Justification for reducing the weight of the frame of the platform car for transporting containers in modular electric freight trains

Cover Page

Abstract


Background: The article describes the rationale for reducing the metal content of platform cars of a modular electric freight train (MEFT) due to the distribution of traction power across the composition and reducing internal kinetic forces in the train. The calculation of the volumetric model of the car frame under the action of the weight of containers and quasi-static load, the analysis of the distribution of equivalent stresses is made. The effects of introducing these types of wagons into modular electric freight trains are considered.

A railway train of locomotive traction is a complex mechanical system in which dynamic processes occur due to the traction force of locomotives, fractures of the profile and track plan, braking and releasing the brakes, different rates of pressure change in the brake line, and uneven resistance to movement of the locomotive and cars [1]. When driving the MEFT formed a much smaller amount of internal kinetic energy, allowing to reduce the load limit on the hitch and the frame of the wagons to transport more cargo with equal traction power by reducing the coefficient of tare of the train. In addition, running MEFT will improve the handling and safety of trains, reduce operating costs for passing train flows by reducing energy consumption for traction, braking, reduce the time for testing the brakes, the number of car, locomotive and crew hours. We predict significant (up to 7 times) reduction of loads on the coupling devices and the frame of cars, if the strength condition is met.

Aim: To justify the possibility of reducing the loads on the auto-coupling equipment and metal structures of the frame of platform cars as part of modular electric freight trains by reducing the longitudinal forces in the auto-coupling devices due to the distribution of traction power across the composition.

Methods:

  • special engineering methods for traction calculations applied to railway transport;
  • engineering and technical methods of calculation and design of platform cars;
  • finite element method;
  • a system method that allows you to identify various direct and indirect relationships in the analysis of the selection of frame structures of platform cars.

Results: We  justified  reduction of loads on auto-coupling devices and load-bearing frames of platform cars in MEFT. It is revealed that the decrease of axial compressive loads on the automatic coupler device with 2,500 kN in the car locomotive hauling up to 400 kN at the car the IAEG will help to alleviate the weight of the metal frame of the wagon-platform for transportation of containers and reduce packaging of the car is 1.6 t, by 7.3 %. The reduction in the cost of the car will be 76.8 thousand rubles, or 3.84 %.

Conclusions: The author offers a justification for reducing the weight of container cars-platforms of a modular electric freight train, on the basis of which it is possible to reduce the metal content of cars and transport a larger amount of cargo with equal traction power in comparison with a train of locomotive (concentrated) traction.


Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Масса грузового поезда – один из важнейших показателей мощности транспортной системы, уровня экономического, технического и технологического развития железных дорог [2]. Экстенсивное наращивание массы грузовых поездов неизбежно приводит к дополнительным финансовым и временным затратам, особенно резко увеличивающимися при внедрении тяжеловесного, длинносоставного движения. Освоить необходимые объемы перевозок грузов позволит внедрение вагонов и тяговых средств с пониженным коэффициентом тары. К таковым можно отнести моторвагонные грузовые поезда (МГЭП). За счет распределения тяговой мощности по составу у МГЭП возникают гораздо меньшие внутренние кинетические силы в автосцепках как внутри одного тягового модуля, так и в целом по поезду. Под тяговым модулем понимается сцеп из моторного и допустимого к нему количества прицепных вагонов рассчитанных согласно [3].

При применении МГЭП возможна отмена ограничений на курсирование поездов повышенной массы при температурах наружного воздуха ниже -30 оС [4], поскольку за счет уменьшенных нагрузкок на автосцепное устройство и раму вагонов могут быть снижены требования к прочности металла. За счет большего количества обмоторенных осей у МГЭП возможно применение электродинамического тормоза в гораздо более широком диапазоне скоростей, так как внутренние кинетические силы значительно ниже. Это позволит улучшить управляемость поездом, отменить ограничения на обращение поездов повышенной массы и длины на участках с затяжными спусками до 0,012, которое действует для поездов локомотивной тяги [5].

У тяжеловесных поездов локомотивной тяги силы инерции, возникающие при торможении, многократно превышают силы сцепления головного локомотива с железнодорожным полотном. Следовательно, реализация электродинамического торможения особенно с низких скоростей (от 40 км/ч и менее) невозможна, поскольку при таком торможении (особенно если движение происходит в кривой) поезд может потерять продольную устойчивость [6].

