Спосіб зниження аеродинамічного опору вантажного піввагона

Реферат: UA 88925 U UA 88925 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 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 самопідтримного 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 незручнообтічних 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 гідроаеродинамічні 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 збільшення або зменшення всього в 5 кПа (0,05 атм) на площі борту 2 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 вагона 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 88925 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відомі конструктивні рішення піввагонів, що мають низьке АДО [6, 7]. Згідно з корисною моделлю [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'єкт реалізації способу, приймаємо магістральний універсальний чотирьохвісний 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. Поставлена задача вирішується тим, що в способі зниження аеродинамічного опору вантажного піввагона, кузов якого має дві бічні стіни, які містять каркас, що складається з верхньої і нижньої обв'язок, кутових і бічних стійок і обшивки, яка закриває отвори між стійками і обв'язуваннями так, що бічні стійки виступають назовні за обшивку і нижню обв'язку, згідно з корисною моделлю, на обшивку між бічними стійками, на бічні поверхні бічних стійок і нижню поверхню верхньої обв'язки напилюють жорсткий пінополіуретан із загальною товщиною шару, меншою на 2…5 мм виступу стійок над обшивкою, а на частину обшивки між кутовими і бічними стійками та нижню поверхню верхньої обв'язки напилюють пінополіуретан так, щоб товщина напиленого шару рівномірно збільшувалася від нуля з боку кутової стійки, до величини, на 2…5 мм меншої виступу бічної стійки, потім на поверхню пінополіуретану наносять шар поліуретанової пасти, яка містить суміш литтєвого поліуретану і пластифікатора. Додатково до цього, спочатку очищають зовнішні поверхні бічних стін від бруду, органічних речовин і нашарувань іржі, після очищення та сушіння поверхні стін до гофри жорстко кріплять з інтервалом 0,2…0,5 мм, наприклад зварюванням, арматуру у вигляді відрізків дроту діаметром 2…3 мм; співвідношення компонентів рідкої двокомпонентної суміші пінополіуретану приймають 3 таким, щоби щільність напиленого шару була в межах 30…60 кг/м , співвідношення компонентів двокомпонентної суміші литтєвого поліуретану приймають таким, щоб твердість за Шором затверділого поліуретану була не менше 80 умовних одиниць, ретельно змішані компоненти литтєвого поліуретану загущають до гелеподібної консистенції додаванням інертного тонкомолотого порошку при безперервному перемішуванні, витримують до утворення консистенції пасти в результаті початку твердіння, пасту подають на покриття пінополіуретану; відразу після напилення шару потрібної товщини поверхню пінополіуретану розгладжують, поліуретановою пастою покривають поверхню пінополіуретану шаром товщиною 2…5 мм, після чого поверхню знов розгладжують так, щоб між бічними стійками вона була урівень з їх вертикальними поверхнями; на ділянки бічних стін вагона між кутовими і крайніми бічними стійками пінополіуретан напилюють починаючи з середини відстані між стійками. Суть запропонованого способу полягає в тому, що бічні поверхні вагона вирівнюють, заповнюючи западини між бічними стійками жорстким пінополіуретаном, який захищають від пошкоджень шаром міцного на розрив та роздир, твердого пружного поліуретану. При стоянці влітку в сонячний день стіни вагона можуть нагріватися до температури понад 100 °C. З числа застосовуваних пінополімерів тільки жорсткий пінополіуретан (надалі ППУ) 2 UA 88925 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 теплостійкий до 120…150 °C, має задовільну міцність на стиск, але може пошкоджуватися при 3 ударах. При щільності ППУ менше 30 кГ/м знижується обваження вагона, але міцність на стиск 3 може виявитися незадовільною, при щільності більше 60 кГ/м при задовільній міцності невиправдано збільшується обваження і вартість витрачених компонентів. Покриття його шаром поліуретану (надалі ПУ) надійно захищає від механічних пошкоджень. Загущення рідкотекучого литтєвого ПУ до пастоподібного стану дозволяє наносити його на поверхню машинним або ручним обмазуванням, що виключає необхідність в установці, герметизації спеціальних форм і зняття їх після затвердіння. Товщина напиленого шару між бічними стійками, на 2…5 мм менша виступу стійок, дозволяє захистити його ПУ так, щоб зовнішня поверхня бічної стінки між крайніми бічними стійками була плоскою, при цьому захисний шар товщиною менше 2 мм може не забезпечити потрібного захисту, а більш 5 мм - додає небажану вагу. Мінлива товщина напиленого шару на ділянках між крайніми кутовими і крайніми бічними стійками, починаючи з середини відстані між стійками, забезпечує плавність натікання повітряного потоку на бічну стінку і стікання з неї, при цьому мінімізується витрата полімерів. 3 На двох бічних стінках сумарний обсяг шару ППУ - порядку 4 м , обсяг шару ПУ - менш 3 3 3 0,15 м . При об'ємній вазі ППУ 30…60 кг/м і ПУ з загусником 1600…1800 кг/м обваження вагона не перевищить 0,5 т. Виробництво вихідних компонентів ПУ і ППУ, а також обладнання для напилення ППУ, освоєно промисловістю. Шар ППУ захищає поверхню стін від подальшої корозії, але її залишкові прояви можуть послабити адгезію ППУ до матеріалу стін (частково кородованої сталі і старої фарби) вагона, які при транспортуванні постійно піддаються вертикальним ударним мікроколиванням на стиках рейок. Жорстко закріплені над поверхнею стін вагона відрізки сталевого дроту забезпечують утримання навіть відшарованого при тривалій експлуатації вагона шару ППУ. Приварювання дроту з інтервалом менше 0,2…0,5 м забезпечує надійне утримання шару ППУ. При інтервалі приварки менш 0,2 м невиправдано додається ваги конструкції і збільшується трудомісткість процесу, при інтервалі більше 0,5 м утримуюча здатність арматури може виявитися недостатньою. Приварювання дроту діаметром менше 2 мм вимагає достатньої кваліфікації зварювальника, а дріт діаметром більше 3 мм невиправдано обтяжить конструкцію. Можливість здійснення корисної моделі показана прикладом. У приміщенні, що має залізничну колію всередині та засоби для переміщення вагонів, по обидві сторони колії організовано три технологічних ділянки з використанням серійно виробленого обладнання - ділянки підготовки поверхні бічних стін вагона, напилення ППУ та обмазки ПУ-пастою. Для зручності опису кожен елемент бічної стінки, обмежений верхньою обв'язкою і двома суміжними стійками, назвемо секцією, при цьому кожна бокова стінка чотирьохвісного вагону містить дві крайніх і п'ять середніх секцій. У погодних умовах, коли температура повітря вище 15 °C, в приміщення подають вагони на обробку. На розділеній перегородками ділянці підготовки поверхні бічних стін їх миють високонапірними струменями води з добавкою лугу, обдувають потоком гарячого повітря з теплогенератора, потім під кутом до вертикалі до гофри обшивки кожній середній секції прихоплюють три відрізки дроту завдовжки близько 1,5 м, а на крайніх секціях - по одному відрізку на відстані 0,3…0,4 м від бічної стійки. На ділянці напилення розташований склад вихідних компонентів ППУ, і на різних рівнях - як мінімум три робочих місця, кожне обладнано двома компактними комплектами напилення, кожен комплект включає 2 ємності з компонентами, при змішанні яких відбувається реакція спінювання і полімеризації, дозатори та насоси, що подають компоненти по шлангах, що 2 обігріваються, до пістолета під тиском порядку 0,8…1 МПа (8…10 кг/см ) в заданому співвідношенні, залежному від марки компонентів і бажаної густини ППУ. Пістолети забезпечують досить повне змішання компонентів і рівномірне їх розпорошення з регульованою продуктивністю 1…9 кГ/хв. На напилювану поверхню мікрокраплі матеріалу надходять в рідкому вигляді, протягом 1…2 с вспінюються і протягом 2…3 с тверднуть. Після спустошення балонів з компонентами в одному комплекті фахівець включає пістолет другого комплекту, а в першому замінюють балони. 3 На одну середню секцію наносять до 0,345 м ППУ, його вага - до 17 кГ. При витраті 2 кг/хв на пістолет обробка однієї секції на трьох робочих місцях триває 3 хвилини, а з урахуванням вирівнювання зовнішньої поверхні - 4 хвилини, з урахуванням тривалості трьох переміщень вагона (1 хв.) тривалість нанесення ППУ на вагон - до 35 хвилин. 3 UA 88925 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На кожному робочому місці обробляється частина однієї секції і натискається кнопка готовності (надалі кнопка). Коли на всіх робочих місцях всіх ділянок натиснута кнопка, включається засіб пересування вагона, наприклад лебідка, і вагон переміщують на відстань 1,8 м - на довжину однієї секції. На першому робочому місці спеціаліст присуває до нижньої обв'язки до упору поріг змочену зверху мастилом-роздільником пластину, довжина якої на 2…3 см менше відстані між стійками, потім пошарово, з товщиною шару 8…10 мм, напилює ППУ на поріг і нижню частину секції висотою 0,7…0,75 м, після чого відсуває поріг, потім валиком пригладжує попередньо затверділу поверхню ППУ і натискає кнопку. На крайні секції ППУ наносять, починаючи від середини секції до бічної стійки з плавним збільшенням товщини. При переміщенні секції на друге робоче місце ППУ наноситься на середню частину секції висотою порядку 0,75 м, потім валиком пригладжується поверхня шару і натискається кнопка, на третьому місці процедура повторюється на верхній частині секції. Ділянка обмазування ПУ-пастою розділена на п'ять робочих місць. На першому спеціаліст спеціальним ножем зчищає з краю стійок і з верхньої обв'язки наліт