Наиболее важными параметрами, характеризующими эффективность грузовых вагонов, являются грузо-подъемность, масса тары, осность (число осей), объем кузова, площадь пола (для платформы) и линейные размеры. Это так называемые абсолютные параметры. Для сравнения вагонов различных типов и конструкций используются соотношения этих параметров — относительные параметры. К ним относятся коэффициенты тары, удельный объем кузова, удельная площадь пола, осевая и погонная нагрузки.
Параметрами пассажирских вагонов являются тип планировки (определяется назначением вагона), осность, населенность, масса тары, масса экипировки (вода, уголь, съемное оборудование), линейные размеры и максимальная скорость движения. Для пассажирских вагонов определяют также массу тары, приходящуюся на одно место для пассажира, массу тары на единицу длины или площади горизонтальной проекции вагона, осевую нагрузку и др.
- Грузоподъемность Р — это наибольшая масса груза, допускаемая к перевозке в вагоне. Грузоподъемность определяет провозную способность железных дорог. Поэтому стремятся создавать вагоны с максимально возможной грузоподъемностью, увеличивая габаритные размеры, повышая осевую и погонную нагрузки. Для существенного повышения грузоподъемности увеличивают число осей в вагоне. Четырехосные грузовые вагоны строятся грузоподъемностью 68-71 т, а восьмиосные — 120-132 т.
- Осевая нагрузка — нагрузка от колесной пары на рельсы. Допускаемая осевая нагрузка определяется конструкцией и прочностью верхнего строения пути и скоростью движения поездов. В настоящее время она ограничена величиной 230 кН (23,5 тс) для грузовых вагонов и 177 кН (18 тс) — для пассажирских. Ставится вопрос о дальнейшем повышении допускаемой осевой нагрузки для грузовых вагонов до 245 кН (25 тс) и более, что связано с необходимостью увеличения мощности пути по всей сети железных дорог.
- Погонная нагрузка — нагрузка от вагона на 1 м пути. Допускаемая погонная нагрузка определяется прочностью мостов и в настоящее время ограничена величиной 103 кН/м (10,5 тс/м). Четырехосные грузовые вагоны реализуют погонную нагрузку 65-72 кН/м, восьмиосные — 80-85 кН/м. Увеличение погонной нагрузки — наиболее эффективный путь повышения грузоподъемности вагона.
- Масса тары Т — собственная масса порожнего вагона. Сумма грузоподъемности и массы тары дает массу вагона брутто. Конструкция вагона должна иметь минимальную массу и необходимую прочность. Поэтому снижение массы тары - важнейшая задача вагоностроения. Ее решение позволяет уменьшить эксплуатационные затраты, связанные с передвижением тары вагонов, снизить расход материалов на изготовление вагонов и повысить грузоподъемность вагона в пределах допускаемой осевой нагрузки.
Снижения массы тары при одновременном повышении грузоподъемности и надежности вагонов можно достигнуть путем уменьшения динамических сил, действующих на вагон, за счет совершенствования ходовых частей и автосцепного устройства; выбором целесообразных конструктивных форм нагонов и их элементов; применением более прогрессивных материалов для элементов вагонов (низколегированных сталей, сталей повышенной прочности и коррозийной стойкости, высокопрочных алюминиевых сплавов и пластмасс); совершенствованием технологии изготовления и ремонта вагонов; совершенствованием методов расчета и испытаний нагонов. - Эффективность снижения массы грузового вагона оценивается техническим коэффициентом тары Кт = P/T
Этот коэффициент характеризует качество конструкции вагона: чем меньше Кт, тем меньше собственной массы вагона приходится на каждую тонну транспортируемого груза, а следовательно, меньше затраты на перевозку самого вагона и вагон экономически выгоднее. Поэтому при проектировании новых вагонов необходимо стремиться к снижению Кт. Для пассажирских вагонов коэффициент тары определяется как отношение массы тары к населенности вагона. - Удельный объем кузова вагона представляет собой отношение полного объема кузова V к его грузоподъемности Р. Для платформ определяется удельная площадь F как отношение площади пола к грузоподъемности. От величин удельных объемов и удельных площадей зависит использование объема и грузоподъемности вагона, а следовательно, себестоимость перевозок и приведенные затраты народного хозяйства. Поэтому при проектировании вагонов определяют оптимальные значения Vy и Fу.
