ПОЛУВАГОН С ПОНИЖЕННЫМ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ КОНСТРУКЦИИ В.В. БОДРОВА Российский патент 2018 года по МПК B61D17/02 B61D3/00 B61D17/08 

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам, в частности к грузовым вагонам, и может быть использовано для модернизации существующих полувагонов и для разработки новых в направлении улучшения их технико-эксплуатационных параметров.

В связи с тем, что на магистральных железных дорогах России участились случаи аварий грузовых вагонов [1-3], транспортники-эксплуатационники отмечают, что наиболее значимая причина поломок деталей ходовых тележек - недопустимо большие напряжения в них при потере устойчивости движения «виляющих вагонов». В некоторых случаях сходы вагонов с рельс также связаны с потерей устойчивости движения. Порожние грузовые вагоны входят в режим самоподдерживающегося виляния на скорости менее 70 км/ч. Названа причина - частичный износ деталей в технически исправных тележках. Решение: ограничить скорость движения при движении в кривых участках пути до 60 км/ч грузовых составов, в которых имеется хоть один порожний вагон [3].

Транспортники-ученые в результате проведенных исследований констатируют, что порожний вагон с взятыми из эксплуатации тележками с частично изношенными гребнями колес, начиная со скорости 70 км/ч на прямолинейном участке пути входит в режим автоколебаний виляния с частотой 2.2 Гц. На скорости до 75 км/ч наблюдалось неустойчивое движение вагона в целом. В криволинейных участках пути движение стабилизируется из-за прижатия колес к наружному рельсу [4].

Ни первые, ни вторые не рассматривали вопрос - почему порожние вагоны входят в режим автоколебаний виляния при скорости 65…75 км/ч, а те же самые, с изношенными тележками, но груженые не входят при 90 км/ч.

Ответ - по причине действия физического явления, называемого срывным флаттером, и самое известное его проявление - «танцы» и разрушения мостов при скорости ветра 17-19 м/с (61-68 км/ч) [5, 6].

Суть явления - при движении потока жидкости или газа относительно неудобообтекаемых протяженных тел в области за телом и на неровностях боковых поверхностей тела непрерывно образуются и срываются потоки вихрей, чему способствуют малые поперечные колебания тела. С увеличением относительной скорости отдельные потоки вихрей объединяются, прижимаются к поверхности, образуя сплошной вихревой пограничный слой, колебания давления в котором весьма существенны. При небольших колебаниях тела, не связанных с гидроаэродинамическими процессами, взаимодействие вихрей с колеблющимся телом обеспечивает положительную связь в колебательной системе с перекачкой части энергии потока к телу. Когда приток колебательной энергии потока становится равным рассеянию энергии телом, например в гасителях колебаний, оно входит в режим автоколебаний. Чаще всего срывной флаттер возникает тогда, когда одна из собственных частот колебаний тела близка или кратна частоте срыва вихрей с этого тела.

Перейдем от физического явления к грузовому вагону. Боковые стенки вагонов имеют наружный каркас - боковые и угловые стойки, выступающие наружу за обшивку стен, поперечные, шкворневые и концевые балки рамы, выступающие наружу за поверхность дна, т.е. совершенно неудобообтекаемые протяженные поверхности, каждая стойка и балка на которых при движении вагона есть место интенсивного образования и срыва воздушных вихрей.

