сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 73.29 Железнодорожный транспорт
Сформулированы критерии современных конструкций вагонов-платформ для перевозки поездов и колесной техники. В их рамках предложены три оригинальных варианта конструктивного исполнения вагонов-платформ. На основе анализа их эксплуатационных, технико-экономических свойств, показателей ходовой динамики, прочности, усталостной долговечности и стоимости жизненного цикла обоснован выбор рациональной конструктивной схемы вагона-платформы для организации перевозки автопоездов и колесной техники на отечественных железных дорогах.
автопоезд, вагон-платформа, контрейлерные перевозки, прочность, показатели ходовой динамики, усталостная долговечность, стоимость жизненного цикла изделия
Введение
Контрейлерные перевозки с применением автомобильного и железнодорожного транспорта являются перспективным видом организации транспортировки грузов, а также отвечают современным требованиям рынка логистических услуг по организации доставки груза непосредственно до заказчика. Железнодорожный транспорт является наиболее экономически эффективным, без предъявления жестких требований к скорости транспортировки грузов на большие расстояния (более 500 км), и совместно с автомобильным может обеспечить организацию доставки по принципу «от двери до двери» [1].
В течение последних 20 лет контрейлерные перевозки на территории стран Европы заняли существенную долю рынка транспортных услуг, в частности вследствие жестких экологических ограничений для автомобильных транспортных средств [2].
Одним из перспективных направлений использования контрейлерных перевозок является международная перевозка грузов. Данные перевозки предусматривают погрузку автопоездов на железнодорожные платформы на специально оборудованных контрейлерных площадках, находящихся в приграничных зонах сопредельных государств.
При подобной организации контрейлерных перевозок таможенное оформление грузов производится на территории сопредельных государств, и автопоезда, погруженные и закрепленные на железнодорожных платформах, без задержек пересекают государственную границу, что позволяет значительно сократить время на процедуру пересечения государственной границы, а также снизить загруженность пограничных автомобильных переходов [3].
К основным достоинствам контрейлерных перевозок можно отнести сокращение сроков доставки грузов, улучшение аварийной обстановки на автомобильных магистралях, улучшение экологической обстановки за счет сокращения вредных выбросов в окружающую среду, снижение износа автомобильных магистралей и др.
Теоретический анализ проблемы и методы исследования
В мировой практике на сегодняшний день используются два основных способа организации контрейлерных перевозок: с применением специализированных автомобильных полуприцепов, предназначенных для транспортировки как по автомобильным дорогам, так и по рельсовой колее, и с применением специализированных железнодорожных вагонов-платформ [4].
Сама организация контрейлерных перевозок предусматривает возможность перевозки железнодорожным транспортом как автопоездов в целом, так и только полуприцепов.
Особенностью железнодорожного подвижного состава, предназначенного для перевозки автопоездов, является наличие пониженной грузовой площадки для размещения автопоезда и обеспечения вписывания вагона-платформы в соответствующие габариты.
Железнодорожные вагоны-платформы, предназначенные для перевозки автопоездов, по конструктивному признаку можно разделить на три вида: с пониженным уровнем пола, со стационарной пониженной грузовой площадкой и мобильной грузовой площадкой [4].
Первый вид платформ оборудуется специализированными ходовыми частями с колесами уменьшенного диаметра [4]. Второй и третий варианты рассчитаны на использование типовых ходовых частей грузовых вагонов. Второй и третий варианты вагонов-платформ имеют понижение уровня грузовой площадки на длине базы вагона. Во втором варианте предусматривается заезд автопоезда своим ходом на пониженную погрузочную площадку. Для этого в конструкции вагона предусмотрены наклонные рампы. В третьем варианте вагонов-платформ грузовая площадка имеет два положения: погрузочное и транспортное. Перевод площадки из погрузочного в транспортное положение осуществляется посредством стационарно установленных на вагоне механизмов, устройств транспортного терминала или съемного оборудования.
В связи с бесспорной актуальностью организации контрейлерных перевозок для отечественного рынка грузовых коммуникаций и многообразием технических подходов для их реализации важной задачей является обоснование конструктивных схем железнодорожного подвижного состава для обеспечения контрейлерных перевозок.
