Частные выводы по последовательности развития рам

3.3.1. Рама (рис. 3.7.) в современном понимании представляет собой жесткое соединение брусьев различного материала, являющееся несущей конструкцией различных сооружений. В понятиях строительной механики рама - это замкнутое жесткое плоскостное или пространственное соединение стержней друг с другом под прямым углом. Она должна выполнять следующие функции:

- нести на себе все элементы кузова вагона (пол, боковые и торцевые стены, крышу, системы СЖОиГС) и служить для размещения на ней через пол груза;

- являться силовой конструкцией для восприятия без разрушения эксплуатационных нагрузок, действующих на вагон;

- соединяться с ходовыми частями, обеспечивая передвижение вагона;

- обеспечивать объединение вагонов в составы и поезда через размещенные в ее конструкции ударно-тяговые устройства.

3.3.2. Как уже указывалось выше, вначале перемещение груза осуществлялось в емкостях, в которых груз объединялся для удобства переноски. Затем эти емкости стали приобретать форму грузовой платформы, которая уже служила в качестве силовой конструкции, не разрушающаяся при перевозке. Ей стали придавать форму рамы с грузовой поверхностью в виде пола. Груз размешался на полу.

3.3.3. Деревянные брусья рамы изготавливались из прочных сортов дерева (сосны, дуба, вяза, лиственницы), использовался также выдержанный в проточной воде, так называемый "мореный" дуб. Рамы последовательно приобретали свойственный им теперь вид, т.е. выполнялись жесткой замкнутой четырехугольной конструкцией с обязательными боковыми продольными, торцевыми поперечными брусьями и несколькими промежуточными поперечными. К боковым продольным брусьям снизу прикреплялись ходовые части, а сверху - борта или стены. К торцевым поперечным балкам прикреплялись элементы сцепки и буфера, по имени которых они еще назывались буферными балками. К этим балкам крепились также торцевые борта или стены.

Таким образом, все тяговые нагрузки воспринимались продольными балками (хребтовой и боковыми) и поперечными, торцевыми балками. На них также передавался от промежуточных поперечных балок вес полезной нагрузки, а на боковые еще - дополнительно нагрузка от ходовых частей.

Для увеличения прочности боковых балок в конструкциях рам с ненесущими кузовами начали применять шпренгельные (нем. sprengel распорка – основа стержневой системы строительных конструкций, предназначенная для снижения изгибающих моментов, обусловленных внеузловым расположением внешней нагрузки, а также для увеличения жесткости всей системы) конструкции.

Соединялись балки рамы между собой всеми известными на тот период методами (см. например табл. 3.2, поз. 7 - 21-29).

По мере развития металлургии и прокатного производства балки рамы стали, начиная с основных, последовательно заменялись на стальной прокат. Соединялись они между собой вначале болтами и заклепками, а с появлением сварочного производства - сваркой.

3.3.4. С появлением центральной сцепки появилась необходимость в специальной средней продольной балке. Ее впоследствии назвали хребтовой балкой. Через нее передавались продольные нагрузки другим вагонам поезда. В конструкциях рам таких вагонов торцевые балки освобождались от восприятия продольных нагрузок и превращались из основных во вспомогательные, которые несли на себе только торцевые стены.

3.3.5. С появлением тележек ушла необходимость опоры ходовых частей на боковые балки. Тележки стали опираться на шкворневые (южн. русск. шворень - вертикальный стержень, относительно которого вращается переднее колесо повозки) балки. Это, как правило, вторые по счету внутрь рамы от торцевых поперечные балки. Они воспринимают вертикальные нагрузки от груза и передают их на ходовые части. Шкворневые балки являются основными в рамах большинства современных вагонов, образуя вместе с хребтовыми основу их конструкций.

3.3.6. На начальных стадиях появления вагонов кузов у них выполнял свою основную функцию - служил защитой для груза. Такой кузов прикреплялся к балкам рамы вагона и не нес никаких силовых функций. Затем по мере усовершенствования методов крепления балок и заменой деревянных конструкций на металлические появилась возможность для силового нагружения кузова (рис. 3.8). Кузов начал принимать на себя часть эксплуатационных нагрузок, действующих на вагон, воспринимаемых до этого только рамой. В этой связи появилась возможность или для увеличения грузоподъемности, или для снижения массы вагона за счет применения более легких балок рамы, или для изменения силовой схемы вагона за счет устранения части или целиком некоторых элементов рамы или рамы, как таковой, в целом. С появлением сотовых трехслойных конструкций типа "сэндвич" пришли к созданию конструкций современных цельнометаллическим и цельнонесущих кузовов без явно выделенной в них рамы.