В силу неровности пути тележки и вагон подвержены различным горизонтальным и вертикальным колебаниям (виляния, качания, галопирования, подпрыгивания) малой амплитуды. Вихревые потоки воздуха вдоль бортов движущегося вагона образуют колебания давления, результирующая которых не совпадает по направлению во времени на обоих бортах и концах вагона. При отклонении результирующего давления от атмосферного в сторону увеличения или уменьшения всего в 5 кПа (0.05 атм) на площади борта порядка 25 м² импульс результирующей силы в центре площади борта составит 125 кН (12.5 т). Площадь дна тоже велика - превышает 35 м². Происходит раскачка вагона с результирующей частотой вихревых потоков, зависящей от их относительной скорости. Чем больше скорость, тем больше радиус основной массы вихрей и ниже их частота. При некоторой скорости, назовем ее критической, частота колебаний давления потока совпадает с одной или нескольким собственным частотам колебаний вагона в разных плоскостях и наступает резонанс - резкое увеличение амплитуды, устойчивый режим автоколебаний. Частота собственных колебаний тела обратно пропорциональна корню квадратному из массы. Если масса брутто груженого вагона в 4 раза превышает массу порожнего, то его собственная частота примерно вдвое ниже и резонанс возможен при скорости в 1.4 раза большей. При поперечных колебаниях груженого вагона происходит пересыпание груза с расходом энергии колебаний на трение, что также повышает критическую скорость. В порожнем вагоне центр тяжести более чем на метр ниже центра площади вагона и импульсы боковых сил потока образуют момент вращения вокруг продольной оси вагона. Если гребни колес новые - тележка не имеет возможности поперечного перемещения, а действующие на борта вагона силы потока переходят в силы попеременного поперечного давления колес на рельсы с интенсивным взаимным износом, но в резонансе возможен сход вагона с рельс. При изношенных гребнях имеет место вращательное колебание вагона с тележками вокруг продольной оси, неровности пути приводят к вилянию, забегание боковых рам тележек усиливает виляние, горизонтальная и вертикальная динамическая нагрузка на элементы тележек может превысить предел их прочности, и не только усталостной, в первую очередь на дефектах литья.

Вот и вся суть проблемы, из которой следует, что ее решение нужно искать в целостной системе «кузов + ходовая часть». Кузов должен иметь низкое аэродинамическое сопротивление (в дальнейшем АДС), а ходовая часть - противодействовать колебаниям виляния.

В данной заявке предложено решение первой части проблемы.

В последние годы предложены и запатентованы конструкции вагонов с внутренним каркасом, боковые стены которых практически не имеют выступов, например [7, 8]. Согласно [7] полувагон включает кузов, стены которого выполнены из пустотелых прессованных панелей четырехугольной формы из алюминиевого сплава, длина которых равна длине стен. При этом наружная поверхность стен практически плоская, без выступов и впадин. Согласно [8] полувагон включает кузов, боковые стены которого выполнены из плоских листов внешней обшивки, на внутренней поверхности которых размещен каркас из специального профиля. АДС плоской боковой стены на порядок ниже, чем у стены вагонов традиционной конструкции - с наружным каркасом. Но и у этих конструкций рама - внешняя.

Не вдаваясь в преимущества и недостатки указанных аналогов, констатируем, что возможно и начато их производство, но в обозримом будущем они не решат проблемы ввиду относительной малочисленности - в РФ парк грузовых полувагонов с наружным каркасом существенно превышает 500 тыс. штук.

Известны способы снижения АДС полувагонов с наружным каркасом [9, 10]. Данное изобретение - вариант устройства, в котором частично реализованы эти способы.

В качестве прототипа устройства принят полувагон, в котором к боковым стойкам и к дополнительным опорным элементам боковых стен жестко закреплены фальшборта, имеющие ширину, равную высоте боковых стен [9]. Дополнительные опорные элементы выполнены в виде гофрированных листов с вертикальными гофрами, жестко закрепленных к вершинам гофр обшивки боковых стен между их боковыми стойками.

Прототип относится к глуходонным полувагонам, поскольку в универсальных полувагонах замки разгрузочных люков расположены на нижней обвязке и не должны закрываться фальшбортами, значит их ширина несколько меньше высоты боковых стен.

Недостаток прототипа заключается в том, что, во-первых, часть боковых стоек (длина которых превышает высоту боковых стен) не закрыта фальшбортами, во-вторых, полностью открыты поперечные элементы рамы днища - поперечные балки полувагонов.

Задача изобретения состоит в дополнительном снижении АДС полувагонов с внешним каркасом.

Задача решается за счет того, что в полувагоне с низким АДС, включающем глуходонный кузов с внешним каркасом в виде верхней и нижней обвязок, боковых стоек боковых стен, частично закрытых фальшбортами, а также шкворневых и поперечных балок на дне, согласно изобретению фальшборта имеют ширину, равную высоте боковых стоек, а к нижним полкам поперечных балок дна кузова жестко закреплены донные панели.

Дополнительно к этому, гнутый или катаный уголок жестко закреплен между боковыми стойками к их нижнему концу так, что его вертикальная полка граничит с нижней кромкой фальшборта; донные панели выполнены из тонкого твердого гофрированного материала с гофрами, параллельными продольной оси вагона, цельными или собранными из нескольких элементов, ширина каждой панели равна длине поперечных балок, а длина - расстоянию между шкворневыми балками.

Фальшборт с шириной, равной длине боковых стоек, полностью закрывает выступающие наружу поперечные элементы боковой стены, значит дополнительно снижает ее АДС, кроме того, весьма существенную добавку к снижению АДС полувагона вносят донные панели, закрывающие поперечные элементы более чем 80% поверхности дна полувагона.

Донная панель, не имеющая поперечных выступов и впадин, резко понижает АДС дна, имеющего между шкворневыми балками четыре и более узких поперечных балок, выступающих за плоскость дна более чем на 0.1 м.

Жесткость нижней кромки фальшборта обеспечивается контактом с уголком, жестко закрепленным между боковыми стойками к их нижнему концу, а при их жестком скреплении, например точечной сваркой, увеличивается жесткость и средней по высоте части фальшборта.

Жесткость донных панелей вполне обеспечивается наружными гофрами. Направленность гофр вдоль продольной оси вагона увеличивает продольную жесткость панелей. Выполнение донных панелей из нескольких частей упрощает их изготовление и монтаж. Расположение донных панелей только между шкворневыми балками рационально потому, что конфигурация концевых, шкворневых и поперечных балок различна, т.е. требует для них сложных форм панелей, а площадь дна между шкворневыми балками в несколько раз больше площади дна двух пролетов между концевыми и шкворневыми балками.

Изложенная сущность изобретения поясняется чертежами:

Фиг. 1 - вид сбоку на полувагон;

Фиг. 2 - разрез по А-А.

Глуходонный полувагон 1 (фиг. 1) оборудован фальшбортами 2 (фиг. 1, 2) и донными панелями 3, Верхняя кромка фальшборта жестко закреплена к верхней обвязке 4, боковые кромки - к угловым стойкам 5 (фиг. 2), средняя плоскость - к боковым стойкам 6 и к гофрам промежуточных опор 7, жестко закрепленных к гофрам 8 обшивки 9 боковых стен, нижняя кромка между боковыми стойками опирается на уголок 10 или скреплена с ним. Крайняя плоскость 11 (фиг. 1) фальшбортов 2 со стороны смотровой лестницы 12 выполнена с вырезами в местах секций лестницы,

Донные панели 3 (фиг. 1, 2) пристреляны дюбелями по металлу к нижним полкам поперечных балок 13 (фиг. 2).

Конструкция работает следующим образом. При транспортировке вагонов на магистральных линиях вокруг них, в том числе и под вагонами, образуется спутный турбулентный поток воздуха со средней скоростью, значительно меньшей скорости движения вагонов, что с точки зрения аэродинамики эквивалентно обтеканию состава вагонов встречным воздушным потоком.

Набегающий на боковые стены вагона предложенной конструкции поток встречается наклоненными к оси потока на малый угол крайними плоскостями 10 фальшбортов 2, частично ламинизируется благодаря слегка повышенному давлению и, не встречая местных сопротивлений в виде поперечных выступов, с минимальными потерями на трение обтекает плоскости фальшбортов. На противоположных крайних плоскостях 10 образуется зона слегка пониженного давления и несколько повышенной турбулентности с незначительным повышением местного аэродинамического сопротивления. При этом суммарные потери кинетической энергии вагона на трение обоих бортов существенно меньшие, чем в прототипе и, тем более, чем в обычных вагонах на двух боковых стойках, а их по шесть с каждой стороны на четырехосном и по десять на восьмиосном полувагоне. Энергии вихревого воздушного потока вдоль вагонов с пониженным АДС совершенно недостаточно для их раскачки и перевода в неуправляемый режим горизонтальных автоколебаний на предельных скоростях движения по магистралям.

Под полувагоном фронты срыва вихревых потоков образуются только на двух концевых и двух шкворневых балках, а поперечные балки 12 закрыты донными панелями, т.е. потери сокращены почти вдвое, что существенно повышает скоростной предел наступления неуправляемого режима вертикальных автоколебаний.

Снижение АДС уменьшает затрату энергии локомотива на транспортирование состава.

Технический результат - при незначительном утяжелении вагонов обеспечивается существенное снижение их аэродинамического сопротивления, что позволяет без повышения энергоемкости повысить примерно в 1.5 раза скорость транспортировки без риска вхождения в неуправляемые режимы автоколебаний с возможностью аварий.