Анализ отечественного законодательства в области грузовых автомобильных перевозок показал, что вариант транспортировки по железной дороге полуприцепа без тягача с дальнейшей его транспортировкой на станции назначения тягачом грузополучателя достаточно сложен с точки зрения оформления транспортной документации.
В связи с этим в работе в качестве груза для подвижного состава рассмотрен типовой седельный автопоезд, линейные размеры которого представлены на рис. 1 [5].
Максимальная ширина автопоезда составляет 2550 мм для рефрижераторного полуприцепа.
Максимальная нагрузка на оси автопоезда (в соответствии с требованиями отечественного законодательства [6]): первая ось тягача - 7 т, вторая и третья - по 6,5 т, оси полуприцепа - по 8 т.
Анализ современных требований законодательства, нормативной документации на проектирование железнодорожного подвижного состава, требований транспортных операторов и существующей в стране логистической инфраструктуры позволил сформулировать критерии выбора рациональной конструктивной схемы вагона-платформы.
Рис. 1. Габаритные размеры автопоезда
Вагон-платформа должен обладать достаточной степенью универсальности, что подразумевает вписывание вагона с установленным на нем в транспортном положении автопоездом в габарит погрузки (специализированный «контрейлерный габарит» [7]), эксплуатироваться на типовой тележке грузового вагона, оборудоваться типовым автосцепным устройством и тормозным оборудованием и иметь возможность включения в состав грузовых поездов. Вагон должен обеспечивать погрузку с автопоезда своим ходом с «высокой платформы», без применения дополнительного подъемного и специализированного оборудования. Конструкция вагона-платформы должна удовлетворять требованиям нормативной документации к грузовым вагонам, включая возможность роспуска с сортировочной горки в порожнем состоянии, обеспечивать улучшенные технико-экономические показатели, показатели безопасности и надежности.
Обсуждение результатов исследования
В рамках принятых критериев коллективом кафедры «Подвижной состав железных дорог» Брянского государственного технического университета предложены три варианта конструкции вагона-платформы для перевозки автопоездов (рис. 2).
Первые два варианта вагона-платформы (рис. 2а, б) предусматривают наличие пониженной грузовой площадки на длине базы и наклонные рампы, обеспечивающие заезд автопоезда на погрузочную площадку своим ходом. В обеих конструкциях погрузка предусмотрена с торцевой части вагона, для чего на концевых балках рамы расположены откидные площадки, обеспечивающие также сквозной проезд автопоезда на соседние платформы в случае погрузки группы вагонов. Отличительной особенностью второго варианта является размещение тягача в транспортном положении передней осью на наклонной рампе. Подобное решение позволяет сократить общую длину вагона. Третий вариант конструктивного исполнения платформы (рис. 2в) предусматривает наличие на длине базы перемещаемой в вертикальной плоскости грузовой площадки. В погрузочном положении площадка поднимается до уровня пола в концевых частях вагона, обеспечивая беспрепятственный заезд автопоезда как с торцевой части вагона, так и с боковой площадки терминала. После погрузки и закрепления автопоезда площадка опускается в транспортное положение при помощи специального механизма, штатно расположенного на вагоне. Все три варианта конструкции полностью соответствуют принятым в работе критериям, на первый и второй варианты конструктивного исполнения получены патенты на полезные модели [8; 9].
На следующем этапе целесообразно сравнить рассматриваемые три варианта конструктивного исполнения вагона-платформы.
С точки зрения удобства выполнения погрузочно-разгрузочных работ первые два варианта идентичны, их достоинством является отсутствие дополнительной операции, связанной с перемещением грузовой площадки, и независимость от внешних источников энергии.
Рис. 2. Варианты конструктивного исполнения вагона-платформы: а - со стационарной
пониженной грузовой площадкой; б - со стационарной пониженной грузовой площадкой
и несущими балками ферменного типа; в - с подъемной грузовой площадкой
Недостатками являются ограничение погрузки (только с торцевой части вагона), необходимость заезда и выезда автопоезда по наклонной аппарели на грузовую площадку, что снижает скорость погрузочных работ, особенно при загрузке состава, состоящего из нескольких вагонов. В этом случае автопоезд должен переезжать через все вагоны-платформы, находящиеся между погрузочной площадкой терминала и грузовой площадкой вагона-платформы, предназначенного для его транспортировки, а загрузка возможна только последовательно. Также возможны сложности с заездом и выездом на грузовую площадку при снижении коэффициента трения на наклонной аппарели вследствие действия атмосферных осадков. Разгрузка состава, состоящего из нескольких платформ, тоже возможна только последовательно. В случае необходимости разгрузки автопоезда, расположенного не в начале или конце состава, требуется расцепка вагонов и проведение дополнительных маневровых работ.