АНАЛИЗ

Наибольшие усилия в автосцепках возникают при трогании поезда с места. Нами были произведены сравнительные расчеты напряжений в автосцепках на руководящих подъемах участков Медвежья Гора – Новый Поселок Октябрьской ж.д. и Кривенковская – Гойтх Северо-Кавказской ж.д. для МГЭП и поездов, ведомых электровозами 3ЭС5К и 3ЭС4К соответственно. Для предупреждения разрыва поездов наибольшая суммарная сила тяги локомотивов, находящихся в голове поезда, при трогании поезда с места определяется исходя из максимально допустимой продольной силы на автосцепке при трогании, равной 950 кН, а наибольшая суммарная сила тяги при разгоне и движении по труднейшему подъему определяется исходя из максимально допустимой продольной силы на автосцепке, равной 1300 кН. Расчеты производились согласно [7].

 

Таблица 1. Сравнительные тяговые расчеты на участке Медвежья Гора – Новый Посёлок

Наименование

Единицы

измерения

3ЭС5К

МГЭП

Отклонение, раз

Руководящий подъем

тыс.

12,5

12,5

-

Количество тяговых единиц (моторных вагонов/электровозов)

шт.

1

7

-

Масса перевозимого груза

т

3935

3996

0,98

Масса состава (прицепных вагонов)

т

5400

5100

-

Количество прицепных вагонов

шт.

65

62

1,05

Масса прицепных вагонов, приходящихся на 1 тяговую единицу (моторный вагон/электровоз)

т

5400

728,6

7,4

Удельное сопротивление прицепных вагонов при трогании с места на роликовых подшипниках

Н/т

9,9

9,9

-

Общее сопротивление состава/прицепных вагонов модуля при трогании, Wсост

кН

1179

158

7,4

 

Таблица 2. Сравнительные тяговые расчеты на участке Кривенковская – Гойтх

Наименование

Единицы

измерения

3ЭС4К

МГЭП

Отклонение, раз

Руководящий подъем

тыс.

18,4

18,4

-

Количество тяговых единиц (моторных вагонов/электровозов)

шт.

1

7

-

Масса перевозимого груза

т

2441

2441

-

Масса состава (прицепных вагонов)

т

3300

3050

-

Количество прицепных вагонов

шт.

40

37

1,08

Масса прицепных вагонов, приходящихся на 1 тяговую единицу (моторный вагон/электровоз)

т

3300

436

7,6

Удельное сопротивление прицепных вагонов при трогании с места на роликовых подшипниках

Н/т

9,8

9,8

-

Общее сопротивление состава/прицепных вагонов модуля при трогании, Wсост

кН

914

120

7,6

Таким образом, при эксплуатации МГЭП при соблюдении условия прочности возможно уменьшить нагрузку на автосцепное оборудование и металлоконструкцию рамы прицепного вагона-платформы (далее по тексту рамы) более чем в 7 раз, что позволит снизить массу тары поезда.

Проанализируем режим нагружения рамы квазистатической продольной нагрузкой с учетом эксцентриситета в сочетании с действием силы тяжести. В соответствии с «Нормами для расчета и проектирования вагонов, железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» [8] для грузовых вагонов, эксплуатируемых на путях общего пользования величина квазистатической сжимающей нагрузки принимается равной 2500 кН. Согласно прогнозируемых условий эксплуатации и необходимому запасу прочности рамы предположим снижение этой величины до 400 кН (в 6,25 раза).

Чтобы оценить возможное уменьшение массы металлоконструкции рамы, рассмотрим схематичную конструкцию рамы. Данная конструкция будет включать в себя стандартные консоли, шкворневые узлы, две боковые балки и хребтовую. Для возможности облегчения исследуем центральную часть рамы, а именно хребтовую и боковые балки между шкворневых узлов, так как именно их конструкция определяется условием прочности. Хребтовая балка состоит из двух профилей двутаврового сечения. Боковые балки также представлены сечением двутавр. Примем, что размеры двутавра хребтовой и боковой балки совпадают.

На Рис. 1 представлена конструкция средней части рамы в сечении.

 

 

Рис. 1. Конструкция средней части рамы в сечении

 

На Рис. 2 представлено сечение двутавра с буквенными обозначениями его геометрических характеристик.

 

Рис. 2. Сечение двутавра

 

Инерционные характеристики сечения двутавра приведены ниже.

Площадь сечения двутавра определяется по формуле:

S1=ah+b(Hh). (1)

Момент инерции сечения двутавра определяется по формуле:

I1=ah312+b12(H3h3). (2)

Обозначения, использованные в формулах (1), (2), приведены на Рис. 2.

