Унифицированный металлический кузов, принятый в СССР для пассажирских вагонов всех типов, относится к несущим конструкциям типа замкнутой оболочки с многочисленными оконными и дверными проемами в стенах. Расположение и размеры проемов обусловлены архитектурно-планировочными решениями вагонов. В вагоностроительной практике встречаются две конструктивные разновидности таких кузовов, принципиальное различие которых заключается в наличии или отсутствии хребтовой балки в средней базовой части вагона. Однако все кузова одинаковы по типу несущей конструкции, в которой металлические гофрированные обшивки пола, стен и крыши, подкрепленные поперечными и продольными элементами жесткости, совместно образуют замкнутый контур. Этот контур рассматривают как единую несущую систему. Для кузовов такого типа характерны высокие прочность и жесткость; они обеспечивают безопасные условия проезда пассажиров в вагонах, что подтверждает их эксплуатация.
При конструировании металлических несущих кузовов типа замкнутой оболочки помимо внешних форм выбирают также рациональные формы обшивки, ее толщину, материал, геометрические параметры элементов жесткости, подкрепляющих обшивку. Методы расчета кузова как подкрепленной оболочки с вырезами подробно разработаны Е. Н. Никольским и другими специалистами.
Важным фактором является правильное распределение металла по периметру и в различных сечениях кузова. Спроектированную конструкцию кузова оценивают также’коэффициентом g потребления материала, к снижению которого следует стремиться. Коэффициент g можно выразить как отношения массы кузова к его длине (?0 = Ск/Ь), к площади горизонтальной проекции кузова (?х = = Ок/ЬВ) и к объему кузова (g2 = Ок/ЬВН). Доля кузова в общей массе вагона значительна (в среднем до 30%). Поэтому снижение массы кузова, как и массы других устройств вагона, является постоянной и актуальной задачей.
При проектировании конструкций вагонов и, в частности, чх несущих элементов, подверженных различным внешним воздействиям, возникает вопрос, из какого материала наиболее рационально выполнить ту или иную конструкцию, чтобы ее масса была минимальной. Наиболее целесообразный материал с точки зрения достижения наименьшей массы элементов конструкции при
необходимой прочности выбирают по прочностно-весовым характеристикам (ПВХ), позволяющим судить о показателях массы деталей без ее вычисления. Это обстоятельство, в свою очередь, дает возможность сравнить ПВХ различных материалов и выбрать наивыгоднейший, который обеспечивает минимальную массу. Наряду с этим рассматривают технологические вопросы и оценивают экономическую эффективность, что может скорректировать полученный результат и заставить принять материал, масса которого отличается от минимальной, но оптимальна с учетом всего комплекса требований. Для некоторых видов деформаций при статическом и динамическом действии сил ПВХ следующие:
Благодаря выявлению излишних запасов прочности, изысканию новых конструктивных решений и технологических мероприятий, изучению опыта эксплуатации вагона, анализу зарубежной практики, разработке уточненных методов и норм для расчета и проектирования несущих конструкций типа замкнутой оболочки за последние годы снижена масса кузовов некупейных вагонов со спальными местами и вагонов открытого типа с креслами для сидения в среднем на 17%, купейных вагонов с мягкими спальными местами — более чем на 10%, почтовых — на 14%, багажных — на 12% и т. д. Были упразднены стрингеры, а их функции стала выполнять сама обшивка, уменьшенная по толщине и снабженная необходимым количеством продольных гофров. При этом резко снизился объем сварки и правки, уменьшилась погибь обшивки, улучшились изоляционные качества вагона и коррозионная защита кузова. Оказалось возможным уменьшить количество поперечных балок металлического настила пола, снизить высоту шкворневых балок и т. д.
Кузов современного вагона (рис. 104) обычно расчленен на следующие конструктивно-технологические блоки, раму 1 с настилом пола; боковые 2, торцевые и тамбурные стены; крышу 3.
Рама (рис. 105) состоит из хребтовой балки 1, проходящей по всей длине кузова, двух шкворневых 2, трех поперечных 3 и двух концевых 4 балок. Хребтовая балка 1 состоит из трех частей: средняя облегченная выполнена из швеллера №30 (ГОСТ 8240—72), а концевые усиленные — из швеллера № 30 В-1 (ГОСТ 5267—63). Стыки частей хребтовой балки расположены между шкворневыми и установленными вблизи них поперечными балками. Стыки косые и выполнены в разных поперечных плоскостях рамы. Шкворневые балки сварены из вертикальных стенок, перекрытых верхними и нижними листами толщиной 10 мм. Совместно они образуют закрытое коробчатое переменное сечение. Все поперечные балки штампованные из листа толщиной 6 мм. В сечении они имеют вид неравнобокого уголка, высота которого уменьшается по мере удаления от хребтовой балки.
Для концевых балок применен швеллер, части которого снизу и сверху перекрыты усиливающими листами, подкрепленными угольниками и ребрами жесткости. Настил пола уложен сверх рамы и приварен к ней электродуговой сваркой. Настил представляет собой три металлических листа, один из которых, расположенный между шкворневыми балками, имеет толщину 2 мм и для увеличения жесткости снабжен продольными гофрами. Концевые листы гладкие, их толщина 3 мм. Боковыми обвязками рамы служат горячекатаные зетобразные профили (100X75X X75X6,5 мм), к которым приварены листы и балочки пола, уложенные на металлический настил и соединенные с ними контактной точечной сваркой.
Рис. 105. Рама кузова с хребтовой балкой (металлический настил пола снят)
Боковая стена (рис. 106) выполнена из трех продольных поясов — подоконного 1, среднего 2 и надоконного 3. Средний пояс толщиной 2 мм состоит из штампованных элементов, образующих обрамленные отгибкой оконные вырезы и гофрированные простенки между ними. Их стыки расположены посередине оконного проема, т. е. в зоне наименьших напряжений. Для нижних и верхних поясов использованы поставляемые металлургической промышленностью холодногнутые гофрированные профили из листовой стали толщиной соответственно 2,5 и 2 мм. Пояса контактной точечной сваркой соединены внахлест и благодаря граничным гофрам образуют выполняющие функции элементов жесткости полые замкнутые профили над проемами окон и под ними. Такой тип соединения одновременно служит технологическим компенсатором погрешностей линейных размеров собираемых элементов по высоте. Обшивка боковой стены подкреплена поперечными элементами жесткости — стойками зетобразного профиля (56x45x40x3 мм), расположенными в простенках вблизи вертикальных кромок оконных вырезов, а также стойками у дверных проемов, которые имеют омегообразное сечение (200Х70Х50Х ХЗ мм). Свободный край надоконного пояса обшивки стены окантован верхней обвязкой из гнутого зетобразного профиля (50X70X20X3 мм), к которому приварены концы стоек. Все элементы жесткости приварены к листам обшивки контактной точечной сваркой.
Торцовая стена (рис. 107) того конца вагона, где размещено служебное отделение, собрана из листов толщиной 1,5 мм, подкрепленных промежуточными зетобразными элементами жесткости, и снабжена угловыми и двумя противоударными стойками из двутавра. Стойки, расположенные по обе стороны дверного проема, служат для защиты концевой части кузова от возникающих в аварийных случаях больших продольных нагрузок. На этой торцовой стене предусмотрено два ящика —один для хозяйственного инвентаря, другой для угля. Противоположная торцовая стена кузова таких ящиков не имеет. Стены, отделяющие тамбур от внутреннего помещения вагона, также выполнены из металлических листов и подкреплены стойками в дверных проемах.
Крыша (рис. 108) представляет собой сварной каркас из дуг гнутого зетобразного профиля (45x65x40x2,5 мм), связанных по краям с боковыми обвязками углового сечения (56x56x3 мм). Боковые обвязки, в свою очередь, соединены с концевыми обвязками, выполненными из швеллера. Каркас крыши обшит в средней части листами толщиной 1,5 мм с продольными гофрами, а на скатах — гладкими листами толщиной 2 мм. Торцы каркаса закрыты фрамугами, жесткость которых обеспечивают гофрированные листы. Крыша имеет отверстия с горловинами, снабженными фланцами для крепления дефлекторов, а также люки, предназначенные для облегчения работ, связанных с монтажом и демонтажом баков для воды, калорифера и котла водяного отопления.
Рис. !08. Поперечное сечение крыши кузова
Готовые конструктивно-технологические блоки кузова сваривают в местах сопряжения их обвязочных элементов. Коррозионную стойкость кузова увеличивают, применяя для обшивочных листов низколегированные стали с присадкой меди. С этой же целью поверхности листов перед приваркой других элементов покрывают токопроводящим грунтом. Все внутренние поверхности кузова после очистки, обезжиривания и сушки покрывают грунтом ФЛ-ОЗК (ГОСТ 9109—76), а настил пола и подоконные пояса боковых стен, которые более интенсивно подвергаются коррозии, — грунтом В Л-02 или ВЛ-08, а затем мастиками № 213 или № 579.
Для входа в вагон установлены подножки, перекрываемые откидными фартуками. На концевых балках рамы у торцовых дверей имеются переходные площадки. Для безопасного перехода пассажиров из вагона в вагон, исключения зазоров между автосцепками сцепленных вагонов и создания упругой связи между ними вагоны снабжены упругими переходными площадками, укрепленными на торцах кузова. Роль буферов выполняют пружинные амортизаторы, стержни которых шарнирно связаны с плоскими фигурными тарелями. Резиновое суфле с цилиндрическими баллонами прикреплено к металлической раме на торцовой стене, обрамляющей верхнюю и боковые стороны проема двери. В свободном состоянии суфле выступает за пределы оси сцепления автосцепок на 65 мм, что обеспечивает надлежащее уплотнение баллонов у сцепленных вагонов.
Металлический кузов без хребтовой балки по своей принципиальной несущей схеме аналогичен рассмотренному выше кузову. Главное их различие состоит в ином конструктивном решении рамы, при котором (рис. 109) хребтовая балка на участке между шкворневыми балками отсутствует. В связи с этим приходящиеся на боковые обвязки нагрузки значительно увеличиваются, что вынуждает выполнять обвязки из более мощного профиля. Весьма развита консольная часть рамы, так как она призвана воспринимать продольные силы и передавать их на боковые стены кузова. Конструктивно лобовая, концевая и шкворневая балки, а также раскосы объединены в единый узел, так как сверху и снизу они перекрыты листами толщиной 10 мм. Листы имеют вырезы, форма
Рис. 109. Рама кузова без хребтовой балки (металлический настил пола снят)
которых повторяет промежутки, образованные перечисленными элементами. Поперечные балки рамы корытообразного профиля расположены между шкворневыми балками и приварены концами к боковым обвязкам. К указанным балкам приварен настил пола, выполненный из стального листа толщиной 2,5 мм со сплошными продольными трапециевидными гофрами.
Рамы такого типа выгодно отличаются по своим технико-экономическим показателям и хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации на железных дорогах. Поэтому такое конструктивное решение рамы целесообразно использовать во вновь создаваемых пассажирских вагонах.
В настоящее время, когда почти исчерпаны излишние запасы прочности, нельзя ожидать снижения массы несущих конструкций пассажирских вагонов без применения для их изготовления новых материалов, в частности таких, как алюминиевые сплавы и нержавеющие стали. Это позволит также повысить коррозионную стойкость и надежность кузовов пассажирских вагонов.
Несущие конструкции, изготовленные из алюминиевых сплавов, отличаются низким модулем упругости и обладают большей, по сравнению со стальным кузовом, энергоемкостью. Высокая коррозионная стойкость сплавов к атмосферным воздействиям и реагентам, корродирующим углеродистую сталь, позволяет отказаться от наружной окраски кузовов. Алюминиевые сплавы хорошо поддаются штамповке и прессованию. Это обстоятельство открывает широкие возможности создания деталей сложной конфигурации, объединения их в блоки и панели, что, в свою очередь, позволяет рационально использовать материал, получить констру кции высокой технологичности при значительно меньшем объеме сборочно-сварочных работ и лучшем товарном виде.
Отечественная вагоностроительная промышленность накопила определенный опыт создания пассажирских вагонов, в несущих конструкциях которых широко применены алюминиевые сплавы. Первая модель (1971 г.) — с салоном (длина 23,6 м) открытого типа и местами для сидения; вторая модель (1963 г.) — с салоном (длина 26 м) купейного типа и спальными местами; третья модель (1969 г.) — с салоном (длина 23,6 м) некупейного типа и спальными местами; четвертая мод. РТ-200 (1972 г.) — с салоном (длина 26,38 м) открытого типа и местами для сидения. Кузова этих вагонов, построенных КВЗ, имеют конструкцию типа замкнутой оболочки с вырезами, в которой использована гофрированная обшивка, подкрепленная поперечными элементами жесткости.