3.3.7. Многие современные вагоны рассчитаны на роспуск с сортировочных горок со скоростями, не превышающими 9 км/ч. Ускорение работы железной дороги видится также в увеличении скоростей роспуска вагонов на сортировочной горке для ускорения формирования поездов. Это достигается увеличением энергоемкости поглощающих устройств автосцепных устройств, которое нашло свое выражение в создании вагонов с плавающими хребтовыми балками (рис.3.9).

Плавающая хребтовая балка - это подвижная балка, встроенная внутрь неподвижной хребтовой балки. Ее длина больше неподвижной на величину хода поглощающего аппарата, соединяющего подвижную часть с неподвижной. По концам подвижной части располагаются стандартные типовые ударно-тяговые устройства. В целом энергоемкость поглощающих устройств у таких вагонов увеличивается на мощность поглощающих устройств между подвижной и неподвижной частями хребтовых балок. Это дает возможность увеличить скорость соударения вагонов при их роспуске на сортировочных горках до 16 км/ч, т.е. увеличить ее практически в 3 раза, чем при традиционных схемах.

3.3.8. У большинства вагонов рамы плоские, но в некоторых случаях (например, у вагонов для перевозок грузов с высотой выше нормативной или же особо тяжелых грузов, у которых масса сосредоточена на площади менее 2,0 × 2,0 м и они располагаются по середине вагона и т.п.) они выполняются изогнутыми, пространственной формы. Напряженное состояние таких рам более сложное. Это учитывают при определении набора и размеров балок, составляющих такие рамы.

3.3.9. Сделанные обобщения позволили установить основные факторы, влияющие на выбор конструкции рам и их вариации. Для наглядности они помещены в таблицу 3.2, представляющую собой инструмент классифи-кационного конструирования (см. также п 3.2.17).

Так, конструкция рам (см. табл. 3.2.) определяется следующими факторами: назначением (под какой груз она предназначена); конструкцией ходовых частей (что представляют собой ходовые части, какова их установка и крепление на раме и как они перемещаются по пути); видом тяги-торможения (как передается тяговое и тормозное усилие, к чему прикладываются продольные нагрузки и как); способом соединения с источником тяги-торможения; материалом, из которого выполняются балки рамы; способом соединения балок рамы; способом закрепления груза и ходовых частей на раме; схемой восприятия и передачи нагрузок между ними; размещением кузова на раме и его закреплением (свободное, жесткое, шарнирное)

3.3.10. Все многообразие перевозимых на железной дороге грузов можно условно свести к трем в зависимости от силового воздействия на вагон. Это штучные грузы 1 с неизменными габаритными размерами, которые размещаются на полу вагона и непосредственно воздействуют на раму. Это сыпучие грузы 2, которые под воздействием гравитации занимают форму кучи с углом естественного откоса и будучи загруженными в вагоны, воздействуют на стены кузова и пол рамы вагона. Жидкие грузы 3 воздействуют на все элементы кузова и рамы ниже уровня налива (это относиться к собственно жидкостям) и на все элементы кузова и рамы без исключения (для газов). Таким образом, в зависимости от состояния перевозимого груза будет и силовая конструкция рам и кузовов.

3.3.11. От того, на что опирается грузовая платформа, будет та или иная конструкция рамы. Если грузовая платформа опирается и перемещается по твердой поверхности, по воде, снегу или льду, то она преодолевает трение скольжения 4 и в зависимости от его величины требует для передвижения соответствующее усилие. Для этого использовались рамы, которые определяли конфигурацию волокуш, саней, лодок, плотов и т.п. На каждом этапе использования они с успехом решали задачу перемещения грузов.

Если грузовая платформа опирается и перемещается по твердой поверхности, используя промежуточные тела качения 5, преодолевая сопротивление качению, то ее рама должна предусматривать такие конструктивные элементы, как, например, направляющие, по которым бы перекатывались элементы вращения, или своеобразные выемки, в которых бы вращались тела вращения, обеспечивая перемещение грузовой платформы. Первые,- находили применение на заре развития транспорта. В последствие они были вытеснены вторым решением, которое на современном подвижном составе представлено буксами. Они закреплены на раме и в них происходит вращение элементов колесных пар.

3.3.12. Безопорные системы в основном нашли применение на других видах транспорта (воздушном и водном - самолеты, вертолеты, суда на подводных крыльях и т.п.) на основе использования подъемной силы крыла 6, на некоторых системах высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ) с использованием воздушных и магнитных статических и динамических 7, 8 подушек, а также аппаратами легче воздуха 9 - воздушных шаров и дирижаблей. Применение безопорных систем на железнодорожном транспорте находится пока в зачаточном положении. Рама экипажей таких систем рассчитывается на равномерно распределенную нагрузку.

3.3.13. В том случае, если для перемещения грузовой платформы необходим специальный внешний источник передвижения 10, например, локомотив (общее название тяговых машин, самостоятельно передвигающихся по железной дороге. Это слово произошло от лат. loco moveo — сдвигаю с места. Локомотивами являются паровозы, тепловозы, мотовозы, газотурбовозы, электровозы. Функции локомотивов выполняют также моторные вагоны, которые входят в состав турбопоездов, дизель-поездов, электропоездов. Они также могут двигаться самостоятельно, а от локомотивов отличаются тем, что имеют места для пассажиров. Очень близкие родственники больших локомотивов — дрезины, которые тоже используются как тяговые средства), который тянет за собой грузовые платформы, то рама такой платформы должна рассчитываться на дополнительную тяговую силу и способ ее приложения.

В том случае, если для перемещения грузовой платформы не требуется специального внешнего источника передвижения, так как ее перемещение осуществляется собственными усилиями 11, то рама должна учитывать дополнительно нагрузку от силового агрегата. Это рамы самодвижущихся аппаратов типа автомобильных.

3.3.14. Торможение осуществляется тогда, когда режим тяги отключен и за счет противодействия различных видов сопротивления движение постепенно замедляется и прекращается. Сопротивление движению может быть естественным 12. Оно может определяться условиями движения, конфигурацией трассы дороги, несовершенством узлов сопряжений, наличием неровностей трассы и т.д. Сопротивление движению может создаваться и искусственно 13 при помощи тормозов. Тормоз (от греч. tormos - отверстие для вставки гвоздя, задерживающего вращение колеса), комплекс устройств снижения скорости движения или полной остановки машины. На железной дороге естественные тормозные эффекты стараются уменьшить, а искусственные - сделать эффективнее. Если собственных тормозов вагон не имеет и торможение осуществляется локомотивом, то в этом случае рама вагона должна быть рассчитана на силы торможения. При наличии собственных тормозов на вагоне возникающие тормозные силы делают само уравновешенными; в таком случае на раму передаются только инерционные силы замедляющейся массы вагона.

3.3.15. Вне зависимости от того, как соединены вагоны между собой жесткой 14, гибкой 15 или комбинированной 16 связью, элементы рамы вагона должны быть рассчитаны на силу тяги.

3.3.16. Несущая способность рамы в значительной степени зависит от использованного для ее изготовления материала и его характеристик. Постоянное условие их использования - максимальное снижение собственного веса конструкции при увеличении несущей способности (см. также п. 6).

3.3.17. От того, какой груз, в каком состоянии он перевозиться определяются места для его фиксации и способы такого закрепления, а также конфигурация и набор несущих, частично несущих и ненесущих элементов рамы. Так, для закрепления большегрузных контейнеров достаточна установка фиксаторов в местах опор фитингов на элементы рамы 30, а для закрепления нестандартных грузов требуется наличие различных специальных приспособлений для их фиксации на раме или кузове вагона 31. Как правило, усилия, необходимые для закрепления грузов по величине значительно меньше тех, на которые рассчитываются элементы рамы и от этой дополнительной нагрузки напряженное состояние рамы увеличится незначительно.

3.3.18. Как уже указывалось в п. 6 и 8 схема опирания рамы на ходовые части определяет и ее конфигурацию. Для безтележечных вагонов 32 основными в раме являются боковые продольные балки, к которым крепятся ходовые части, а для тележечных 33 - поперечные шкворневые.

3.3.19. На раму вагона действуют продольные нагрузки. Они передаются ударно-тяговыми устройствами 34 на буферные и продольные балки рам безтележечных вагонов и на хребтовые балки рам тележечных 35 вагонов, вертикальные нагрузки от пути и груза и вертикальные составляющие от действия боковых, в том числе и от действия ветровой 36 нагрузки - на боковые продольные балки при безтележечном соединении с ходовыми частями и на шкворневые поперечные балки тележечных вагонов. Это основные несущие элементы рамы, другие же - являются частично несущими и ненесущими.

3.3.20. Раньше кузов вагона закреплялся на раме только от смещений при передвижениях 37, затем использовались болтовые 38 и заклепочные 39 соединения и с возникновением и применением сварки - сварочными соединениями 40 превращающими раму и кузов в единую цельнонесущую конструкцию. Большегрузные контейнеры, выполняющие роль сменного кузова, удерживаются на раме вагона за счет собственного веса 30.

3.3.21. Условная последовательность развития рам вагонов по Л.А. Шадуру [3] следующая:

- деревянный период создания рам;

- переход на металлические составляющие, шпренгельные конструкции;

- нетележечные и тележечные конструкции вагонов;

- использование разрезных и неразрезных ударно-тяговых устройств;

- ручные и автоматические тормоза;

- соединение рам и кузов; превращение конструкций в цельнонесущие;

- рамные, частично рамные и безрамные конструкции;

- жесткие и нежесткие (подвижные хребтовые балки) рамы;

- универсализация рам пассажирских и грузовых вагонов. Создание единой рамы для вагонов.

Таблица 3.2. Зависимости конструкции рам вагонов от определяющих условий для их создания

Поиск по сайту: