Визняк Р.И., Ловская А.А.

Украинская государственная академия железнодорожного транспорта

Исследование напряженно-деформированного состояния вагонов при перевозке их железнодорожными паромами в условиях волнения моря

В условиях интеграции Украины в Европейский союз наблюдается интенсивность развития международных комбинированных перевозок. Учитывая ее географическое положение, одним из перспективных тандемов в этом направлении выступают железнодорожный и морской транспорт. В настоящее время железнодорожно-паромными перевозками в акватории Черного моря, связывающего Украину с Россией и Европой, занимаются 18 операторов. Со стороны нашего государства выступает судоходная компания “Ukrferry”, паромные суда которой эксплуатируются на маршрутах “Ильичевск – Варна” (Украина – Болгария), “Ильичевск – Поти/Батуми”, “Керчь – Поти” (Украина – Грузия), “Ильичевск – Дериндже” (Украина – Турция), а в акватории Азовского моря – “Тамань – Керчь” (Россия – Украина).

С целью обеспечения прочности, надежности и сохранности вагонов, а также повышения эффективности работы паромных переправ на кафедре “Вагоны” Украинской государственной академии железнодорожного транспорта (г. Харьков) были исследованы условия эксплуатации вагонов в железнодорожно-водном сообщении с учетом существующих технологий закрепления их относительно палубы судна. Для исследования устойчивости кузова вагона и обеспечения безопасности движения в условиях волнения моря составлялись дифференциальные уравнения движения паромного судна с учетом курсовых углов волны по отношению к его корпусу с их последующим решением в программном комплексе Mathcad. Таким образом были определены ускорения относительно штатных мест размещения вагонов на палубе паромного судна. При этом отдельно рассматривался каждый вид колебательного процесса, продолжительность которого принималась равной периоду волны, характер возмущающего воздействия задавался трохоидальным, амплитуда возмущения принималась равной максимальной высоте волны для акватории моря, а частота определялась курсовым углом волны по отношению к корпусу паромного судна.

Для исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) кузова универсального полувагона была создана его пространственная модель в графической среде ProENGINEER и конечно-элементная модель в программном комплексе ProMECHANICA. При этом рассматривались три схемы взаимодействия вагонов с цепными стяжками, используемыми для обеспечения устойчивости кузовов вагонов при перевозке морем: несимметричное, принятое ко вниманию на основании натурных исследований, проведенных на палубе украинских железнодорожно-паромных судов; закрепление по схеме, представленной в “Наставлении по креплению генеральных грузов при морской перевозке для т/х “Герои Плевны” (в дальнейшем “Наставление …”); закрепление стяжек за углы узлов заделок шкворневых балок рамы вагона и вертикальными стойками обшивки кузова.

Анализ напряженно-деформированного состояния кузовов вагонов показал, что при несимметричном расположении цепных стяжек относительно кузова максимальные напряжения в соответствующих конструкционных зонах возникают в местах закрепления при вертикальной и бортовой видах качки и превышают допускаемые для марок сталей 09Г2Д и 09Г2С. В случае закрепления цепных стяжек по схеме, оговоренной в “Наставлении …” напряжения при данных видах качки также превышают допускаемые (рис. 1), но по сравнению с первым расчетным вариантом наблюдаются меньшие величины деформаций в конструкции кузова. При закреплении цепных стяжек за углы узлов заделок шкворневых балок рамы вагона и вертикальными стойками обшивки кузова, напряжения в конструкции превышают допускаемые только при вертикальной качке, а при бортовой и килевой находятся в пределах допускаемых.

Наименее опасной с точки зрения силового воздействия на конструкцию вагона является килевая качка, поскольку при незначительном угле дифферента (2,5) сохраняется значительный запас прочности в несущей конструкции вагона, однако при повышении данных углов будет происходить прямопропорциональное изменение расчетных напряжений в сторону повышения заданных пределов прочности.

а) б)

Рис. 1. Напряженное состояние конструкционных зон в местах закрепления кузова универсального полувагона нового поколения модели 12-7023 при взаимодействии его с цепными стяжками в условиях морского волнения

а) при вертикальной качке (поворот кузова); б) при бортовой качке (вид снизу)

В связи с этим на кафедре “Вагоны” УкрГАЖТ разработаны и запатентованы мероприятия и рекомендации, направленные на снижение величин эксплуатационных нагрузок элементов кузовов вагонов при перевозке их морем в международном железнодорожно-водном сообщении.