В опытном вагоне первой модели кузов полностью выполнен из алюминиево-магниевого сплава АМгб и сварен дуговой электрической сваркой в среде аргона. Конструкция этого вагона была принята подобной серийным стальным конструкциям, но рама не имела хребтовой балки. Применение алюминиевых сплавов позволило снизить массу кузова на 6,3 т (примерно на 40%) по сравнению с массой кузова из стали. Вторая модель вагона имела кузов комбинированной конструкции. Стены и крыши были изготовлены из алюминиевого сплава АМгб, рама — из низколегированной стали 09Г2, а настил пола из стали 15. Листы обшивки во всех конструктивно-технологических блоках (кроме консольных частей рамы) были изготовлены гофрированными, продольные элементы жесткости — из гнутых профилей, а стойки и дуги крыши — прессованными. Рама не имела хребтовой балки в средней части. Боковые стены и обвязки рамы были соединены заклепками с использованием полос из алюминиевого сплава АМгб, приваренных к листам обшивки и стойкам стен. Края листов были также приклепаны к нижним полкам обвязок. Контактные поверхности стальных обвязочных зетобразных профилей были оцинкованы и затем покрыты грунтом, который также нанесен и на нижние поверхности алюминиевых полос.
Использование рамы из стали было продиктовано стремлением уменьшить потребление алюминиевых сплавов и снизить этим срок окупаемости вагона. Однако конструкция кузова из разнородных материалов обладает следующими недостатками: исключает возможность получения высокой энергоемкости, как при цельноалюминиевом кузове; возникают дополнительные температурные напряжения вследствие различных коэффициентов линейного расширения использованных материалов. Исследования такого вагона на прочность показали, что сталеалюминиевый кузов не обеспечивает равномерности передачи сжимающих сил на’среднюю часть рамы. В технологическом отношении клепано-сварные конструкции с учетом необходимости защиты от коррозии мест контактов стали и алюминия не выявляют преимуществ этой модели.
Рис. ПО. Сечение цельноалюминиевого кузова (третья модель)
Третья модель вагона, построенная на базе типового внутреннего оборудования (вагон некупейного типа), имеет кузов без хребтовой балки (рис. ПО), изготовленный полностью из алюминиевых сплавов. Номенклатура алюминиевых сплавов расширена, лучше использованы преимущества матричного прессования профилей, для изготовления которых применен сплав 1915Т, отличающийся повышенными прочностными и технологическими свойствами. Обшивочные листы, выполненные из алюминиевомагниевого сплава АМгб, также имеют продольные гофры. Однако для этих листов избрана единая трапециевидная форма, что позволило увеличить их жесткость. Стойки боковых и торцовых стен, дуги крыши, поперечные балки пола, элементы центральной балки в консольных частях рамы и продольные обвязки выполнены из прессованных профилей. Масса кузова в этом конструктивном исполнении оказалась на 40% меньше, чем масса стального кузова вагона ЦМВО-66 серийного производства. У кузова этой модели ширина на уровне верхних обвязок на 135 мм меньше. Трапециевидное сечение дает возможность улучшить аэродинамические качества вагона и несколько снизить его центр тяжести.
Четвертая модель вагона РТ-200 с цельноалюминиевым кузовом предназначена для скоростных поездов. По этому образцу построена опытная партия вагонов. Увеличенная длина и база
вагона вызвали необходимость обеспечить требуемую изгибную жесткость кузова. С этой целью средняя часть вагона снабжена несущим кожухом-обтекателем длиной 8,3 м и высотой 0,73 м, значительно увеличивающим поперечное сечение кузова (рис. 111). За пределами кожуха-обтекателя установлены подъемные фальшборта. Для доступа к подвагонному оборудованию есть люки в обтекателе. Остальная несущая часть кузова решена идентично конструкции третьей модели.
По-иному расположены раскосы в консольной части рамы, которые с целью создания лучших условий для передачи продольных усилий на боковые стены кузова направлены под углом от швеллеров концевых балок к средней зоне каждой шкворневой балки. Боковые обвязки рамы имеют П-образную форму с отбортованными нижними горизонтальными полками и совместно с обшивочными листами боковых стен образуют полые прямоугольные профили.
В последние годы идут большие работы по выбору и использованию для несущей конструкции кузова экономнолегированной нержавеющей стали и других сталей, обладающих повышенными коррозионными и прочностными свойствами. Применение таких сталей позволит резко снизить потребление материала и улучшить технико-эксплуатационные показатели вагона. По данным Калининского филиала ВНИИВ вес сварного кузова некупейного вагона со спальными местами, изготовленного из сталей 10Х14Г14Н4Т (обшивка пола, стен и крыши) и 10ХНДП (элементы жесткости) на 3 тс меньше, чем вес кузова вагона ЦМВО-66 серийного производства. Представляет интерес работа по использованию в отдельных узлах кузова стеклопластиков и других пластмасс (например, трехслойной конструкции пола вагона, металлических элементов консольной части рамы в сочетании со стеклопластиком на основе полиэфирной смолы и др.).
⇐Вагоны скоростного сообщения | Вагоны | Системы отопления и водоснабжения⇒