Спосіб зниження аеродинамічного опору вантажного піввагона

Реферат: UA 89516 U UA 89516 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до рейкових транспортних засобів, зокрема до вантажних вагонів, і може бути використана при модернізації існуючих конструкцій чотирьох - восьмивісних на піввагонів і розробці нових у напрямку поліпшення їх техніко-експлуатаційних якостей. У зв'язку з тим, що на магістральних залізницях Росії почастішали випадки аварій вантажних вагонів, транспортники-експлуатаційники відзначають, що найбільш значима причина поломок деталей ходових візків - неприпустимо великі напруги в них при втраті стійкості руху - "при вилянні вагонів". Сходи порожнього рухомого складу також пов'язані з втратою стійкості руху. Порожні вантажні вагони входять в режим самопідтримуючого виляння на швидкості менше 70 км/год. Названа причина - частковий знос деталей в технічно справних візках. Рішення: обмежити швидкість при русі в кривих ділянках колії до 60 км/год. вантажних складів, в яких є хоч один порожній вагон [1]. Транспортники-вчені в результаті проведених досліджень відзначають, що порожній вагон з взятими з експлуатації візками зі зношеними гребенями коліс, починаючи з швидкості 70 км/год. на прямолінійній ділянці шляху входить в режим автоколивань виляння з частотою 2.2 Гц. На швидкості до 75 км/год. спостерігався нестійкий рух вагона в цілому. У криволінійних ділянках колії рух стабілізується через притиснення коліс до зовнішнього рельсу [2]. Ні перші, ні другі не розглядали питання - чому порожні вагони входять в режим автоколивань виляння при швидкості 65-75 км/год., а ті ж самі, зі зношеними візками, але навантажені, не входять при 100 км/год. Відповідь - унаслідок дії фізичного явища, званого зривним флатером, і найвідоміші його прояви - "танці" і руйнування мостів при швидкості вітру 17…19 м/с (61…68 км/год.) [3,4]. Суть явища - при русі потоку рідини або газу щодо незручно обтічних протяжних тіл, в області за тілом і на нерівностях бічних поверхонь тіла безперервно утворюються і зриваються потоки вихорів, чому сприяють малі поперечні коливання тіла. Із збільшенням відносної швидкості окремі потоки вихорів об'єднуються, притискаються до поверхні, утворюючи суцільний вихровий прикордонний шар, коливання тиску в якому вельми істотні. При невеликих коливаннях тіла, не пов'язаних з гідро аеродинамічні процесами, взаємодія вихорів з коливним тілом забезпечує позитивний зв'язок в коливальній системі з перекачуванням частини енергії потоку до тіла. Коли приплив коливальної енергії потоку стає рівним розсіюванню енергії тілом, наприклад, в гасителях коливань, воно входить в режим автоколивань. Найчастіше зривний флатер виникає тоді, коли одна з власних частот коливань тіла близька чи кратна частоті зриву вихорів з цього тіла. Перейдемо від фізичного явища до вантажного вагона. У силу нерівності колії візки і вагон схильні до різних коливань (у тому числі і виляння) малої амплітуди, Вихрові потоки повітря уздовж бортів вагона що рухається, утворюють коливання тиску, результуюча яких не збігається за напрямком в часі на обох бортах. При відхиленні результуючого тиску від атмосферного в бік 2 збільшення або зменшення всього в 5 кПа (0.05 атм.) на площі борту близько 25 м імпульс результуючої сили в центрі площі борту складе 125 кН (12.5 т). Відбувається розгойдування вагона з результуючою частотою вихрового потоку, що залежить від його відносної швидкості. Чим більше швидкість, тим більше радіус основної маси вихорів і нижче їх частота. При деякій швидкості, назвемо її критичною, частота коливань тиску потоку збігається з власною частотою коливань вагону і настає резонанс - різке збільшення амплітуди. Частота власних коливань тіла обернено пропорційна кореню квадратному з маси. Якщо маса брутто навантаженого вагона в 4 рази перевищує масу порожнього, то його власна частота приблизно в двоє нижче і резонанс можливий при швидкості в 1,4 разу більшій. При поперечних коливаннях навантаженого вагона відбувається пересипання вантажу з витратою енергії коливань на тертя, що також підвищує критичну швидкість. У порожньому вагоні центр ваги більш ніж на метр нижче центру площі вагона і імпульси бічних сил потоку утворюють момент обертання навколо поздовжньої осі вагона. Якщо гребені коліс нові - візок не має можливості поперечного переміщення, а діючі на борту вагона сили потоку переходять в сили поперемінного поперечного тиску коліс на рейки з інтенсивним взаємним зносом, але в резонансі можливе сходження вагона з рейок. При зношених гребенях має місце обертальне коливання вагона з візком навколо поздовжньої осі, нерівності колії призводять до виляння, забігання бічних рам візків посилює виляння і динамічне навантаження на елементи візків може перевищити межу їх міцності, і не тільки втомної, в першу чергу на дефектах лиття [5]. Ось і вся суть проблеми, з якої випливає, що її рішення потрібно шукати в цілісній системі "кузов+ходова частина". Кузов повинен мати низький аеродинамічний опір (надалі АДО), а ходова частина - протидіяти коливанням виляння. У даній заявці запропоновано рішення першої частини проблеми. 1 UA 89516 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Відомі конструктивні рішення піввагонів, що мають низьке АДО [6, 7]. Згідно з винаходом [6], кузов піввагона включає дві бічні і дві торцеві стіни, виготовлені з порожнистих пресованих панелей чотирикутної форми з алюмінієвого сплаву, довжина яких дорівнює довжині стіни. При цьому зовнішня поверхня стін практично плоска, без виступів і западин. Згідно з [7], піввагон включає кузов, бічні стіни якого виконані з плоских листів зовнішньої обшивки, на внутрішній поверхні яких розміщені каркаси зі спеціального профілю. АДО плоскої бічної стіни на порядок нижче, ніж у бічних стін сталевих вагонів традиційної конструкції. Не вдаючись у переваги і недоліки зазначених конструкцій, констатуємо, що, якщо вони й існують в металі, то не вирішують і в осяжному майбутньому не вирішать існуючих проблем через нечисленність - парк вантажних вагонів з бічними стінками, що мають зовнішній каркас, тільки в Україні перевищує 120 тисяч вагонів. У зв'язку з цим як вагон - об'єкта реалізації способу, приймаємо магістральний універсальний чотиривісний піввагон, наприклад, моделі 12-119 з конструкцією стін кузова, аналогічної багатьом іншим моделям піввагонів [8, 9]. Вагон містить кузов, що включає дві бічні стінки, виконані з каркаса, що складається з верхньої і нижньої обв'язок, кутових і бічних стійок, і обшивки з листів гнутого профілю з поздовжньо розташованими гофрами, що закриває отвори між стійками і обв'язуваннями так, що бічні стійки виступають назовні за обшивку і нижню обв'язку. Стосовно до проблеми автоколивань недолік прототипу і більшості інших вантажних вагонів - виключно погана їх обтічність. При русі вагона кожна стійка бічних стін - місце утворення і зриву вихрового фронту, - місцеве АДО руху. Витрата енергії локомотива на подолання суми місцевих опорів дорівнює енергії вихрового потоку вздовж бортів, частина якої витрачається на коливання вагона. У доступній технічній та патентній літературі автор не знайшов навіть натяку на спосіб зниження АДО таких вагонів, тому задачею корисної моделі є пропозиція способу вирівнювання зовнішньої поверхні бокових стін сталевих вагонів, які знаходяться в експлуатації і тих, що виготовляються з бічними стінками описаного типу, що не тільки зрушує критичну швидкість в сторону більших величин, але і суттєво знижує витрати енергії на транспортування. Задача вирішується за рахунок того, що в способі зниження аеродинамічного опору вантажного піввагона, в якому бічні стійки виступають назовні за обшивку бічних стін, передбачено, що до зовнішньої поверхні обшивки між бічними стійками жорстко кріплять тонкі тверді гофровані листи з вертикальними гофрами, висота яких дорівнює відстані між обшивкою і вершиною поперечного перерізу бічних стійок, після чого до вертикальних гофрів і до бічних стійок кожної бічної стіни симетрично щодо центру площі бічної стіни жорстко кріплять тонкий твердий лист - фальшборт, ширина якого дорівнює висоті бічної стіни, а довжина - відстані між серединами крайніх обшивок по обидві сторони бічної стіни, краї фальшборту, які виступають за крайні бічні стійки, попередньо або після крепления до бічної стінки згинають так, щоб краї фальшборту контактували з обшивками, і жорстко кріплять краї до обшивок. Поставлена задача вирішується тим, що бічні поверхні вагона вирівнюють шляхом кріплення до бічних стійок фальшбортів - легких листів, цільних або зібраний з декількох, плоских або з горизонтальними гофрами, наприклад, з металевих листів стінового профнастилу, жорсткість яких підкріплюють проміжними опорами із легких гофрованих листів, наприклад, з металевого профнастилу, попередньо закріплених до листів обшивок. Виконання фальшборту з тонкого твердого листа з посиленням проміжними опорами, також з тонкого твердого листа, дозволяє при невеликому обважненні кузова в значній мірі захистити зовнішню поверхню від вм'ятин в процесі експлуатації вагона. Загин країв фальшборту до обшивки, включаючи її гофри обшивки, забезпечує плавність натікання повітряного потоку на бічну стінку і стікання з неї Можливість здійснення корисної моделі показана прикладом. У приміщенні, що має дах, стіни і залізничну колію всередині, що має локомотив для переміщення вагонів і вантажопідйомні засоби, по обидві сторони колії організовано дві технологічні ділянки - підготовки поверхні бічних стін вагона, виготовлення і кріплення фальшбортів. Для зручності опису кожен елемент бічної стіни, обмежений верхньою обв'язкою і двома суміжними стійками, назвемо секцією, при цьому кожна бокова стіна чотиривісного вагона містить дві крайніх і п'ять середніх секцій У погодних умовах, коли температура повітря вище 15 °C, в приміщення один за одним подають вагони на обробку. 2 UA 89516 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 На розділеній перегородками ділянці підготовки поверхні бічних стін їх миють високонапірними струменями води з добавкою лугу і обдувають потоком гарячого повітря з теплогенератора. Ділянка виготовлення і кріплення фальшбортів обладнана тельферами, набором шаблонів, будівельно-монтажним пістолетом для пристрілювання металевих виробів і складом металевих листів Висота бічних стін вагона - 2075-2355 мм. Фальшборт виготовляють з двох листів стінового профнастилу ПС-10, що має розміри 1100011800.35 мм, масу 86 кГ У обох листах за допомогою шаблонів відміряють і пригинають кінці завдовжки 1.1 м на кут 5°, їх бокові кромки формують на шаблонах, які повторюють перетин зовнішньої поверхні крайніх обшивок в місці майбутнього контакту з краєм фальшборту, стикують верхній і нижній листи і скріплюють їх саморізами Обшивка кожної середньої секції має три гофри довжиною 1000-1007 і висотою 42-45 мм, висота бічних стійок 100 мм. Для проміжних опор використовують листи профнастилу ПК-57, що мають розмір 103520000.5 мм. Вага кожного листа 10 кг. Послідовно листи тельфером підносять до обшивки кожної бічної секції і пристрілюють до гофр обшивки будівельно-монтажним пістолетом дюбелями по металу. При цьому вершини вертикально розташованих гофрів проміжних опор знаходяться приблизно в одній площині з вершинами бічних стійок. Потім за допомогою траверси тельфера піднімають і приставляють до бічної стіни вагона симетрично відносно середини вагона готовий фальшборт з горизонтальними гофрами малої висоти і пристрілюють його до бічних стійок, а краї фальшборту - до обшивки крайніх секцій будівельно-монтажним пістолетом дюбелями по металу, після чого кріплять саморізами до проміжних опор. Загальна маса проміжних опор та фальшбортів дорівнює приблизно 270 кг. Таким чином, застосування запропонованого способу дозволяє без істотного обважнення конструкції, з незначними затратами праці і витратних матеріалів, модифікувати весь парк експлуатованих вагонів, виробляти за відпрацьованою технологією нові вагони з низьким АДС, істотно знизити питому енергоємність транспортування вантажних складів або при тій же енергоємності підвищити швидкість транспортування без загрози переходу в некерований режим коливань. Джерела інформації: при складанні заявки: 1. Мельничук Д. и др. Тележки грузовых вагонов' проблемы, которые нужно решить Информагенство РЖД ПАРТНЕР.РУ от 24.01 2013 http://www.rzdpartner.rLi/interviews/comments/telezhki-qruzovvkh-vaqonov-problemv-kotorve-nuzhno-reshit'/ 2. Савчук О.М. и др. Об интенсивном вилянии тележек. СМИ об РЖД. Журнал "Железнодорожный транспорт", №4, 2003г. http://press.rzd.ru/smi/public?STRUCTURE ID=2&layer id=5051&refererLayerld=5050 &id=12358&print=1 3. Лобановский Ю.И. Дело о "танцующем" мосте. http//www synerietics.ru/article/flutter htm 4. Панда П.С. Срывной флаттер и эффект затягивания. Вестник научно-технического развития, №6(22), 2009. http://www vntr.ru/ftpqetfile.php?id=308 5. Дмитриева И. Литье. Слез крокодиловых. Газета "Транспорт России", №30 (785), 25.07.2013. httD://www, ukrrudprom.ua/digest/Lite Slez krokodilovih.html 6. Патент РФ №2345918 С1, МПК B61D17/00, B61F1/00, B61D3/00, Опубл 10.02.2009, бюлл.№4. 7. Патент РФ N«2253581 С1, МПК B61D3/00; B61D7/00; B61F1/02; Опубл. 10.06.2005, бюлл. №16 8. Грузовые вагоны колеи 1620 мм. Железных дорос СССР. Альбом-справочник. М.:»Транспорт", 1989, с.47 9. Полувагон модели 12 1592, ЖТМ. Фотографии с размерами. http;//scaletrainsclub.com/board/viewtopic.php?f=46&t=2168. 50 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Спосіб зниження аеродинамічного опору вантажного піввагона, який включає бічні стійки, які виступають назовні за обшивку бічних стін, який відрізняється тим, що до зовнішньої поверхні обшивки між бічними стійками жорстко кріплять тонкі тверді гофровані листи з вертикальними гофрами, висота яких дорівнює відстані між обшивкою і вершиною поперечного перерізу бічних стійок, після чого до вертикальних гофрів і до бічних стійок кожної бічної стіни симетрично щодо центру площі бічної стіни жорстко кріплять тонкий твердий лист - фальшборт, ширина якого дорівнює висоті бічної стіни, а довжина - відстані між серединами крайніх обшивок по обидві сторони бічної стіни, краї фальшборту, які виступають за крайні бічні стійки, попередньо або 3 UA 89516 U після крепления до бічної стінки згинають так, щоб краї фальшборту контактували з обшивками, і жорстко кріплять краї до обшивок. Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4