Как показали результаты исследований, конструктивные схемы в безрамном исполнении позволяют, в отличие от традиционной схемы опирания котла вагона-цистерны на раму, более рационально использовать несущую способность котла за счет повышения допустимого уровня эксплуатационных напряжений. Кроме того, такая схема приводит к снижению металлоемкости, экономии лесоматериалов, увеличению полезной нагрузки, чем обуславливается экономическая целесообразность разработки безрамных вагонов-цистерн.
При разработке технических предложений по безрамной конструкции четырехосного вагона-цистерны целесообразно учесть накопленный мировой практикой опыт, изучив и проанализировав известные технические решения.
В бывшем СССР в послевоенные годы первые безрамные четырехосные вагоны-цистерны были выпущены в 1962 г. -1963 г. в небольшом количестве - опытная партия 60 единиц. Котел безрамной вагон-цистерны представлял собой цилиндрическую обечайку с приваренными по торцам днищами. По концам котла в нижней его части вваривались ниши, внутри которых размещались хребтовые балки консольных частей рамы (опор котла).
Дальнейшее развитие эта конструкция получила в восьмиосном вагоне-цистерне. Опора котла, через которую передаются на котел основные нагрузки и от него на тележку, одновременно служит консольной частью рамы, имеет мощные хребтовую и шкворневую балки, облегченные концевую и боковые балки. К шкворневой балке и хребтовой балке приварен опорный лист, опирающийся на балки посредством ребер и косынок. Один из самых ответственных узлов такой безрамной вагон-цистерны - опора котла, представляет достаточно сложную сварную конструкцию. Являющийся непосредственной опорой котла, опорный лист имеет сложную конфигурацию с концевыми скосами. Для обеспечения хорошего прилегания опорного листа к нижнему листу котла осуществлялись дополнительная калибровка котла, выполнение в опорном листе большого количества прорезей для приварки его к котлу, что повлекло за собой повышенную трудоемкость при изготовлении.
Кроме того, уже в период эксплуатационных испытаний были усилены опорные места котла путем удлинения ребер, поддерживающих опорный лист, усовершенствовано подкрепление опорного листа в месте прилегания к шкворневой балке, оболочка котла в средней его части была подкреплена кольцевыми элементами жесткости - шпангоутами, что повлекло за собой снижение напряжений в зоне опор.
Дальнейшее усовершенствование конструкции безрамных вагонов-цистерн по результатам теоретических и экспериментальных исследований привело к отказу от ниши в концевой части котла и использованию идеи дискретного подкрепления оболочки котла шпангоутами с целью увеличения жесткости котла, что позволило в определенной степени упростить конструкцию, снизить ее металлоемкость. Эти решения повлекли за собой и изменения конструкции опоры. Восьмиосная вагон-цистерна с дискретно подкрепленным шпангоутами котлом (авт. свидетельство СССР, №287090, МКИ B61D 5/00, 25.09.69 г.).
Опора котла (рисунок 1.14) имеет хребтовую и шкворневую балки с концевым и боковым обрамлением. К балкам приварен опорный лист, конфигурация которого значительно упростилась. В концевых частях котел связан с хребтовыми балками фасонными лапами.
Котел 1 цистерны опирается на ходовые части через полурамы 2, состоящие из усиленных хребтовой и шкворневой балок, а также из облегченных концевой и боковых балок. С полурамами котел соединен при помощи опорного листа 3 и вертикальных диафрагм 4, установленных на шкворневых балках 5. Для передачи продольных усилий котел дополнительно соединен с хребтовой балкой 6 через лапы 7 и 8 и опорные накладки 9 и 10. Дополнительно, в целях снижения напряжений от продольных нагрузок, котел соединен с хребтовой балкой концевыми лапами 11. Кроме того, для уменьшения напряжений в оболочке котла в его опорной зоне установлены парные шпангоуты 12 из омегообразного профиля.
В 1988 году начато производство восьмиосных безрамных вагонов-цистерн с повышенной до 125 тонн грузоподъемностью.
Вагон-цистерна имеет цельнонесущий кузов безрамной конструкции, который представляет собой цилиндрический котел с многошпангоутным подкреплением оболочки и опорами. Опорами котла служат консольные полурамы, каждая из которых включает короткую хребтовую балку из усиленного Z-профиля, шкворневую и концевую балки, боковые продольные элементы. Шкворневая балка состоит из верхнего и нижнего листов, двух вертикальных диафрагм из листов и средней диафрагмы из двутавра. Котел соединен сваркой со шкворневыми балками посредством опорных листов и вертикальных ребер с хребтовыми балками полурам - специальными лапами.
Повышение надежности в эксплуатации за счет уменьшения напряжений от продольных нагрузок в зоне соединения шкворневой и хребтовой балок является целью другого технического решения, разработанного на ПО «Ждановтяжмаш» в 1985 году.
Опора котла 1 включает хребтовую 2 и шкворневую 3 балки. На хребтовой балке 2, изготавливаемой из двух зетобразных профилей, размещены упоры автосцепного устройства - передний 4 и задний 5, пятник 6. Котел 1 соединяется с опорой посредством опорных листов 7 и 8, ребер жесткости 9 и 10. На шкворневой балке 3 установлены плиты 11, верхние торцы которых привариваются к опорным листам 7 и 8. Плита 11 крепится к хребтовой балке и заднему упору 5 с помощью заклепок 12.
Наряду с повышением эксплуатационной надежности разработчиками решается задача снижения металлоемкости конструкции, в чем проявляется еще одна из основных тенденций развития вагонов-цистерн: снижение массы тары. Примером может служить разработанное в ПО «Ждановтяжмаш» техническое решение, которое ставит целью повышение эксплуатационной надежности за счет снижения концентрации напряжений в оболочке котла при одновременном снижении металлоемкости.
Опора котла содержит шкворневую балку 1 и хребтовую балку 2, пластинчатые ребра 3, полукольцо 4, жестко соединенное с котлом 5 и внутренним торцом хребтовой балки 2, опорные листы 6 и ребра 7, соединяющие опорные листы со шкворневой и хребтовыми балками. Ребра 3 крепятся к нижней части котла 5, полукольцу 4 и хребтовой балке 2.
Предложенная конструкция обеспечивает плавное изменение жесткости элементов опоры и распределение опорных нагрузок на большую площадь, в результате чего в эксплуатации снижается концентрация напряжений в оболочке котла. Снижение уровня напряжений в нижней части оболочки котла является предпосылкой для уменьшения ее толщины при обеспечении эксплуатационной прочности.
Анализ рассмотренных технических решений показывает, что все они имеют общие признаки: хребтовую и шкворневую балки; приваренный к котлу опорный лист; элементы, соединяющие хребтовую балку и шкворневую балку с опорным листом.
Сходную конструкцию имеют безрамные вагонов-цистерны производства вагоностроительных фирм США. Американские фирмы представляют наибольший интерес для разработчиков и исследователей опорных узлов вагонов-цистерн безрамной конструкции, так как на железных дорогах США, как и на железных дорогах России, ударно-тяговые усилия воспринимаются центральным автосцепным устройством и передаются в случае безрамной конструкции на котел через концевую хребтовую балку по продольной оси вагона. На железных дорогах стран Западной Европы, в частности во Франции и в Германии ударно-тяговые усилия воспринимаются и передаются с помощью сцепного устройства и буферов на боковые продольные балки. Идея использования конструкционной прочности котла для того, чтобы устранить хребтовую балку между тележками, воплощена в жизнь в 1975 году, компанией «Union Tank Car Co.», которая изготовила безрамную вагон-цистерну емкостью 37854 литров. В 1958 году компания выпустила вагон-цистерну аналогичной конструкции емкостью 75709 литров. Во всех модификациях вагонов-цистерн концы хребтовой балки привариваются к котлу и устанавливаются непосредственно на тележки.
Отличительной особенностью такой конструкции является то, что концевая хребтовая балка непосредственно приваривается к опорному листу котла. Шкворневая балка формируется из нижнего шкворневого листа и диафрагм, соединяющих его с хребтовой балкой и опорным листом. Продольные нагрузки на котел передаются от пятникового узла через опору.