- Пассажирские и грузовые вагоны характеризуются также линейными размерами (длиной, шириной, высотой и базой). Общая длина вагона 2Loб определяется расстоянием между осями сцепленных автосцепок. Длина рамы 2L вагона — расстояние между торцами концевых балок рамы, база 2l вагона — расстояние между центрами пятников кузова. Длина, ширина и высота кузова определяются заданной вместимостью и габаритом подвижного состава. Для достижения возможно большей погонной нагрузки ширину и высоту кузова обычно принимают максимальными для заданного габарита.
Важными параметрами, характеризующим эффективность грузовых вагонов, являются: грузоподъёмность, тара, число осей, объём кузова, площадь пола и линейные размеры вагона, а также соотношения этих параметров: коэффициент тары, удельный объём, удельная площадь пола, нагрузка от колёсной пары на рельс, погонная нагрузка и максимальная скорость движения.
К параметрам пассажирских вагонов относятся: тип планировки (определяется назначением вагона), число осей, населенность, тара, масса экипировки (вода, уголь), линейные размеры, скорость движения и коэффициент тары.
Грузоподъёмность вагона (Р)- наибольшая масса груза, допускаемая к перевозке в вагоне. Грузоподъемность определяет провозную способность железных дорог, и растет с повышением числа осей в вагоне. Так четырехосные вагоны имеют грузоподъемность 68-71 т, а восьмиосные - 120-132 т.
Погонная нагрузка – масса вагона брутто, приходящаяся на единицу длины вагона, получается делением силы от массы брутто вагона на его длину, измеряемую по осям автосцепок:
(2.1)
где mбр - масса брутто вагона, кг;
Lсц - длина вагона по осям автосцепок, м;
g - ускорение свободного падения, м/с2.
Удельный объём – отношение полного объёма кузова V к грузоподъёмности P:
(2.2)
Удельная площадь – определяется для платформ, как отношение пощади пола к грузоподъёмности.
Пассажирские и грузовые вагоны характеризуются также линейными размерами (длиной, высотой и базой).
База вагона – расстояние между центрами пятников кузова, которыми он опирается на тележки.
Длинна ширина и высота кузова вагона определяются с одной стороны, заданной вместимостью, а с другой - габаритом подвижного состава.
Тарой называется собственная масса порожнего вагона. Сумма грузоподъемности и тары представляет собой массу вагона брутто.
Важной задачей вагоностроительной промышленности является снижение тары вагона. Эффективность снижения можно оценить техническим коэффициентом тары Кm.
(2.3)
где Т - тара вагона;
Р - грузоподъемность вагона, для пассажирского вагона берется число мест.
Снижение тары при одновременном повышении грузоподъемности и надежности вагонов можно достигнуть путем выбора более рациональной конструкции элементов, уменьшения динамических сил за счет совершенствования ходовых частей и автосцепного устройства, а также применения низколегированных сталей.
Нагрузка от колёсной пары на рельс – усилие, передаваемое от оси на рельсы. Допускаемая нагрузка зависит от конструкции и прочности верхнего строения пути и скорости движения поездов.
(2.4)
где P0 - нагрузка от колесной пары на рельс;
n0 - количество колесных пар вагона.
Силы действующие на вагон
На вагон постоянно действуют нагрузки, уровень которых практически не изменяется в течение времени службы вагона (или изменяется весьма незначительно). Эти нагрузки называются статическими .
