Думпкары: сравнение систем разгрузки от ВНИЦТТ

Россия: Сотрудники Всесоюзного научно-исследовательского центра транспортных технологий (ВНИЦТТ, входит в состав «Объединенной вагонной компании») опубликовали в журнале «Железнодорожный транспорт» анализ текущих технологий в части систем разгрузки думпкаров. Решение о применении вагонов со встроенной системой опрокидывания или о внедрении внешней стационарной системы разгрузки влияет на эффективность и возможности эксплуатации парка думпкаров.

Обзор думпкаров в эксплуатации

Вагоны-самосвалы (думпкары) с автоматической разгрузкой в одну или обе стороны от пути являются основным типом подвижного состава для перевозки вскрышных, скальных и рудных пород, а также подобных грузов с удельной насыпной плотностью более 2 т/м³, не требующих защиты от атмосферных осадков. Они эксплуатируются как на путях общего пользования, так и на путях промышленных предприятий.

Технические характеристики существующих думпкаров увеличенной грузоподъемности с пневматической системой разгрузки (увеличить). Источник: ВНИЦТТ, журнал «Железнодорожный транспорт» № 10, 2023 год

Как показала практика использования думпкаров, наиболее эффективным является их шести- и восьмиосное исполнение. Среди всего разнообразия эксплуатируемых моделей преобладают шестиосные вагоны грузоподъемностью до 110 т, объемом кузова до 50 м³ и длиной по осям сцепления автосцепок 15,04 м.

Актуальность новых технологий

Повышение эффективности перевозок рудных и аналогичных грузов возможно при модернизации инфраструктуры совместно с разработкой вагонов с улучшенными технико-экономическими характеристиками. Поскольку процесс модернизации инфраструктурных объектов является дорогостоящим и долгосрочным, более предпочтительной и рациональной является разработка думпкаров с увеличенной относительно существующих шестиосных моделей грузоподъемностью. При этом важно учитывать ряд важных факторов.

Прежде всего для выполнения разгрузочных операций на имеющейся инфраструктуре необходимо не превышать длину вагона по осям сцепления автосцепок 15,04 м и высоту 3350 мм, а также сохранить ширину в габарите Тпр или 1-Т по ГОСТ 9238–2013. Максимальная длина 15,04 м обусловлена существующими ограничениями длины приемоотправочных путей и размерами приемных бункеров в местах проведения разгрузочных операций. Максимальная высота также определяется особенностями инфраструктуры, в том числе размещением конструктивных элементов бункеров на уровне нижней точки открытого борта при опрокидывании кузова. В условиях данных габаритных ограничений максимально возможный объем кузова составит около 55 м³. При плотности груза 2,0–2,5 т/м³ с учетом его загрузки с «шапкой» оптимальная грузоподъемность вагона должна быть не менее 140 т. Необходимо также учитывать допустимую погонную нагрузку, определяемую прочностью объектов инфраструктуры, и ограничения весовых норм для рудовозных поездов на лимитирующих участках промышленных предприятий, что потребует от нового вагона пониженного коэффициента тары для увеличения массы перевозимого груза при сохранении общей массы состава.

Таким образом, с учетом инфраструктурных ограничений определились технические характеристики перспективного вагона для перевозки руды:

• • объем кузова – 55 м³,
  • грузоподъемность – 140 т,
  • погонная нагрузка – не более 14 тс/м (допустимая погонная нагрузка для типовых пролетных строений мостов и путепроводов класса С-14 согласно Своду правил (СП) 35.13330.2011 «Мосты и трубы»),
  • длина вагона по осям сцепления автосцепок – не более 15,04 мм.

Увеличение грузоподъемности на 27–75% по сравнению с существующими шестиосными думпкарами, то есть до 140 т, может быть достигнуто за счет роста осевой нагрузки до 35 тс при трехосных тележках или путем применения четырехосных тележек, допускающих осевую нагрузку 25 тс. Осевые нагрузки 35 тс неприемлемы по условиям прочности и устойчивости путей и искусственных сооружений на промышленных предприятиях, а вот использование четырехосных тележек, допускающих осевую нагрузку 25 тс, не только позволяет обеспечить требуемые характеристики, но и дает возможность эксплуатировать вагон на путях общего пользования.

Важнейший вопрос, который встает перед конструкторами при повышении грузоподъемности думпкаров, — это необходимость создания новой системы опрокидывания кузова в связи с увеличением нагрузки на ее исполнительную часть. Как видно из приведенной таблицы, в существующих моделях реализованы пневматические системы разгрузки. Так, все шестиосные вагоны-самосвалы имеют три пары пневматических цилиндров, позволяющих при наличии сжатого воздуха производить разгрузку практически на любом объекте инфраструктуры. Применяемые пневмоцилиндры имеют унифицированный диаметр поршней и, следовательно, создают одинаковые усилия в системе разгрузки.