Максимальные напряжения σ в конструкции рамы будут складываться из напряжений от продольного усилия σN, изгибными напряжениями влиянием эксцентриситета σe и изгибными напряжениями от веса контейнеров σр.

σ=σN+σе+σР. (3)

Напряжения от продольного усилия определяется по формуле:

σN=NS, (4)

где N – продольная нагрузка, S – площадь сечения рамы, складывается из площадей сечений боковых и хребтовой балки.

 

Напряжениe от влияния эксцентриситета определяется по формуле:

σе=еNW, (5)

где e – эксцентриситет сжимающей нагрузки, W – момент сопротивления рамы.

 

Напряжениe от веса контейнеров определяется по формуле:

σP=MW, (6)

где M – момент от действия веса контейнеров.

 

Момент сопротивления рамы определяется по формуле:

W=Iуmax (7)

где y max – расстояние до наиболее удаленной точки, для двутавра определяется по формуле:

уmax=Н2 (8)

 

I – момент инерции сечения рамы складывается из моментов инерции сечений боковых и хребтовой балки.

 

Момент от действия веса контейнеров определялся по формуле:

M=P4l (9)

где P – нагрузка от веса контейнеров, приходящаяся в центральную часть рамы. При перевозке двух контейнеров длинной 20 футов и массой 30,48 т, нагрузка будет равняться Р = 299 кН; l – база вагона, принимаем равной l = 7,8 м.

В качестве исходной конструкции, удовлетворяющей критерию прочности при нагрузках в соответствии с «Нормами…» [8] принимается рама с характеристиками двутавра, приведенными в Табл. 3.

 

Таблица 3. Характеристики двутавра исходной конструкции рамы.

Обозначение параметра

Значение, м

a

0,19

b

0,012

h

0,566

H

0,6

 

В качестве облегченной конструкции рассмотрим три варианта конструкции рамы:

  • Рама без хребтовой балки.
  • Рама без боковых балок.
  • Рама с уменьшенными по высоте двутаврами в сечении боковых и хребтовой балок.

Высота двутавра выбрана так, чтобы напряжения в облегченной конструкции оставались на уровне с исходной.

Для оценки уменьшения массы металлоконструкции рамы будем рассматривать центральную часть. Масса этой части определяется по формуле:

m=ρS (10)

где ρ – плотность стали, принимается = 7800 кг/м2.

Результаты расчета параметров рассмотренных конструкций приведен в Табл. 4.

 

Таблица 4. Сравнительные результаты расчета рам вагонов

Наименование параметра

Обозначение параметра

Единицы измерения

Исходный вариант рамы

Облегчённый вариант рамы

Вар. 1

Вар. 2

Вар. 3

Высота двутавра

H

м

0,6

0,6

0,6

0,32

Количество двутавров

n

4

2

2

4

Площадь сечения двутавра

S1

м2

0,013

0,013

0,013

0,01

Площадь сечения рамы

S

м2

0,05

0,03

0,03

0,04

Момент инерции двутавра

I1

м4

0,0007

0,0007

0,0007

0,00017

Момент инерции рамы

I

м4

0,0029

0,0015

0,0015

0,00069

Момент сопротивления рамы

W

м3

0,0097

0,0049

0,0049

0,0043

Продольная нагрузка

N

кН

2500

400

400

400

Эксцентриситет

e

м

0,15

0,15

0,15

0,01

Напряжения от продольного усилия

σN

МПа

47,16

15,08

15,08

10,11

Напряжения от эксцентриситета

σe

МПа

38,54

12,32

12,32

0,93

Напряжения от веса контейнеров

σp

МПа

59,87

119,74

119,74

135,74

Максимальные напряжения

σ

МПа

145,54

147,16

147,16

146,78

Массы металло-конструкции центральной части

m

кг

3225

1612

1613

2407

 

Как видно из результатов расчетов, наиболее благоприятным с точки зрения облегчения рамы, является вариант выполнения рамы без хребтовой или шкворневых балок. В этом случае напряжения в конструкции остаются на том же уровне, но масса снижается на 1,6 т.

Так как при данной конструкции наибольший вклад по напряжениям вносят нагрузки от веса контейнера, действующие на боковые балки, то в дальнейшем рассмотрим в качестве перспективной конструкцию рамы без хребтовой балки.

На Рис. 3 представлена объемная модель варианта конструкции рамы вагона-платформы, предназначенная два перевозки контейнеров.

