§ 42. Кузоза пассажирских вагонов

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 (g₀ = G/L), к площади горизонтальной проекции кузова {g_l = G/LB) и к объему кузова (g₂ = G/LBH). 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

254

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.

255

,3

17000

Рис. 104. Кузов серийного пассажирского вагона в средней зоне

Рис. 105. Рама кузова с хребтовой балкой (металлический настил пола снят)^-)

Рис. 107. Торцовая стеиа кузова

Рама (рис. 105) состоит из хребтовой балки /, 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 (100Х75Х 75X6,5 мм), к которым приварены листы и балочки пола, уло­женные на металлический настил и соединенные с ними контакт­ной точечной сваркой.

256

256

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 демонта­жем баков для воды, калорифера и котла водяного отопления.

258

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 ВЛ-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 принци­ пиальной 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 восприни­ мать 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

259

23U60

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 к-260

ции 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 цель-ноалюминиевом 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.

261

Рис. 110. Сечение цельноалюииниевого кузова (третья модель)

Третья модель вагона, построенная на базе типового внутрен­него оборудования (вагон некупейного типа), имеет кузов без хребтовой балки (рис. 110), 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 алюминиево-магниевого 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

262

Рис. 111. Сечение цельноалюииниевого кузова (четвертая модель)

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

263

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.).