Указанными недостатками не обладает третий вариант конструктивного исполнения вагона-платформы, который за счет поднятой в уровень пола концевых частей рамы грузовой площадки обеспечивает возможность синхронной погрузки-разгрузки нескольких платформ при боковом въезде на грузовую площадку. При погрузке с торцевой части сцепа, в отличие от первых двух вариантов, автопоезду не надо преодолевать спуски и подъемы на аппарелях, двигаясь к грузовой площадке соответствующего вагона. Недостатком подобной конструкции является необходимость выполнения дополнительной операции по подъему и опусканию грузовой площадки. Кроме того, для функционирования механизма подъема вагон-платформа или состав должен быть подключен к внешнему источнику электроэнергии.
Сопоставляя основные технико-экономические характеристики вариантов вагонов-платформ (табл. 1), можно сделать вывод, что они схожи между собой, что определяется единообразием используемых ходовых частей, элементов автосцепного и тормозного оборудования, высотой уровня пола и грузовой площадки.
Таблица 1
Основные технико-экономические показатели вариантов вагона-платформы
|
Вариант 1 |
Вариант 2 |
Вариант 3 |
|
|
1. Грузоподъемность, т, |
44,0 |
44,0 |
44,0 |
|
2. Масса тары, т |
23,0 |
22,0 |
23,5 |
|
3. Длина рамы, мм |
24800 |
24700 |
23750 |
|
4. Длина по осям сцепления, мм |
25960 |
25860 |
24910 |
|
5. База, мм |
20000 |
19700 |
19800 |
|
6. Ширина максимальная, мм |
3200 |
3297 |
3270 |
|
7. Статическая осевая нагрузка, кН |
167,5 |
165,0 |
167,9 |
|
8. Скорость конструкционная, км/ч |
120 |
120 |
120 |
|
9. Габарит по ГОСТ 9238-2013 |
0-ВМ |
Т(пр) |
0-ВМ |
|
10. Модель тележки |
18-100 |
18-100 |
18-100 |
Различие между характеристиками определяется способом проведения погрузочно-разгрузочных работ, так как у первых двух вариантов длина вагона больше, чем у третьего. Это обусловлено наличием аппарельных съездов, обеспечивающих заезд автопоездов на грузовую площадку. Частичное размещение тягача на наклонной части съезда во втором варианте позволило уменьшить длину вагона-платформы, а также его базу.
Из сопоставления тары вагонов видно, что при наименьшей длине третий вариант вагона-платформы обладает наибольшей массой, что связано с наличием механизма подъема грузовой площадки. Наименьшей массой тары обладает второй вариант, за счет использования в качестве основного несущего элемента ферменных конструкций.
С учетом специфики рассматриваемых вариантов вагонов-платформ целесообразно также сопоставить их параметры ходовой динамики, прочностные характеристики, усталостную долговечность и стоимость жизненного цикла.
Прочностные характеристики вариантов конструктивного исполнения вагонов-платформ сопоставлялись по максимальным напряжениям, возникающим в несущей конструкции рамы при действии нормативных нагрузок, рекомендуемых [10]. Напряжения определялись на основе детализированных пластинчатых конечноэлементных моделей в статической постановке. Сопоставлялись следующие параметры ходовой динамики [10]: максимальные отношения рамной силы к статической осевой нагрузке, максимальные вертикальное и боковое ускорения обрессоренных частей (в долях от ускорения свободного падения) и минимальный коэффициент запаса устойчивости от схода колеса с рельса.
Определение параметров ходовой динамики выполнено на основе разработанных гибридных динамических моделей, сформированных в среде программного комплекса «Универсальный механизм». Модели представляют собой системы связанных твердых и упругих тел, описывающих пространственные колебания в процессе движения по реальным неровностям пути [11]. Упругие свойства рамы вагона описываются в модели с использованием детализированных пластинчатых конечноэлементных моделей. Автопоезд в модели представляется совокупностью абсолютно твёрдых тел, описывающих свойства тягача и полуприцепа. Взаимодействие автопоезда с упорами рамы вагона моделируется введением последовательно расположенных специализированных частотно-зависимых упругих элементов, описывающих работу резиновых элементов подвески и пневматических колес [3]. В качестве примера на рис. 3 представлена гибридная динамическая модель третьего варианта вагона-платформы.