 

 

Рис. 3. Объемная модель рамы

 

Проведен расчет объемной модели рамы при действии веса контейнеров и квазистатической нагрузки - сжатие силой 400 кН.

Расчет производился методом конечных элементов с использованием конечно-элементного пакета ANSYS Workbench версии 12.1. Элементы вагона имитировались объемными квадратичными конечными элементами с тремя степенями свободы в каждом узле: перемещения по трем направлениям.

Для моделирования материала конструкции выбиралась сталь с модулем упругости равным 2,1·105 МПа, коэффициент Пуассона 0,3 и плотностью 7800 кг/м3. Конечно-элементная модель включает 704809 элементов и 1819842 узлов.

Конечно-элементная модель рамы приведена на Рис. 4.

 

Рис. 4. Конечно-элементная модель рамы

 

В качестве кинематических граничных условий принимались:

  • ограничение вертикальных и поперечных перемещений шкворневого узла;
  • симметрия продольных перемещений.

На Рис. 5 приведена схема граничных условий рамы.

 

 

Рис. 5. Схема граничных условий рамы

 

В результате расчета были получены напряженно-деформированные состояния конструкции рамы. Распределение эквивалентных напряжений в раме приведено на Рис. 6.

Максимальные напряжения в конструкции возникли в центральной части боковых балок в районе фитинговых упоров и составили 133 МПа.

 

Рис. 6. Распределение эквивалентных напряжений в раме, Па

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

Таким образом, условия эксплуатации, при которых продольные сжимающие нагрузки уменьшатся до 400 кН, позволят облегчить массу металлоконструкции рамы вагона-платформы для перевозки контейнеров и уменьшить массу тары вагона на 1,6 т, то есть на 7,3 %. При стоимости стали марки 09Г2С345/325, применяемой при строительстве вагонов-платформ 48 тыс. руб./т [9] и стоимости вагона-платформы 2 000 тыс. руб. [10], снижение стоимости такого вагона составит 76,8 тыс. руб. или 3,84 %.

Экономия массы тары прицепного вагона позволит при неизменной тяговой мощности МГЭП и количестве моторных вагонов увеличить количество прицепных вагонов в составе МГЭП по сравнению с вариантом без снижения массы тары. Расчет количества прицепных вагонов в МГЭП, снижение массы тары в которых позволяет добавить дополнительный прицепной груженый вагон определяется по формуле:

nприц= Мбр1приц/Мэк, (11)

где Мбр1приц– масса-брутто 1 прицепного вагона, т; Мэк – экономия массы-брутто тары 1 прицепного вагона по сравнению с базовым вариантом (1,6 т).

Если принять, что Мбр1приц= 82 т, то nприц= 82/1,6  51 вагон. Таким образом эффект от применения рассмотренной конструкции вагона-платформы, предполагающей снижения массы тары вагонов и повышения за счет этого массы поезда при неизменной тяговой мощности проявляется при количестве вагонов в составе свыше 51 штуки массой-брутто 82 т каждый.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выявлена возможность снижения продольных сжимающих нагрузок на автосцепные устройства вагонов модульного грузового электропоезда (МГЭП) до 400 кН, т.е. в 6,25 раза по сравнению с вагоном локомотивной тяги и, как следствие, возможность снижения массы рамы прицепных вагонов на 1,6 т, то есть на 7,3 %. При стоимости стали марки 09Г2С 345/325, применяемой при строительстве данных платформ, 48 тыс. руб./т [9] и стоимости вагона-платформы 2 000 тыс. руб. [10], снижение стоимости вагона составит 76,8 тыс. руб. или 3,84 %.

При этом экономия массы тары прицепного вагона позволяет при неизменной тяговой мощности и количестве моторных вагонов увеличить количество груженых прицепных вагонов в составе МГЭП, если поезд имеет в своем составе более 51 вагона. С учетом привлечения дополнительной массы груза коэффициент тары МГЭП становится меньше, чем у поезда локомотивной тяги. В частности, за счет снижения массы тары в прицепном вагоне МГЭП на участке Медвежья Гора – Новый Поселок удалось при неизменной мощности и количестве моторных вагонов в поезде увеличить количество перевозимого груза на 61 тонну (2 контейнера). На участке Кривенковская – Гойтх такого эффекта не произошло в силу высоких ограничений по величине руководящего уклона и невозможности повышать количество прицепных вагонов при неизменной тяговой мощности. Данные замечания говорят о более высокой эффективности применения МГЭП на участках смешанного профиля пути, где возможно значительно маневреннее управлять тяговой мощностью поезда.

