Классификация кузовов вагонов

Тип грузового вагона и устройство определяются его назначением и конструкцией кузова. Кузовом называется часть вагона, предназначенная для размещения в нем грузов. В эксплуатации находится большое разнообразие кузовов грузовых вагонов, поэтому они классифицируются в зависимости от рода перевозимых грузов, материала обшивки, конструкции рамы и устройств погрузки и выгрузки грузов.

В зависимости от рода перевозимых грузов кузова делятся на открытые (у платформ, полувагонов, думпкаров, хопперов–дозаторов и транспортеров) и закрытые (у крытых, изотермических вагонов, цистерн, зерно- и цементовозов, других крытых вагонов бункерного типа). В зависимости от конструкции рамы - со сквозной хребтовой балкой и несквозной (без хребтовой балки). В зависимости от материала обшивки – на кузов с металлической и деревянной обшивкой. В зависимости от конструкции элементов для загрузки и выгрузки грузов – с дверями на боковых стенах или с люками в крыше и полу (при отсутствии крыши – только с люками в полу). В свою очередь, закрытые кузова бывают без теплоизоляции, с теплоизоляцией и различными системами принудительного охлаждения (обогрева) грузов или без них.

Кузов пассажирских вагонов по конструкции и размерам основных типов унифицирован. Он выполняется цельнометаллическим, сварным, несущей конструкцией типа замкнутой оболочки, с оконными и дверными

-4-

проемами в стенах, длиной 23.6 м. Расположение и размеры проемов обусловлены архитектурно (планировочными решениями при проектировании вагонов). Такие цельнонесущие кузова наиболее рациональны, так как при минимальной массе они обеспечивают необходимую прочность, устойчивость и долговечность. Для несущих элементов конструкции кузова применяются низколегированные и углеродистые стали различных марок с широким использованием, в качестве подкрепляющих элементов обшивки, рациональных форм гнутых профилей. В практике вагоностроения кузова пассажирских вагонов имеют две разновидности: со сквозной хребтовой балкой и с хребтовой балкой только в консольных частях рамы, так называемые кузова без хребтовой балки. Вагоны отечественной постройки выпускались с хребтовой балкой постоянного сечения и выпускаются по настоящее время с хребтовыми балками переменного сечения. Вагоны купейные с жесткими местами постройки Германии, изготовлены с рамами без хребтовых балок. Они состоят из несущей металлоконструкции кузова, теплоизоляции, внутренней обшивки, окон, дверей, внутреннего оборудования и санитарно-технических обустройств (отопление, вентиляция, водоснабжение), а также системы энергоснабжения и освещения вагонов.

Несмотря на существенное многообразие как грузовых, так и пассажирских вагонов, в их конструкции может быть и много общего.

В кузове различают основную несущую конструкцию, вспомогательные несущие элементы, несущие элементы, выполняющие другие специальные функции.

Основной несущей конструкцией кузова называют совокупность элементов, которые обеспечивают необходимые прочность и жесткость кузова при всех

-5-

эксплуатационных нагрузках. Нижняя часть несущей конструкции кузова, обычно располагающаяся под настилом пола, называется рамой вагона.

Несущие конструкции, применяемые для кузовов вагонов, разделяются по характеру размещения несущих элементов на три основных типа (рис.1, участки кузова, на которых размещается несущая конструкция, отмечены толстыми линиями).

В схеме (рис.1а) главным несущим элементом является рама, которая рассчитывается на восприятие всех вертикальных и продольных нагрузок, действующих на кузов. В схеме (рис.1б) несущими элементами являются рама и боковые стены. В схеме (рис. 1в) рама, боковые стены и крыша составляют единую несущую систему.

Каждый из перечисленных типов оказывается целесообразным в зависимости от особенности назначения вагона, архитектурного замысла или других соображений.

По принципиальной структуре, которая определяет расчетную схему, несущие конструкции кузовов разделяются на следующие классы:

- стержневые системы, представляющие собой системы соединенных между собой стержней;

- подкрепленные листовые системы, в которых несущими элементами являются металлические листы обшивки и связанный с ними набор стержней и балок;

- смешанные системы, когда одни части конструкции имеют листовую структуру, а другие стержневую.

Стержневые несущие системы подразделяются на фермы (раскосные системы), рамные системы (безраскосные) и комбинированные системы. Наиболее распространен последний вариант. Например, большая часть проектируемых ранее крытых грузовых четырехосных вагонов, имела несущую конструкцию боковых стен в виде ферм, а рама выполнялась в виде

-6-

безраскосной стержневой системы. Боковые балки рамы одновременно являются нижними поясами ферм.

Рис. 1 Типы несущих конструкций кузовов

Рис. 2 Схема нагружения рамы в системе кузова

Подкрепленные листовые системы имеют основную разновидность в виде конструкции типа замкнутой оболочки, в которой подкрепленная обшивка боковых стен, рамы и крыши образуют замкнутую оболочку (коробчатую балку). По этому типу строят кузова современных пассажирских и некоторых грузовых вагонов.

-7-

Подкрепляющие обшивку поперечные элементы (поперечные балки рамы, стойки боковых стен и дуги крыши) стремятся соединить в замкнутые кольца (шпангоуты). Однако для упрощения технологии сборки кузова эти условия не всегда соблюдаются. Подкрепляющие обшивку продольные элементы выполняются в виде тонкостенных стержней – стрингеров или гофров.

Смешанные конструкции являются наиболее распространенными, особенно два их вида. В одном из них подкрепленная обшивка боковых стен и крыши образует открытую оболочку П-образного сечения связанную с рамой, которая не имеет несущей обшивки и представляет собой стержневую систему. Такая конструкция свойственна многим крытым грузовым вагонам. В другом боковые стены имеют листовую конструкцию, а рама – стержневую. Крыша отсутствует. По такому типу строят современные полувагоны. Вертикальные стены с тонкой несущей обшивкой принято называть балками-стенками.

Рамы вагонов

Общая особенность рам вагонов обусловлена тем, что значительные внешние сосредоточенные силы, воздействующие на кузов, приложены именно к раме. Такими силами являются продольные сосредоточенные силы, передаваемые ударно-тяговыми приборами

(автосцепкой), и сосредоточенные реакции опор кузова от тележек (рис.2). На раму воздействует обычно и полезная нагрузка.

Чтобы обеспечить достаточную и местную прочность, правильно распределить и передать на конструкцию кузова большие сосредоточенные силы, в раме устраиваются специальные усиленные балки (элементы). Обычно такими элементами являются

-8-

шкворневые балки 1, воспринимающие опорные реакции, и хребтовая балка 2, загруженная продольными силами (рис.2).

В раме имеются, кроме того, промежуточные поперечные балки 4 и концевые поперечные балки 3. Шкворневые и промежуточные поперечные балки работают на изгиб, причем изгибающие моменты имеют наибольшую величину на среднем участке и убывают к концам. Указанные балки, с целью снижения их массы, как правило, выполняются в форме бруса, равного сопротивления изгибу.

Посередине шкворневых балок, снизу размещаются пятники, посредством которых кузов у большинства конструкций вагонов опирается на подпятники тележек. Боковая перевалка кузова относительно надрессорных балок тележек ограничивается боковыми вспомога-тельными опорами – скользунами. В центральные отверс-тия пятников и подпятников вставляются шкворни, вокруг геометрических осей которых происходят повороты тележек относительно кузова. Шкворни служат для пре-дотвращения выскакивания пятников из подпятников при случайных неблагоприятных соударениях вагонов. Гори-зонтальные силы передаются от тележек на кузов цили-ндрическими бортами подпятников через борты пятников.

В пассажирских вагонах применяются также конструкции, в которых осуществляется опора кузова

только на боковые скользуны. В этих случаях горизонтальные силы передает усиленный замковый шкворень.

В конструкцию рамы входят также боковые балки 5, одновременно являющиеся нижними продольными элементами боковых стен.

На рис. 2 сплошными линиями изображена схема

-9-

рамы, применяемой в современных грузовых и

пассажирских вагонах. Стрелками показаны сосредоточенные силы, действующие на раму: R- реакция пятников, Тс- продольные силы, передаваемые автосцепкой. Штриховыми линиями изображены боковые стены и крыша кузова. Полезная нагрузка, не показанная на рис. 2, непосредственно воздействует на настил пола и передается последним на боковые, поперечные и хребтовые балки рамы.

В полувагонах и крытых вагонах элементы рамы соединяются с несущими элементами боковых стен в единую несущую систему. Таким образом достигается наибольшая жесткость кузова и необходимая прочность при меньшей массе. Вертикальную нагрузку в этом случае несут главным образом жесткие боковые стены, а хребтовая балка в основном предназначена для передачи продольных сил.

Платформы

В качестве представителя первого типа кузовов (см. рис. 1а) может быть рассмотрена четырехосная платформа.

Платформы предназначены для перевозки колесных пар и гусеничной техники, грузов в ящичной упаковке, контейнеров, металлоконструкций, длинномерных и других народнохозяйственных грузов, не требующих укрытия и защиты от воздействия атмосферной среды. Платформы, как и все другие типы грузовых вагонов, разделяются на

универсальные и специализированные. К универсальным платформам относятся четырехосные платформы с боковыми торцовыми бортами, шарнирно связанными с рамой.

К специализированным платформам относятся четырехосные платформы для перевозки большегрузных контейнеров, легковых автомобилей, леса в хлыстах и

-10-

шестиосная платформа для перевозки трансформатора и др.

Особенностью конструкции универсальных платформ по сравнению с другими типами вагонов является то, что у них стены кузова выполнены в виде бортов, шарнирно связанных с рамой. Борта, кроме усилий от распора сыпучего груза, в восприятии эксплуатационных нагрузок участие не принимают. Поэтому кузова платформы имеют мощную раму, способную нести на себе все виды эксплуатационных нагрузок.