В течение всего срока службы детали и узлы вагона находятся под действием собственного веса, величина которого остается постоянной. При проектировании тара вагона (его собственная масса) определяется в зависимости от тары деталей и узлов, образующих кузов, раму, ходовые части, автосцепное и автотормозное оборудование. В эксплуатации грузовой вагон находится под действием массы перевозимого груза, называемой полезной нагрузкой. Ее величина при загрузке различными грузами изменяется, но не должна быть больше установленной грузоподъемности вагона. При проведении прочностных расчетов полезную нагрузку принимают постоянной, равной грузоподъемности вагона.
К статическим силам относятся также гидростатические и распорные усилия, возникающие при перевозках в цистернах, полувагонах, крытых вагонах, хопперах и других вагонах жидких, сыпучих и других навалочных грузов. При проведении уточняющих расчетов эти силы могут учитываться как временные, действующие не постоянно.
Пассажирский вагон в эксплуатации также находится под действием полезной нагрузки, определяемой числом перевозимых пассажиров. Кроме того, при проведении прочностных расчетов к статическим нагрузкам относят экипировочное обслуживание пассажирского вагона водой, топливом и т.д.
При движении по рельсовому пути происходят колебания вагона в различных плоскостях, в результате которых возникают дополнительные нагрузки то на одну, то на другую деталь или узел конструкции. Эти нагрузки являются переменными, они зависят от времени и называются динамическими силами. Динамические силы возникают в вертикальной плоскости, в горизонтальной (поперек пути) и продольной (вдоль пути) плоскостях. К динамическим силам относятся возникающие при установившихся и переходных колебательных процессах силы взаимодействия вагона с рельсами при движении в прямых и кривых участках пути. Кроме того, динамическими являются силы взаимодействия между деталями и узлами вагона, вагонами и локомотивом при трогании поезда с места, экстренном торможении, маневровой работе на станции, установившемся режиме движения поезда на перегоне.
Уровень возникающих динамических сил зависит от многих причин: состояния рельсового пути, его геометрических параметров, жесткостных и диссипативных свойств, режима движения поезда, упругих и диссипативных свойств рессорного подвешивания и ударно-тяговых приборов вагона. При повышенных скоростях движения существенную роль оказывает воздействие воздушной среды, и изменчивость ветровой нагрузки.
На вагон действуют тормозные силы,возникающие при движении поезда в режиме торможения.
Вагон подвергается ряду воздействий, носящих временный характер: сил, возникающих при механизированной погрузке и разгрузке вагона (погрузка грейфером, разгрузка на вагоноопрокидывателе), сил, возникающих при ремонте вагона (при подъеме кузова домкратами), системы самоуравновешенных сил при движении по кривым участкам пути (вертикальная кососимметричная нагрузка).
Кроме того, вагон и его части подвергаются воздействию сил, обусловленных особенностями технологии его изготовления и ремонта (процессы сборки узлов и деталей вагона, сварочные работы и др.).
Тяговые силы, действующие на поезд
Сила тяги локомотива в зависимости от скорости определяется по тяговым характеристикам, которые строятся для новых бандажей в соответствии с характеристиками тяговых двигателей, снятыми на стенде или при эксплуатационных испытаниях. Сила тяги локомотива не может превосходить силы сцепления ведущих колёс локомотива с рельсами.
,
где FK — сила тяги;
P — «сцепной» вес локомотива (сумма нагрузок на рельсы от всех ведущих колёс);
ψ — коэффициент сцепления.
Коэффициент сцепления колеса с рельсом максимален на стоянке и убывает по мере увеличения скорости движения локомотива. Поскольку реальный коэффициент сцепления зависит от случайных факторов, таких как состояние пути и атмосферные условия, его заменяют расчётным коэффициентом сцепления ψK, величину которого определяют по эмпирическим формулам, основанным на результатах многочисленных опытов в условиях реальной эксплуатации. В простейшем случае, для паровозов:
,
где v — скорость движения, км/ч.