Рис. 3. Гибридная динамическая модель вагона-платформы
При сопоставлении параметров ходовой динамики рассматривалось движение вагона-платформы в груженом и порожнем режимах со скоростями в интервале 20…120 км/ч по прямым и криволинейным участкам пути различных радиусов, а также прохождение стрелочного перевода с крестовиной 1/11.
Оценка усталостной долговечности несущих конструкций вагонов-платформ выполнена по наиболее нагруженным сварным соединениям в рамках модели многоцикловой усталости. В основу расчета положена модернизированная детерминированная методика
С.В. Серенсена - В.П. Когаева, описанная в [3].
Стоимость жизненного цикла вагонов-платформ оценивалась по методике, рекомендованной в [12]. Поскольку результаты расчета сильно зависят от принимаемых в качестве исходных финансово-экономических показателей, расчеты проведены в сопоставлении со стоимостью жизненного цикла вагона-платформы для контрейлерно-контейнерных перевозок модели 13-9961.
Результаты моделирования и расчетов приведены в табл. 2.
Анализ полученных результатов показывает, что максимальные напряжения для расчетных режимов у всех вариантов вагона-платформы не превышают допускаемых. При этом максимальные напряжения возникают во втором варианте конструкции, наименьшие - в третьем, что указывает на наличие в первом и третьем вариантах неоправданных запасов прочности. Сопоставляя параметры ходовой динамики, можно отметить, что по всем рассматриваемым критериям лучшими показателями обладает второй вариант, худшими - первый. Полученную тенденцию можно объяснить соотношением жесткостей рам вагонов-платформ.
Сравнивая усталостную долговечность конструкций, можно отметить, что наибольший срок службы сварной несущей конструкции рамы вагона-платформы обеспечивается вторым вариантом, наименьший - третьим. Наименьший срок службы для третьего варианта конструкции наблюдается в сварных швах балок крепления механизма подъема грузовой площадки.
Таблица 2
Основные технико-экономические показатели вариантов вагона-платформы
|
Параметр |
Вариант 1 |
Вариант 2 |
Вариант 3 |
|
1. Максимальные напряжения в несущей конструкции от нагрузок I-го режима [10], МПа |
241,0 |
287,0 |
203,0 |
|
2. Максимальные напряжения в несущей конструкции от нагрузок III-го режима [10], МПа |
189,0 |
210,0 |
165,0 |
|
3. Максимальное отношение рамной силы к статической осевой нагрузке |
0,25 |
0,23 |
0,25 |
|
4. Максимальное вертикальное ускорение обрессоренных частей (в долях от ускорения свободного падения) |
0,60 |
0,57 |
0,58 |
|
5. Максимальное боковое ускорение обрессоренных частей (в долях от ускорения свободного падения) |
0,31 |
0,29 |
0,30 |
|
6. Минимальный коэффициент запаса устойчивости от схода колеса с рельса |
1,73 |
1,8 |
1,75 |
|
7. Минимальный срок службы наиболее нагруженного сварного соединения несущей конструкции рамы вагона-платформы, лет |
22,3 |
29,6 |
19,8 |
|
8. Стоимость жизненного цикла вагона-платформы (в % от стоимости жизненного цикла вагона-платформы модели 13-9961) |
96 |
87 |
118 |
Сопоставление стоимости жизненного цикла вариантов вагона-платформы указывает, что наименьшей обладает второй вариант, наибольшей, превышающей стоимость жизненного цикла вагона-платформы, принятого за эквивалент, - третий вариант. Полученный результат объясняется сложностью эксплуатации механизма подъема в третьем варианте вагона-платформы.
Заключение
По результатам проведенных исследований наиболее рациональной конструктивной схемой подвижного состава для организации перевозки автопоездов и колесной техники является вагон-платформа с несущей нетрансформируемой рамой, имеющий понижение грузовой площадки на длине базы. Сопоставление предложенных в работе вариантов конструкции вагона-платформы показало, что с точки зрения проведения погрузочно-разгрузочных работ наиболее рациональной является конструкция с подъемной грузовой площадкой. При этом данный вариант имеет наименьшую длину. Однако анализ других сформированных в работе критериев показал, что подобная конструкция уступает другим вариантам по весовым характеристикам, показателям ходовой динамики, усталостной долговечности и обладает завышенной стоимостью жизненного цикла. Это объясняется наличием в конструкции сложного подъемного механизма грузовой площадки, обладающего значительной массой. Сопоставление конструкций вагона-платформы со стационарной пониженной грузовой площадкой показало, что при меньшем удобстве проведения погрузочно-разгрузочных работ и большей длине вагоны обладают меньшей массой тары и большим сроком службы, а также более низкой стоимостью жизненного цикла. Повышение жесткости несущей рамы за счет применения ферменных конструкций позволило сохранить низкую массу тары вагона, обеспечить рациональный запас прочности и усталостной долговечности, улучшить показатели ходовой динамики и снизить стоимость жизненного цикла вагона-платформы по сравнению с аналогами.
Таким образом, с учетом специфики отечественного законодательства, требований нормативно-технической документации на проектирование подвижного состава, а также интересов транспортных операторов наиболее рациональной конструктивной схемой является вагон-платформа со стационарно пониженным уровнем грузовой площадки на длине базы и несущей конструкцией ферменного типа.
1. Кириллова А.Г. Методология организации контейнерных и контрейлерных перевозок в мультимодальных автомобильно-железнодорожных сообщениях: дис. ... канд. техн. наук. М., 2010. 335 с.
2. Barthel F., Woxenius J. Intermodal transport for small flows over short distances // Transportation planning and technology. 2004. № 5. P. 403-424.
3. Мануева М.В. Обоснование структуры и параметров длиннобазных вагонов-платформ для перевозки автопоездов и крупнотоннажных контейнеров: дис. … канд. техн. наук. Брянск, 2012. 167 с.
4. Антипин Д.Я., Мануева М.В., Кобищанов В.В. Техническое обеспечение контрейлерных перевозок. Брянск: БГТУ, 2019. 180 с.
5. Прокофьев М.В. Автомобильные транспортные средства. Международные требования к конструкции. М.: Триада ЛТД, 2001. 120 с.
6. О внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации по вопросам перевозки тяжеловесных грузов по автомобильным дорогам Российской Федерации: постановление Правительства РФ от 9 января 2014 г., № 12 // Собрание законодательства Российской Федерации. 2009. № 47. Ст. 5673.
7. Лазаренко Ю.М., Аршинцев Д.Н., Заверталюк А.В., Бондарев В.Н., Митина Е.А., Капускина Е.В. Контрейлерный габарит погрузки, проблемы и процесс внедрения // Вестник ВНИИЖТ. 2017. № 1. С. 31-37.
8. Железнодорожная платформа для контрейлерно-контейнерных перевозок: пат. 135600 Рос. Федерация: МПК B61D 3/00 (2006.01) / Лукашук В.С., Куравкина С.Н.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «БГТУ». № 2013136270/11; заявл. 01.08.13; опубл. 20.12.13, Бюл. № 35.
9. Платформа для крупногабаритной колесной техники и крупнотоннажных контейнеров: пат. 69001 Рос. Федерация: МПК B61D 3/18 (2006.01)/B61D 3/20 (2006.01) / Кобищанов В.В., Горелов С.И., Антипин Д.Я., Сударева М.В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «БГТУ», Кобищанов В.В. № 2006139392/22; заявл. 07.11.06; опубл. 10.12.07, Бюл. № 34.
10. ГОСТ 33211-2014. Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам. М.: Стандартинформ, 2016. 54 с.
11. Мануева М.В., Антипин Д.Я., Кобищанов В.В. Оценка влияния учета упругих свойств подвешивания автопоезда на динамические характеристики вагона-платформы для контрейлерных перевозок // Вестник Брянского государственного технического университета. 2016. № 4. С. 179-185.
12. СТО ОПЖТ 25 - 2012. Методика расчета экономически обоснованных цен на новые модели грузовых вагонов и комплектующие к ним на основе оценки стоимости жизненного цикла. М.: ОПЖТ, 2012. 14 с.