Сравнение разгрузочных систем

Увеличение выходного усилия разгрузочной системы может быть достигнуто за счет применения большего числа пневмоцилиндров или увеличения их габаритных размеров при том же числе, а также путем применения альтернативных конструкций для проведения разгрузочных операций. Каждое из этих конструктивных решений оказывает прямое влияние на длину вагона из-за габаритов размещаемого оборудования. Существует большая вариативность конструкций систем разгрузки, каждая имеет свои особенности, преимущества и недостатки. Кратко проанализируем их.

Классификация систем разгрузки думпкаров (увеличить). Источник: ВНИЦТТ

Пневматическая система разгрузки. Варианты пневмосистем могут различаться по диаметру поршней и числу установленных пневмоцилиндров. Оба эти параметра выбираются исходя из усилия, необходимого при разгрузке. Преимуществом применения пневмоцилиндров типового диаметра является унификация с уже используемыми на железнодорожной сети цилиндрами, а недостатком – малое развиваемое усилие и значительные габаритные размеры, что ограничивает возможности компоновки вагона с минимизацией его длины.

Могут быть применены цилиндры увеличенного или уменьшенного диаметра (во втором случае при условии гарантированной способности развивать необходимое усилие). Преимущество такого решения – возможность оптимизировать размеры, массу, число цилиндров на вагоне в зависимости от требующегося усилия. Недостатком является необходимость постановки на производство расширенной номенклатуры запасных частей для выпуска вагонов и их ремонта. К тому же минимальная длина – 17,2 м – будет у вагона с шестью (по три с каждой стороны) увеличенными пневмоцилиндрами, но даже такой вариант компоновки не дает существенного снижения массы тары.

Варианты думпкаров с пневматической системой разгрузки: а) с типовыми цилиндрами, б) с цилиндрами уменьшенного диаметра, гарантирующими достаточное усилие; в) с цилиндрами увеличенного диаметра. Источник: ВНИЦТТ

Данный пример показывает, что применение пневматической системы разгрузки не позволяет достичь оптимальных технических характеристик думпкара для перевозки груза с насыпной плотностью до 2,5 т/м³ при ограничении длины вагона по осям сцепления автосцепок значением 15,04 м. В пользу данной системы говорят только использование проверенного временем механизма разгрузки с пневмоцилиндрами и отсутствие проблем с получением сжатого воздуха для его работы.

Гидравлическая система разгрузки. Переход на гидравлику позволяет при том же что и у пневмосистемы усилии на выходе использовать в исполнительном механизме опрокидывания кузова цилиндры намного меньшего диаметра, а значит, существенно уменьшить длину вагона и, соответственно, массу его тары. Проработка вариантов конструкции показала, что при применении гидравлической системы разгрузки может быть достигнута требуемая минимальная длина по осям сцепления автосцепок 15,04 м при грузоподъемности вагона около 140 т и объеме не менее 55 м³.

Думпкар с гидравлической системой разгрузки. Источник: ВНИЦТТ

Для оборудования подъема кузова можно выделить два основных варианта компоновки: с установкой гидравлической станции непосредственно на вагоне или же вблизи путей в месте разгрузки. Во втором варианте для ее подключения используется быстроразъемное соединение. В пользу гидравлической системы, кроме меньших габаритов в сравнении с пневматической, говорит опыт ее широкого применения в путевых, подъемных и строительных машинах и механизмах, работающих в любых климатических условиях. К минусам гидравлических систем разгрузки в сравнении с пневматическими системами относятся:

• • потребность в обслуживающем персонале с более высокой квалификацией и опытом работы с системами высокого давления;
  • необходимость адаптации эксплуатирующей и ремонтной инфраструктуры, обслуживающей вагоны;
  • необходимость дополнительных источников энергии для питания гидравлических станций;
  • увеличение номенклатуры и стоимости комплектующих и расходных материалов.

Механическая система разгрузки. Еще одним вариантом является механическая система разгрузки с исполнительными органами в виде винтовых домкратов. Проработка такой конструкции вагона показала, что его минимальная длина по осям сцепления автосцепок и массовые характеристики примерно такие же, как у вагона с гидросистемой опрокидывания.

Думпкар с механической системой разгрузки: 1 – двигатель с редуктором; 2 – винтовой домкрат; 3 – прочие комплектующие механической системы. Источник: ВНИЦТТ

Винтовые домкраты, установленные на нижней раме, преобразуют вращательное движение выходного вала редуктора в вертикальное линейное перемещение винтовой штанги, шарнирно прикрепленной к подвижной верхней раме кузова. При этом двигатель может размещаться на вагоне или устанавливаться стационарно вблизи путей и подключаться непосредственно перед разгрузкой. Он может быть один на сторону вагона, то есть работать на несколько домкратов, передавая вращающий момент через идущий вдоль вагона вал, что обеспечивает механическую синхронизацию домкратов. Возможно также применение винтовых домкратов с индивидуальными двигателями, при этом между ними должна действовать электрическая синхронизация.