ППУ і натискає кнопку, на другому місці спеціаліст наносить на поверхню нижньої третини секції мірний об'єм (на середній секції - 4 літри, на крайніх 2) пасти, яка подається під невеликим тиском по шлангу з вузьким довгим соплом, після чого шпателем розгладжує пасту на вертикальній і горизонтальній (над нижньою обв'язкою) поверхнях і натискає кнопку, на двох наступних місцях наносять з невеликим надлишком і попередньо розгладжують пасту на середній і верхній частині секцій, на п'ятому фахівець остаточно вирівнює поверхню вагона, прокочуючи зверху вниз по бічних стійках змочений мастилом-роздільником валик, довжина якого перевищує відстань між стійками, і видаляє знизу надлишок пасти. Компоненти литтєвого ПУ ретельно перемішують на малій швидкості мішалки, в суміш через сито додають при безперервному перемішуванні цемент до отримання гелеподібної консистенції. Додавання роблять через сито при безперервному перемішуванні. Після витримки 2…3 години перевіряють консистенцію, при належній густоті готову пасту подають на робочі місця. Після нанесення і розгладжування пасти вагон переміщають на відстій до затвердіння пасти (до 12 годин). Оскільки всі роботи в приміщенні проводяться паралельно і одночасно на кожній секції, на покриття вагона ППУ і ПУ витрачається до 40 хв, що дозволяє обробляти близько 19 вагонів у зміну. 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: 1. Мельничук Д. и др. Тележки грузовых вагонов: проблемы, которые нужно решить. Информагенство РЖД ПАРТНЕР.РУ. от 24.01.2013. http://www.rzdpartner.ru/interviews/cornments/telezhki-qruzovvkh-vaqonov-problemy-kotorye-nuzhno-reshit'/. 2. Савчук О.М. и др. Об интенсивном вилянии тележек. СМИ об РЖД. Журнал "Железнодорожный транспорт", № 4, 2003 г. http://press.rzd.ru/smi/public?STRUCTURE_ID=2&laver_id=5051&refererLaverld=5050&id=12358&pri nt=1. 3. Лобановский Ю.И. Дело о "танцующем" мосте. http://www.synerjetics.ru/article/flutter.htm. 4. Ланда 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. http://www.ukrrudprom.ua/digest/Lite_Slez_krokodilovih.html. 6. Патент РФ № 2345918 С1, МПК B61D17/00, B61F1/00, B61D3/00, Опубл. 10.02.2009, бюл. № 4. 7. Патент РФ № 2253581 С1, МПК B61D3/00; B61D7/00; B61F1/02; Опубл. 10.06.2005, бюл. № 16. 8. Грузовые вагоны колеи 1520 мм. Железных дорог 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. 60 4 UA 88925 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 30 1. Спосіб зниження аеродинамічного опору вантажного піввагона, кузов якого включає дві бічні стіни, які містять каркас, що складається з верхньої і нижньої обв'язок, кутових та бічних стійок і обшивки, яка закриває отвори між стійками і обв'язками так, що бічні стійки виступають назовні за обшивку і нижню обв'язку, який відрізняється тим, що на обшивку між бічними стійками, на бічні поверхні бічних стійок і нижню поверхню верхньої обв'язки напилюють жорсткий пінополіуретан із загальною товщиною шару, меншою на 2…5 мм виступу стійок над обшивкою, а на частину обшивки між кутовими і бічними стійками та нижню поверхню верхньої обв'язки напилюють пінополіуретан так, щоб товщина напиленого шару рівномірно збільшувалася від нуля, з боку кутової стійки, до величини, на 2…5 мм меншої виступу бічної стійки, потім на поверхню пінополіуретану наносять шар поліуретанової пасти, яка містить суміш литтєвого поліуретану і пластифікатора. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що до напилення пінополіуретану очищають зовнішні поверхні бічних стін від бруду, органічних речовин і нашарувань іржі, після очищення та сушіння поверхні стін до гофри жорстко кріплять з інтервалом 0,2…0,5 мм, наприклад зварюванням, арматуру у вигляді відрізків дроту діаметром 2…3 мм. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що ділянки бічних стін вагона між кутовими і крайніми бічними стійками пінополіуретан напилюють, починаючи з середини відстані між стійками, співвідношення компонентів рідкої двокомпонентної суміші пінополіуретану приймають таким, 3 щоби щільність напиленого шару була в межах 30…60 кг/м , співвідношення компонентів двокомпонентної суміші литтєвого поліуретану приймають таким, щоб твердість за Шором затверділого поліуретану була не менше 80 умовних одиниць, ретельно змішані компоненти литтєвого поліуретану загущують до гелеподібної консистенції додаванням інертного тонкомолотого порошку при безперервному перемішуванні, витримують до утворення консистенції пасти в результаті початку твердіння, пасту подають на покриття пінополіуретану; відразу після напилення шару потрібної товщини поверхню пінополіуретану розгладжують, поліуретановою пастою покривають поверхню пінополіуретану шаром товщиною 2…5 мм, після чого поверхню знов розгладжують так, щоб між бічними стійками вона була урівень з їх вертикальними поверхнями. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 5