К.т.н., доц. Визняк Р.И., аспирант Ловская А.А.

Украинская государственная академия железнодорожного транспорта

Разработка мероприятий, направленных на обеспечение сохранности грузовых вагонов при перевозке их железнодорожно-паромными судами в условиях морского волнения

Исторически, регион Черного моря всегда имел важное стратегическое значение в развитии транспортно-торговых связей между отдельными государствами Европы. С целью повышения объемов перевозок через его акваторию получили развитие комбинированные перевозки между отдельными видами транспорта – железнодорожного и водного, одна из производных которого составляет железнодорожно-паромные перевозки.

На основании исследований фактических случаев типовых схем закреплений вагонов относительно палуб украинских железнодорожно-паромных судов было установлено, что чаще всего оно ошибочно осуществляется за элементы конструкции вагонов, которые предназначены для подтягивания их во время маневровых операций, а не для взаимодействия с многооборотными судовыми устройствами. Следствием неравномерного закрепления является повреждение этих элементов, поскольку динамические процессы, происходящие с вагоном на судне при волнении акватории моря на участке расположения паромных маршрутов, отличается от обычных маневровых работ при подтягивании, и учитывают действие сил в различных направлениях, а не в одном. Для проверки прочности этих элементов при реальных условиях эксплуатации предложено построение пространственных моделей с помощью программного обеспечения SolidWorks с последующим расчетом в CosmosWorks (вер.2010). При построении конечно-элементной модели (КЭМ) использовались объемные пространственные параболические тетраэдральные элементы с тремя степенями свободы. Такая конфигурация элемента обеспечивает линейное изменение перемещений в пределах его объема. Дискретизация проводилась в автоматическом режиме, количество элементов сетки также определялось автоматически. Показатели прочности узла рассчитывались по критерию Мизеса (критерию формоизменения), т.е. IV теории прочности.

Результаты расчета показали, что напряжения в элементах закрепления во всех рассмотренных вариантах в несколько раз превышают допускаемые для марок сталей 09Г2Д и 09Г2С, что свидетельствует о недопустимости закреплений цепных стяжек по данной схеме.

На основании теоретических исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) кузова универсального полувагона нового поколения модели 12-7023 было установлено, что при закреплении цепных стяжек в углах узлов заделок шкворневых балок рамы вагона и вертикальными стойками обшивки кузова напряжения в конструкции находятся в пределах допускаемых.

Однако осуществить подобное закрепление практически не представляется возможным в следствии геометрических особенностей кузова вагона и гака цепной стяжки.

В связи с этим предлагается оснащение парка вагонов, наиболее интенсивно оборачиваемых в международном железнодорожно-паромном сообщении специальными конструкционными элементами для взаимодействия с судовыми устройствами закрепления вагонов. Геометрические параметры данного узла проектировались с учетом размеров шкворневой балки вагона и гака цепной стяжки (рис. 1).

Для усовершенствования конструкции узла для закрепления гака цепной стяжки использовались методы оптимизации с целью уменьшения металлоемкости, работа проводилась в программном обеспечении SolidWorks, а проверка адекватности полученной модели – в CosmosWorks с последующей оценкой НДС.

При этом закрепление элемента моделировалось как жесткое защемление за его опорные части, из условия сваривания внахлест, а нагрузка принималась, как равномерно распределенная от гака цепной стяжки по зоне контакта с узлом. Количество элементов сетки составило 8110, узлов – 13141.

Рис. 1. Узел для закрепления гака цепной стяжки на вагоне

1 – направляющая гака цепной стяжки; 2 – прилив радиальный; 3 – опора цилиндрическая; 4 – призматическая часть; 5 – усиление; 6 – опорная часть.

Результаты расчетов позволяют сделать вывод, что эквивалентные напряжения в условиях основных видов качки паромного судна (вертикальной, килевой и бортовой) находятся в пределах допускаемых и составляют около 112 МПа, эквивалентные деформации – 5·10мм, запас прочности узла составляет более двух.

Исследования НДС шкворневой балки полувагона при размещении на ней специального узла для закрепления гака цепной стяжки с учетом волнения моря показало, что напряжения в конструкции также находятся в пределах допускаемых и составляют 134 МПа в зоне вертикального листа шкворневой балки у узла заделки со стойкой (рис. 2), эквивалентные деформации – 6·10мм, запас прочности конструкции – 2.

Для проверки соответствия углов размещения цепной стяжки относительно вагона было промоделировано закрепление ее за узел взаимодействия с кузовом и установлено, что они отвечают нормативным, согласно “Наставлению по креплению генеральных грузов при морской перевозке для т/х “Герои Плевны” ”.

а) б)

Рис. 2. Шкворневая балка полувагона с узлом для закрепления гака цепной стяжки

а) расчетная схема; б) напряженное состояние в условиях бортовой качки судна

Проведенные исследования дают право утверждать, что оснащение парка грузовых вагонов узлами для закрепления гаков цепных стяжек позволяет обеспечить их сохранность в условиях морской качки и безопасность железнодорожно-паромных перевозок, что ставит задачу проверки адекватности результатов путем натурных испытаний при экспериментальных исследованиях.