Несколько позже это техническое решение получило свое дальнейшее развитие (рисунок 1.19). В зоне внутреннего торца хребтовой балки установлен соединенный с ней кольцевой элемент жесткости - шпангоут. Решение описано в патенте США №3336879 (кл. 105-360, опубл. 22.08.67 г.).
Продолжая совершенствовать конструкцию этой же вагон-цистерны, фирма ACF Industries в 1979 году разработала и запатентовала новую конструкцию опоры (США, патент №4257332, МКИ В 61D5/06, B61F 1/00, НКИ 105-362, Опубл. в 1981 г.) Вагон-цистерна имеет укороченную продольную балку, состоящую из двух профилей, при этом образуется швеллерообразное сечение. Балка имеет вогнутую верхнюю пластину и две вертикальные стойки. Наружная концевая часть вогнутой пластины расположена у конца вагона и направлена внутрь к зоне, находящейся у шкворневой балки. В этой зоне она перекрывает вертикальные стойки, а каждая из поперечных наружных кромок вогнутой пластины взаимодействует с верхним концом одной из вертикальных стоек. Шкворневая балка имеет верхний криволинейный лист, который опирается на соответствующие наружные диафрагмы. Вогнутая пластина приварена к котлу в промежуточной и внутренней частях.
В 1981 г. фирма ACF Industries с целью повышения надежности вагон-цистерны запатентовала опорный узел вагон-цистерны и устройство для защиты днища котла от повреждения. Днище котла защищено листом, укрепленным на передней концевой части опоры (США, патент №4466356, МКИ B61D 5/00, МКИ 105/358, опубл. 1.21.08.84).
Анализ рассмотренных конструкций опор котлов по патентам США показывает, что они имеют те же общие конструктивные элементы, что и опоры по техническим решениям, разработанным в бывшем СССР: опорный лист котла, короткую хребтовую балку в концевой части, шкворневую балку и элементы, соединяющие их в единое целое - опору котла, передающую продольные усилия непосредственно на котел. При этом концевая хребтовая балка приваривается непосредственно к опорному листу котла, нижний шкворневой лист соединяется с опорным листом котла подкрепляющими элементами, которые соединены вертикальными диафрагмами, образуя своего рода шкворневую балку.
Следует отметить, что в отдельных технических решениях имеются существенные отличия от решений, рассмотренных выше.
В патентуемой конструкции имеется наружное 1 и внутреннее 2 крепление шкворневой 3 и хребтовой 4 балок к котлу 5. Наружное крепление 1 включает опорный лист 6, приваренный к цилиндрической поверхности котла 5 и соединенный внизу с хребтовой балкой 4, трубы 7, соединенные вертикальными диафрагмами 8 и нижним шкворневым листом 9 в единую конструкцию.
В месте постановки плиты 10 устанавливается ребро жесткости 11. Вертикальные стенки 12 и нижние горизонтальные полки 13 подкреплены поперечными листами 14 и 15. Внутреннее крепление 2 в районе шкворневого поперечного сечения состоит из стальной полосы 16, связанной с внутренней поверхностью котла 5 радиальными ребрами жесткости 17. В данном техническом решении, таким образом, используется подкрепление оболочки котла в зоне опоры внутренним кольцевым элементом. Продольные усилия передаются на котел от хребтовой балки 4 через опорный лист 6.
Анализ приведенных конструктивных схем безрамных вагонов-цистерн показывает, что наиболее распространенным решением является передача продольных усилий от концевой хребтовой балки непосредственно на котел.
Хотя в мировой практике известен и другой вариант. Продольные ударно-тяговые усилия воспринимаются концевой рамой, в которой объединяются в единую конструкцию концевая, хребтовая балка, и соединительная балка четырехосной тележки.
В такой конструкции котел опирается на полураму, которая одновременно является соединительной балкой и местом установки ударно-тяговых устройств (патент США №3626867, МКИ 105-360, опубл. 14.12.1971 г.).