Источники информации

1. Р. Демин. О разрушении рам тележек грузовых вагонов. транспортна газета Магистраль. №12 (1698), 22.02.2012. magistral-uz.com.ua/articles/o-razrushenijah-ram-telezhek-gruzovyh-vagonov.html

2. Железнодорожные происшествия в России. Материал из Википедии.

https://ru.wikipedia.org/wiki/%C6%E5%EB%E5%E7%ED%EE%E4%EE%F0%EE%E6%ED%FB%E5_%EF%F0%EE%E8%F1%F8%E5%F1%F2%E2%E8%FF_%E2_%D0%EE%F1%F1%E8%E8

3. Д. Мельничук и др. Тележки грузовых вагонов: проблемы, которые нужно решить. Информагенство РЖД ПАРТНЕР.РУ. от 24.01.2013. http://www.rzd-partner.ru/intervies/comments/telezhki-gruzovykh-vagonov--problemy--kotorye-nuzhno-reshit'/

4. О.М. Савчук и др. Об интенсивном вилянии тележек. СМИ об РЖД. Журнал «Железнодорожный транспорт», №4, 2003 г.

http://press.rzd.ru/smi/public?STRUCTURE_ID=2&layer_id=5051&refererLayerId=5050&id=12358&print=1

5. Ю.И. Лобановский. Дело о «танцующем» мосте.

http://www.synerietics.ru/article/flutter.htm

6. П.С. Ланда. Срывной флаттер и эффект затягивания. Вестник научно-технического развития, №6 (22), 2009. http://www.vntr.ru/ftpgetfile.php?id=308

7. Патент РФ №2345918 С1, МПК: B61D 17/00; B61F 1/00; B61D 3/00. Опубл. 10.02.2009, Бюл. №4.

8. Патент РФ №2253581 С1, МПК: B61D 3/00; B61D 7/00; B61F 1/02. Опубл. 10.06.2005, Бюл. №16.

9. Патент на корисну модель UA №89516 U, МПК: B61D 3/00; B61D 17/00; B61D 17/08. Опубл. 25.04.2014, Бюл. №8.

10. Патент на корисну модель UA №88926 U, МПК: B61D 3/00; B61D 17/00. Опубл. 10.04.2014, Бюл. №7.

11. Грузовые вагоны колеи 1524 мм железных дорог СССР. Альбом-справочник. М., «Транспорт», 1989, с. 47, 48.

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам, в частности к грузовым вагонам. Полувагон с пониженным аэродинамическим сопротивлением включает глуходонный кузов с внешним каркасом в виде верхней (4) и нижней обвязок, боковых стоек (6) боковых стен, а также шкворневых и поперечных (13) балок на дне. Фальшборта (2) имеют ширину, равную высоте боковых стоек (6), между боковыми стойками (6) к их нижнему концу жестко закреплен гнутый или катаный уголок (10), вертикальная полка которого граничит с нижней кромкой фальшборта (2), а к нижним полкам поперечных (13) балок дна кузова жестко закреплены донные панели (3), выполненные из тонкого твердого гофрированного материала с гофрами, параллельными продольной оси вагона, цельными или собранными из нескольких элементов. Ширина каждой донной панели (3) равна длине поперечных балок, а длина - расстоянию между шкворневыми балками. Изобретение обеспечивает снижение аэродинамического сопротивления и позволяет без повышения энергоемкости транспортировки повысить примерно в 1.5 раза скорость транспортировки вагонов без риска вхождения в неуправляемый режим автоколебаний с возможностью аварий. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Полувагон с пониженным аэродинамическим сопротивлением, включающий глуходонный кузов с внешним каркасом в виде верхней и нижней обвязок, боковых стоек боковых стен, частично закрытых фальшбортами, а также шкворневых и поперечных балок на дне, отличающийся тем, что фальшборта имеют ширину, равную высоте боковых стоек, а к нижним полкам поперечных балок дна кузова жестко закреплены донные панели.

2. Полувагон по п. 1, отличающийся тем, что между боковыми стойками к их нижнему концу жестко закреплен гнутый или катаный уголок так, что его вертикальная полка граничит с нижней кромкой фальшборта.

3. Полувагон по п. 1, отличающийся тем, что донные панели выполнены из тонкого твердого гофрированного материала с гофрами, параллельными продольной оси вагона, цельными или собранными из нескольких элементов, ширина каждой панели равна длине поперечных балок, а длина - расстоянию между шкворневыми балками.