Спосіб зниження аеродинамічного опору вантажного піввагона

Реферат: UA 88926 U UA 88926 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 використаний 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 гідроаеродинамічними 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 флаттер виникає тоді, коли одна з власних частот коливань тіла близька чи кратна частоті зриву вихорів з цього тіла. Перейдемо від фізичного явища до вантажного вагону. 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 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 88926 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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, до бічних стійок кожної бічної стіни симетрично щодо центру площі стіни жорстко кріплять тонкий твердий лист - фальшборт, цільний або зібраний з декількох, ширина якого дорівнює висоті стіни, а довжина - відстані між серединами крайніх обшивок по обидві сторони стіни, краї листа, які виступають за крайні бічні стійки, згинають так, щоб зазор між кромкою фальшборту і обшивкою, включаючи гофри обшивки, не перевищував 3 мм, отвори між нижньою обшивкою і листами перекривають тонкими твердими листовими днищами, потім у простір між стінкою вагона і листом впорскують заливний жорсткий пінополіуретан. Додатково до цього, перед закріпленням фальшборту зовнішні поверхні бічних стін очищають 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 заливного жорсткого пінополіуретану приймають таким, щоб щільність спіненої маси 3 була в межах 30...60 кг/м , пінополіуретан впорскують в кожну порожнину між стійками через спеціальні отвори у верхній частині листа в кількості, необхідній для заповнення простору піною, як мінімум в два прийоми. Суть запропонованого способу полягає в тому, що бічні поверхні вагона вирівнюють шляхом кріплення до бічних стійок легких листів - фальшбортів, а простір між бічними стінами і фальшбортами заповнюють жорстким пінополіуретаном. При стоянці влітку в сонячний день стіни вагона можуть нагріватися до температури понад 100 °С. З числа застосовуваних пінополімерів тільки жорсткий пінополіуретан (надалі ППУ) теплостійкий до 120...150 °С, 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. Виконання фальшборту з тонкого твердого листа з посиленням з жорсткого ППУ дозволяє при невеликому обважненні кузова в значній мірі захистити зовнішню поверхню від вм'ятин в 2 UA 88926 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 процесі експлуатації вагона. Вага фальшборту з листа товщиною, що забезпечує без посилення ППУ еквівалентну жорсткість, більш ніж у тричі перевищує вагу по запропонованому варіанту. Загин країв фальшборту до обшивки, включаючи її гофри обшивки забезпечує плавність натікання повітряного потоку на бічну стінку і стікання з неї, при цьому мінімізується витрата полімерів. Зазор до 3 мм між кромками країв фальшборту і поверхнею крайньої обшивки, включаючи її гофри, достатній для запобігання витікання назовні ППУ, який вільно запінюється, при зазорі, що перевищує 3 мм, можливо видавлювання піни назовні з необхідністю подальшого її зрізання вручну. Необхідність перекриття отворів між нижньою обв'язкою і вертикальною поверхнею фальшборту днищами викликана тим, що впорскуваний заливний ППУ - в'язка рідкотекуча маса і починає пінитися після змішування в пістолеті та вприскування через 8...10 с. За відсутності днищ вона просто витече назовні. Впорскування її через отвори у верхній частині фальшборту дозволяє не герметизувати край днища, оскільки стікання рідкотекучого ППУ по поверхні стіни вагона до днища - порядку 5...7 с, теча його до краю днища - ще 4...8 с, а густа піна без тиску через щілини до 3 мм не протікає. У жорстких формах при одноразовому уприскуванні ППУ тиск в обсязі форми піднімається 2 до 0,3...0,5 МПА (3...5 кГ/см ), а жорсткість фальшборту на це не розрахована. Впорскування ППУ в кілька прийомів знижує його уявну щільність і міцність на стиск, але дозволяє заповнювати обсяг поступово, без істотного підвищення тиску всередині. 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. При виконанні обох фальшбортів із сталевого листа товщиною 0,3...0,4 мм їх сумарна вага 3 не перевищить 300 кГ. На двох бічних стінках сумарний обсяг шару ППУ - порядку 7,5 м . При 3 об'ємній вазі ППУ 40 кг/м загальна його вага - менше 300 кг. Разом сумарне обваження вагона з урахуванням арматури - менше 700 кг. Виробництво вихідних компонентів заливного жорсткого ППУ, а також обладнання для їх змішування і вприскування, освоєно промисловістю. 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 три технологічних ділянки з використанням серійно виробленого обладнання - підготовки поверхні бічних стін вагона, виготовлення і кріплення фальшбортів із днищами, упорскування ППУ. 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 °С, в приміщення один за одним 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. 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. 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 переріз зовнішньої поверхні крайніх обшивок в місці майбутнього контакту з краєм фальшборту, на верхньому листі пробивають отвори для упорскування ППУ, стикують верхній і нижній листи і скріплюють їх саморізами, потім за допомогою траверси тельфера піднімають і приставляють до бічної стіни вагона готовий фальшборт і пристрілюють його до бічних стійок будівельно-монтажним пістолетом дюбелями 3 UA 88926 U 5 10 15 20 25 30 35 по металу, після чого приставляють та кріплять саморізами днища, які по шаблонах вирізають з тонколистового металу. Потім вагон переміщують на ділянку уприскування ППУ. На цій ділянці розташовані склад вихідних компонентів ППУ і на помості - два комплекти для вприскування, установлені на візках. Спеціаліст з упорскування проходить з візком і пістолетом по помосту вздовж вагона і послідовно впорскує в кожен отвір задану дозу ППУ, повертається до початку вагона і знову проходить та впорскує чергову дозу, так повторюється ще два рази. Після спустошення балонів з компонентами в одному комплекті фахівець включає пістолет другого комплекту, а в першому замінюють балони. 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, прийняті до уваги 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.ru/inteiviews/comments/telezhki-qruzovykh-vagonov--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 &print=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/ftpgetfile.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, бюлл. № 4. 7. Патент РФ № 2253581 С1, МПК B61D3/00; B61D7/00; B61F1/02; Опубл. 10.06.2005, бюлл. № 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. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 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 до бічних стійок кожної бічної стіни симетрично щодо центру площі стіни жорстко кріплять тонкий твердий лист - фальшборт, цільний або зібраний з декількох, ширина якого дорівнює висоті стіни, а довжина - відстані між серединами крайніх обшивок по обидві сторони стіни, краї фальшборту, які виступають за крайні бічні стійки, огинають так, щоб зазор між кромкою фальшборту і обшивкою, включаючи гофри обшивки, не перевищував 3 мм, отвори між нижньою обшивкою і фальшбортом перекривають тонкими твердими листовими днищами, потім у простір між стінкою вагона і фальшбортом впорскують заливний жорсткий пінополіуретан. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що перед закріпленням фальшборту зовнішні поверхні бічних стін очищають від бруду, органічних речовин і нашарувань іржі, після очищення та сушіння поверхні стін до гофри обшивок 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 співвідношення компонентів рідкої двокомпонентної суміші заливного жорсткого пінополіуретану приймають таким, щоб щільність 3 спіненої маси була в межах 30…60 кг/м , пінополіуретан впорскують в кожну порожнину між стійками через спеціальні отвори у верхній частині листа в кількості, необхідній для заповнення простору піною, як мінімум в два прийоми. 4 UA 88926 U Комп’ютерна верстка С. Чулій 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