Более подробно устройство кузова и рамы платформы рассмотрим на примере платформы модели 13-4012.

Рис. 3 Универсальная четырехосная платформа с комбинированным настилом пола

Универсальная четырехосная платформа модели 13-4012 постройки Днепродзержинского вагоностроительного завода (рис. 3) спроектирована по габариту 0-ВМ и предназначена для эксплуатации по железным дорогам стран СНГ колеи 1520 мм и реконструированным дорогам колеи 1435 мм. Кузов платформы состоит из рамы 2 с

-11-

комбинированным настилом пола 10, восьми боковых 1 (по 4 на сторону) и двух торцевых 7 бортов. Боковые борта шарнирно закреплены на боковых балках рамы и каждый из них в закрытом положении удерживается тремя клиновыми запорами 3, а торцевые борта – двумя клиновыми запорами 6. Для удержания торцевых бортов в горизонтальном положении и использования их при погрузке колесной техники своим ходом на концевых балках рамы

установлено по четыре опорных кронштейна 8. Для увязки груза внутри кузова предусмотрены скобы 9, а снаружи – увязочные кольца 5. При перевозке навальных грузов, загруженных, выше бортов, на боковых балках рамы приварены скобы 4 для установки деревянных стоек.

Рама кузова (рис. 4) состоит из хребтовой 15, двух боковых 13, двух концевых 1, двух шкворневых 2, трех основных 5 и двух промежуточных поперечных 4 балок, которые совместно со вспомогательными продольными балками 3 и 9 служат для поддержания настила пола.

Два двутавра №70 переменной высоты по длине образуют хребтовую балку 15. Между собой двутавры связаны диафрагмами и упорами автосцепок. Узлы пересечения хребтовой и шкворневых балок усилены надпятниковыми диафрагмами 16. Боковая балка 13 выполнена из двутавра № 30 постоянной высоты по всей длине. С внешней стороны к ней приварены лесные скобы 6 и державки 7 клиновых запоров.

Концевые балки 1 сварные, постоянной но длине высоты, изготовлены из Г-образного листа толщиной 8 мм и элементов его усиления: двух уголков (150х60х6 мм) и четырех ребер, привариваемых с внутренней стороны балки на участках размещения кронштейнов 8.

Шкворневые балки 2 сварные, замкнутого коробчатого сечения, переменной высоты по длине.

-12-

Они состоят из двух вертикальных (8 мм), верхнего и нижнего

горизонтальных листов (10 мм). К нижним горизонтальным листам шкворневых балок приклепаны скользуны 17, а в зонах соединения с хребтовой балкой на болтах установлены пятники 18.

Основные поперечные балки 5 сварные двутаврового сечения, переменной высоты по длине и состоят из вертикального листа (8 мм) и двух горизонтальных (10 мм).

Рис. 4 Рама универсальной четырехосной платформы

Вспомогательные поперечные 4 и крайние продольные 3 балки, служащие для поддержания настила пола, выполнены из двутавра №10.

Поперечные балки 4 располагаются в раме ниже уровня пола на высоту вспомогательных продольных балок 3 с тем, чтобы обеспечить расположение их верха в одной плоскости с боковыми и упростить укладку настила пола. Настил пола комбинированный: металлический 10 в средней части и деревянный 11 по бокам. Доски пола

опираются на три продольные балки – 9,13 и 3. Один конец их заводится в S-образную балку 9, а другой болтами

-13-

крепится к боковой балке 13 рамы. Со стороны боковых

продольных балок доски армируют гнутыми П-образными элементами 14, к которым по длине приваривают увязочные скобы 12. Металлический пол 10 настлан из рифленого листа толщиной не менее 4 мм и шириной 1200 мм. Для крепления тормозного оборудования на раме предусмотрены необходимые кронштейны. Боковые борта платформы высотой 500 мм и длиной 3322 мм выполнены из специального гнутого профиля толщиной 3 мм с широкими продольными гофрами и отбортовками для обеспечения необходимой жесткости. Высота борта определяется расчетами при вписывании платформы в нижнюю зону габарита подвижного состава с учетом движения ее с опущенными бортами. Каждый борт фиксируется в закрытом положении тремя клиновыми запорами.

Торцевые борта высотой 400 мм выполнены из холодногнутого листа толщиной 4 мм с продольным гофром и запираются клиновыми запорами конструкции, аналогичной запорам боковых бортов. Высота торцовых бортов выбрана из условия безопасного размещения человека между сцепленными вагонами при откинутых бортах и полностью сжатых поглощающих аппаратах

автосцепок. Торцевые борта по концам соединяются с продольными при помощи запоров закидной конструкции. Все несущие элементы рамы изготовлены из низколегированной стали 09Г2Д, а борта–из стали 09Г2Д-2