Котел 1 через опорный лист 2, шпангоут 3, вертикальные диафрагмы 4, наклонные ребра 5 установлен на шкворневом листе 6 с коробом 7 и пятником 8. Короб 7 приваривается к опорному листу 2. Одновременно к коробу 7 (в концевой части и межтележечной части), а также и к продольным элементам опорного листа 2 приварена консольная хребтовая балка 9.
В 1970 году фирмой General American Transportation Corporation (GATX) запатентовано техническое решение по опоре и усилению котла безрамной вагон-цистерны (патент США №3662692, МКИ В61D5/06, НКИ105-358, опубл. 16.05.1972 г.).
В нижней части патентуемый котел с обоих концов имеет приваренные опорные листы. К каждому из них с обеих сторон приварены усиливающие поперечные накладки, к которым приварены диафрагмы, соединенные сваркой с элементами рам концевых опор. Продольные (хребтовые) балки, в которых размещается автосцепное устройство, сварены из швеллеров, расположенных полками наружу. На участке между опорными листами котел в нижней его части, усилен продольными элементами прямоугольного сечения.
К опорным листам 1 приварены поперечные усиливающие накладки 2, к которым привариваются вертикальные диафрагмы опоры. Между опорными листами установлены продольные усиливающие элементы 3, 4 и 5. Крайние продольные элементы все имеют одинаковую длину, средние - разной длины из-за несимметричного расположения люка 6 для сливной аппаратуры.
Таков далеко не полный перечень известных технических решений, относящихся к области безрамных конструкций вагонов-цистерн, которыми преследуется цель использования котла в качестве несущего элемента, воспринимающего возникающие в эксплуатации продольные нагрузки.
Среди рассмотренных вариантов безрамной конструкции представляет интерес опорный узел котла, в котором концевые полурамы снабжены усиливающими раскосами и установленными на них пластинами, соединенными между собой и образующими опору, на которой посредством опорного листа устанавливается котел.
Вагон-цистерна с тележкой 1 имеет опорный узел, который содержит полураму концевую 2, состоящую из хребтовой балки 3 из специального профиля 4 (вариант - из Z-профиля 5 с лапой 6), шкворневой балки 7, переднего 8 и заднего 9 усиливающих раскосов, лобового обрамления 10. Внутри хребтовой балки 3 устанавливается автосцепное устройство 11. На концевых полурамах 2 установлены опоры 12, каждая из которых включает пластины 13, установленные на шкворневых балках 7, пластины 14 и 15, установленные на усиливающих раскосах 8 и 9 соответственно. На пластинах 13-15 расположен опорный лист 16 котла 17, который устанавливается на листе 16. Плоскости соответствующих раскосов и пластин расположены под углом к продольной и поперечной вертикальным плоскостям. Котел 17, опоры 12 и концевые полурамы 2 представляют собой единую цельносварную конструкцию. Продольные нагрузки через автосцепное устройство 11 передаются через полураму и опору на котел, при этом котел опирается на опору по кривой второго порядка (эллипсу). Такое опирание котла по линиям, не совпадающим с линиями главных кривых плоскостей оболочки, вызывает сложный характер как деформированного состояния конструкции, так и распределения напряжений в характерных сечениях котла, причем максимальные напряжения имеют место в сечении котла по краю опоры со стороны середины котла.
В настоящее время проводится совместная работа научно внедренческого центра «Вагоны» и АО «Рузхиммаш» по созданию вагона-цистерны для светлых нефтепродуктов с котлом переменного сечения (рисунок 1.25).
В новой вагоне-цистерне для увеличения объема котла использовано габаритное пространство между тележками. В результате сконструированная цистерна имеет котел переменного сечения, состоящий из двух котлов: верхнего (цилиндрической формы) и нижнего (конической и цилиндрической формы). Конструкция вагона не имеет хребтовой балки, а опора котла на тележки осуществлена через полурамы, состоящие из хребтовой, боковой, продольной и лобовой балок. Котел соединен с полурамами через систему поперечных и продольных ребер.