Рассмотренный в данной статье моторвагонный грузовой поезд эффективно сочетает допустимую грузоподъемность со снижением массы тары вагонов при необходимых условиях прочности, а значит, обеспечит повышение эффективности грузовых перевозок на железных дорогах.

About the authors

Pavel S. Troitskiy

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Author for correspondence.
Email: paveltroickiy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9110-4387
SPIN-code: 2510-5734

Russian Federation, St. Peterburg, Moskovskiy ave., 9

postgraduate

References

  1. Заручейский А.В., Гребенюк П.Т. Экспериментальные исследования процессов движения подвижного состава: науч.тр. ОАО «ВНИИЖТ». – М.: Интекст, 2013. – 80 с. [Zaruchejskij AV, Grebenyuk PT. Eksperimental'nye issledovaniya processov dvizheniya podvizhnogo sostava: nauch.tr. OAO «VNIIZhT». Moscow: Intekst, 2013. 80 p. (In Russ.)].
  2. Сотников Е.А., Шапкин И.Н. Эксплуатационная работа на железных дорогах мира (окончание) // Железнодорожный транспорт. – 2009. – № 2. – 72 с. [Sotnikov EA, Shapkin IN. Ekspluatacionnaya rabota na zheleznyh dorogah mira (okonchanie). Zheleznodorozhnyj transport. 2009:2:72 (In Russ.)].
  3. Троицкий П.С. Алгоритм подбора моторных и прицепных вагонов в грузовом поезде моторвагонной тяги по критерию энергетической эффективности // Транспортные системы и технологии. – 2020. – Т. 6. – № 1. – C. 104–119. [Troickiy PS. Algoritm podbora motornyh i pricepnyh vagonov v gruzovom poezde motorvagonnoj tyagi po kriteriyu energeticheskoj effektivnosti. Transportation Systems and Technology. 2020:6(1):104-119 (In Russ.)] doi: 10.17816/transsyst202061104-119
  4. Курбасов А.С. Тяжеловесное движение грузовых поездов на российских железных дорогах: за и против // Наука и транспорт. – 2012. – № 3. – С. 22–29. [Kurbasov AS. Tyazhelovesnoe dvizhenie gruzovyh poezdov na rossijskih zheleznyh dorogah: za i protiv. Nauka i transport. 2012:3:22-29 (In Russ.)].
  5. Иноземцев В.Г., Панькин Н.А., Пыров А.Е. Поезда повышенной массы и длины. Технические средства и технология вождения. – М.: Транспорт, 1993. – 176 с. [Inozemcev VG, Pan'kin NA, Pyrov AE. Poezda povyshennoj massy i dliny. Tekhnicheskie sredstva i tekhnologiya vozhdeniya. Moscow: Transport, 1993. 176 p. (In Russ.)].
  6. Александров И.К. Модульный состав – экономия энергии // Мир транспорта. – 2013. – № 5. – С. 28–37. [Aleksandrov IK. Modul'nyj sostav – ekonomiya energii Mir transporta. 2013:5:28-38 (In Russ.)].
  7. Правила тяговых расчетов для поездной работы – Утверждены Распоряжением ОАО «РЖД» от 12.05.2016. №867р. – 515 с. [Pravila tyagovyh raschetov dlya poezdnoj raboty – Utverzhdeny Rasporyazheniem OAO ”RZHD”ot 12.05.2016. № 867r. 515 p. (In Russ.)].
  8. Нормы для расчета и проектирования вагонов, железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). М.:ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996 г. [Normy dlya rascheta i proektirovaniya vagonov, zheleznyh dorog MPS kolei 1520 mm (nesamohodnyh), Moscow: GosNIIV-VNIIZhT; 1996. (In Russ.)].
  9. Прайс-лист «Пульс цен» [Prajs-list “Pul's cen” [Internet] (In Russ.)]. Доступно по: https://msk.pulscen.ru/products/list_100_mm_09g2s_50501048. Ссылка активна на: 28.02.2020.
  10. Продажа платформ по выгодным ценам. ООО «ТД «Вагонторг». [Prodazha platform po vygodnym cenam. OOO “TD ”Vagontorg” [Internet]. (In Russ.)]. Доступно по: https://www.stanok-trading.ru/industrial_equipment_Prodazha_platform_po_vigodnim_tsenam_62757.html Ссылка активна на: 28.02.2020.

Supplementary files

There are no supplementary files to display.

Statistics

Views

Abstract - 75

PDF (Russian) - 19

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2020 Troitskiy P.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies