществами вагонов большой грузоподъёмностиявляются:

снижение коэффициентов тары, поскольку при увеличении грузо­подъёмности вагонов масса автосцепного устройства, автотормозного оборудования, торцовых стен кузова, ходовых частей и некоторых других элементов конструкции либо не изменяется, либо возрастает в меньшей степени, чем грузоподъёмность;

уменьшение удельного сопротивления движению, в результа­те чего сокращается расход электроэнергии и топлива, потребляемых локомотивами, или повышается пропускная способность железных дорог за счёт возрастания скорости движения, или провозная способность за счёт увеличения массы поезда;

рациональное использование автосцепки, автотормозов, роликовых подшипников, прогрессивных видов тяги и мощных локомотивов. В связи с этим повышается масса поезда и скорость его движения;

увеличение (в большинстве случаев) погонной нагрузки и за счёт этого возрастание массы поезда при неизменной длине станционных путей и сокращение капитальных вложений в развитие пропускной спо­собности дорог;

уменьшение капитальных вложений в вагонный парк или возраста­ние его суммарной грузоподъёмности при неизменных затратах; сокра­щение расхода металла на единицу грузоподъёмности;

снижение затрат на маневровую работу, взвешивание вагонов и до­кументальное оформление грузов;

сокращение расходов по ремонту и содержанию вагонов, отнесённых на единицу грузоподъёмности.

Рассмотрим факторы, от которых зависит грузоподъёмность вагонов.

Исходя из структуры грузооборотаи рационального использования габаритов подвижного состава,грузоподъёмность вагона определяется выражением

(1.13)

где V_габ — объём кузова, вычисленный при размерах вагона, установ­ленных путём вписывания в габарит подвижного состава, м³;

V_у.опт — удельный объём, выбранный как оптимальная величина для данного грузооборота, м³/т.

Дальностьперевозоксущественно влияет на выбор грузоподъёмности вагона. Известно, что расходы, непосредственно связанные с передвижением груза, прямо пропорциональны расстоянию перевозки, тогда как издержки на начально-конечную операцию не зависят от расстояния перевозки грузов.

Чем больше дальность перевозки, тем большее удельное значение в общих транспортных издержках приобретают расходы на передвижение груза и тем меньше расходы на начально-конечную операцию. Поэтому в странах со значительной дальностью перевозок (США, Канада и др.) применяют вагоны большой грузоподъёмностью, которые требуют наи­меньших расходов на их передвижение. В странах с малой дальностью перевозок (Англия, Франция, ФРГ, Бельгия и др.) большое значение имеет уменьшение расходов, не зависящих от расстояния перевозки, что дости­жимо и при вагонах малой грузоподъёмности.

Величина отправок грузовтакже влияет на выбор грузоподъёмности вагона. Существует три вида отправок: повагонные, мелкие и контейнер­ные. Анализ планов перевозок и результатов их выполнения показывает, что размеры минимальных повагонных отправок грузов, перевозимых в полувагонах и цистернах, как правило, превышают возможную грузоподъёмность этих типов вагона. Несколько меньшую величину отправок имеют грузы, перевозимые в крытых вагонах и на платформах. Однако удельный вес малых повагонных отправок в грузообороте страны незначителен. Малые по­вагонные отправки так же, как и мелкие отправки, целесообразно перевозить в контейнерах.

Электрическая и тепловозная тягапри мощных локомотивах обе­спечивают возможность значительного увеличения массы поездов и обусловленного этим повышения провозной способности, роста произ­водительности труда, снижения эксплуатационных расходов железнодо­рожного транспорта.

Одним из важных условий увеличения массы поездов является насыщение вагонного парка вагонами большой грузоподъёмности.

Конструкция и состояние железнодорожного путиобусловливают величину допускаемой статической нагрузки от колёсной пары на рель­сы, обычно называемой осевой нагрузкой.

Допускаемую величину осевой нагрузки выбирают в зависимости от типа рельсов, числа шпал на 1 км пути, рода балласта. Существенное влияние оказывает грузонапряжённость линий. Грузоподъёмность ваго­на, определяемая мощностью пути, составляет

(1.14)

где р_о — допускаемая осевая нагрузка, кН (тс);

т_о — число колёсных пар в вагоне;

К_Т — технический коэффициент тары вагона.

Из формулы (1.14) следует, что увеличение грузоподъёмности вагона достигается повышением допускаемой осевой нагрузки и осности ва­гона, а также снижением коэффициента тары.

Для повышения эффективности конструкции вагона желательна большая величина осевой нагрузки. Однако, исходя из мощности пути и экономичности его содержания, для проектируемых основных типов вагонов осевая нагрузка в настоящее время ограничена величи­ной 228...245 кН (23,25—25 тс).

Дальнейшее увеличение осевой нагрузки связано с необходимостью повышения мощности пути и при том по всей сети дорог, поскольку основные типы вагонов являются вездеходными.

При решении вопроса о повышении осевой нагрузки необходимо учитывать, что путь является дорогостоящим сооружением — на путе­вое хозяйство приходится 47% основных фондов производственного на­значения железнодорожного транспорта. Увеличение осевой нагрузки существенно повышает повреждения пути.

Важное значение имеет уменьшение динамических нагрузок, пере­дающихся от колёсных пар на путь, так как воздействие вагонов на путь определяется суммой статических и динамических нагрузок. Имеет значение также расстояние между колёсами (при малом расстоянии напряжения в основной площадке земляного полотна могут превышать допускаемые).

При ограниченных возможностях значительного увеличения осевой нагрузки и уменьшения коэффициента тары основным средством повышения грузоподъёмности является увеличение осности вагона.

Одним из главных показателей, обусловливающих эффективность вагона, является статическая нагрузка вагона, приходящаяся на 1 м пути, называемая погонной нагрузкой.

Нагрузку, получаемую в результате деления массы брутто вагона на общую его длину (измеряемую по осям сцепления автосцепок), называ­ют погонной нагрузкой брутто.Если разделить грузоподъёмность на общую длину вагона, получим погоннуюнагрузку нетто.Разделив среднюю динамическую нагрузку вагона Р_дин на его общую длину 2L_об, получим среднюю погонную нагрузку нетто:

(1.15)

Повышение средней погонной нагрузки нетто при неизменной длине станционных путей позволяет увеличить полезную массу поезда, и, следовательно, повысить провозную способность дорог, отдалить затра­ты на развитие их пропускной способности.

Например, масса брутто поезда, составленного из восьмиосных полувагонов с погонной нагрузкой брутто 8,6 т/м на 37 % больше массы брутто поезда равной длины, сформированного из четырёхосных полувагонов с погонной нагрузкой брутто 6,3 т/м. При сравнении сред­них погонных нагрузок нетто этих вагонов полезная масса поезда увели­чивается на 36 %.

Кроме большой экономии капитальных вложений, увеличение по­гонной нагрузки вагонов обеспечивает значительное уменьшение се­бестоимости перевозок. Например, увеличение погонной нагрузки с 6 до 8 т/м обеспечивает сокращение эксплуатационных расходов на одно­путных линиях на 6% и на двухпутных — на 5%.

Допускаемая величина погонной нагрузки брутто определяется проч­ностьюмостов, а также устройством некоторых участков пути. Для основных типов вагонов общесетевого обращения допускаемой погонной нагрузкой брутто является 10,5 т/м. Связь между погонной нагрузкой и грузоподъёмностью вагона выражается формулой

(1.16)

где 2L_о6 — общая длина вагона, м;

q_п — погонная нагрузка брутто вагона, т/м.

Линейные размеры вагона

Зная удельный объем V_у, удельную площадь пола f_у, и грузоподъемность вагона Р, можно определить геометрический объем кузова V, а для платформ – площадь пола F:

V=PV_у; (1.17)

F=Pf_у. (1.20)

Внутренняя длина крытых, изотермических и полувагонов может быть определена из выражения:

(1.21)

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

Внутренняя длина платформы

(1.22)

где 2В_В – внутренняя ширина платформы, м.

Длина платформы и полувагона вбирается с учетом существующих сортаментов длинномерных грузов. В частности, длину платформы и полувагона желательно иметь кратной величине 6,6 …6,7 м, соответствующей длине распространенных лесоматериалов с учетом зазоров между штабелями и стенами вагона. Исходя из условий размещения контейнеров, внутреннюю длину платформы и полувагона целесооб­разно принимать кратной 2170 мм. Кроме того, длина, ширина и высота полувагона должны соответствовать размерам вагоноопрокидывателей. Однако в ряде случаев выгоднее размеры вагоноопрокидывателей при­спосабливать к размерам полувагонов.

Длину котла цистерны устанавливают в зависимости от диаметра кот­ла, форм днища, колпака и других частей, определяющих объём котла.

Увеличение диаметра и уменьшение длины котла снижают его мас­су, но уменьшают прочность и жёсткость. Увеличение диаметра котла повышает центр тяжести цистерны, а уменьшение длины обычно сокра­щает базу цистерны. Всё это ведёт к ухудшению устойчивости и плавности хода цистерны, что существенно для четырёхосных конструк­ций. Пределом увеличения диаметра котла является габарит подвижного состава. Размеры длины котла обычно связаны с допускаемой погонной нагрузкой вагона, которую, как указано выше, целесообразно возможно полнее использовать.

Для ориентировочного определения диаметра котла D четырёхосной цистерны с учётом перечисленных факторов может быть использована формула

(1.23)

где V — объём котла.

Для цистерн с большим объёмом котла, например, восьмиосных, диаметр, определяемый по этой формуле, превышает допустимый по условиям вписывания в габарит подвижного состава, который в данном случае является определяющим фактором.

При малых колпаках, которые имеют цистерны последних лет пост­ройки, объем, вычисленный по формуле (1.17), увеличивают на 2—3% для обеспечения расширения груза при повышении температуры.

Для достижения возможно большей погонной нагрузки внутрен­нюю ширину и внутреннюю высоту вагона целесообразно принимать максимальными в пределах заданного габарита подвижного состава. Исходя из обычных способов размещения существующего съёмного оборудования, внутреннюю ширину крытого вагона, используемого для перевозок людей, принимают равной 2760 мм. Если при проектировании подобного вагона имеется возможность осуществить значительно боль­шую ширину и тем самым повысить эффективность конструкции, то могут быть найдены иные способы использования существующего съём­ного оборудования.

Для обеспечения погрузки контейнеров внутреннюю ширину полува­гона и платформы принимают не менее 2730...2740 мм (ширина двух контейнеров грузоподъёмностью 3 т или одного грузоподъёмностью 5 т

с учётом зазоров между контейнерами и стенами вагона).

Чтобы обеспечить лучшее использование грузоподъёмности плат­форм при перевозке в них сыпучих грузов, необходимо увеличить высо­ту бортов. Однако при этом возрастет их масса, что затруднит открытие и закрытие бортов. Кроме того, высота бортов выбирается с учётом возможности перевозки ряда грузов с опущенными бортами. При этом положении они не должны выходить за пределы нижнего очертания габарита подвижного состава, а торцовые борты должны размещаться в межвагонном пространстве с учётом безопасного положения человека между бортами двух платформ.

Установив внутренние размеры кузова, определяют наружные его размеры:

наружная длина кузова —

(1.24))

где а_T — толщина торцовой стены кузова, м;

наружная ширина кузова —

(1.25)

где а_б — толщина боковой стены, м.

В крытых вагонах учитывают также толщину боковой двери, в цистер­нах — наружную лестницу (если она расположена по бокам котла) и т.п.

Длина рамы кузова 2L_рм у большинства конструкций вагонов совпадает с длиной кузова.

Общая длина вагона определяется по формуле:

(1.26)

где а_а — вылет автосцепки, т. е. расстояние от оси сцепления авто­сцепок до концевой (буферной) балки, м.

Если выбрана длина консоли п_к , то база вагона может быть определена из выражения:

(1.27)

Линейные размеры, вычисленные по формулам (1.21)...(1.27), уточ­няют путём вписывания вагона в габарит и исходя из других требова­ний, предъявляемых к вагонам. При этом целесообразно выполнять сравнительный анализ параметров и конструктивных форм вагонов, успешно эксплуатируемых на дорогах России и зарубежных стран.