Механические системы исполнительных механизмов уже достаточно хорошо зарекомендовали себя в вагоностроении, например в крытых вагонах с раскрывающейся крышей. Их преимущества по сравнению с гидравлическими и пневматическими системами заключаются в небольших габаритах, которые предоставляют широкие возможности компоновки, точности позиционирования, высокой надежности, долговечности при минимуме технического обслуживания. Недостатки схожи с перечисленными недостатками гидравлических систем.

Внешняя система разгрузки. Отдельного рассмотрения требует конструкция думпкара, разгружаемого с помощью внешних устройств, и конструкция самих внешних устройств. В данном случае на вагон не устанавливаются исполнительные механизмы, отвечающие за подъем или опрокидывание кузова. Подъемные устройства устанавливаются стационарно в месте разгрузки и могут иметь любой тип привода. На кузове должны быть предусмотрены упоры, кронштейны, скользуны или ролики для взаимодействия с внешними подъемниками. Примером такого решения является система Side Dumper шведской компании Kiruna Wagon: вагоны с крышей и боковыми люками в специально оборудованных местах разгружаются стационарными опрокидывающими устройствами.

Стационарное устройство для опрокидывания кузова Side Dumper компании Kiruna Wagon. Источник: Kiruna Wagon

Для разгрузки также возможно применение специальных эстакад. При прохождении вагона без остановки через пункт разгрузки его кузов приходит во взаимодействие с направляющими эстакады и либо опрокидывается, либо поднимается с одновременным открытием люков. Примером служит думпкар с поднимающимся кузовом для транспортировки апатитовой руды модели 10-4022.

Вагон с поднимающимся кузовом для перевозки апатитовой руды модели 10-4022: 1 – вагон в транспортном положении; 2 – вагон в положении разгрузки; 3 – бегунок кузова; 4 – рычажный механизм крепления кузова; 5 – направляющие разгрузочной эстакады. Источник: ВНИЦТТ

В процессе движения вагона по эстакаде с малой скоростью бегунки, размещенные на угловых стойках кузова, перемещаясь по направляющим эстакады, поднимают кузов. При этом одновременно открываются крышки разгрузочных люков, которые в закрытом горизонтальном положении находятся в полу кузова. После прохода вагоном эстакады кузов опускается в транспортное положение и крышки закрывают люки в полу. Так как вагон предназначен для эксплуатации только на путях необщего пользования одного определенного предприятия, допускается выступание бегунков за габарит, предусмотренный ГОСТ 9238–2013. Для следования вагона по магистральным путям требуется снятие бегунков.

Аналогичный принцип использован для разгрузки вагона Helix Dumper от Kiruna Wagon. Бегунки кузова также перемещаются по направляющим, имеющим спиралевидную форму. Кузов не поднимается, а опрокидывается в сторону и возвращается в исходное положение после прохода эстакады.

Системы разгрузки Helix Dumper от Kiruna Wagon. Источник: Kiruna Wagon

Исключение систем разгрузки из оборудования всех думпкаров в вагонном парке предприятия и установка одного или нескольких стационарных устройств в местах разгрузки являются важным преимуществом данной системы. За счет ее внедрения снижаются себестоимость подвижного состава, стоимость технического обслуживания и ремонта вагонного парка. Разгрузочные механизмы эстакады монтируют один раз, но в случае производственной необходимости их можно переместить. Отдельные варианты разгрузочных устройств позволяют после проведения незначительной модернизации или даже без нее обслуживать весь парк имеющихся вагонов. Исключение оборудования для разгрузки упрощает также конструкцию вагонов, позволяет снизить массу тары и использовать межтележечное пространство для увеличения объема кузова. Основным недостатком внешней системы разгрузки является необходимость модернизации мест разгрузки.

Выводы

Все рассмотренные конструкции думпкаров увеличенной грузоподъемности, разработанные с соблюдением минимальной длины по осям сцепления автосцепок 15,04 м, не обеспечивают выполнения ряда требований к автоматической сцепляемости и прохождению горок, кривых и аппарельных съездов, установленных ГОСТ 34764–2021. Так, при длине вагона по осям сцепления автосцепок 15,04 м и базе 6,64 м минимальный радиус кривой, при котором обеспечивается автоматическое сцепление, равен 148 м при требуемом минимальном радиусе 135 м. Максимальный перелом профиля, при котором обеспечивается прохождение горки, составляет 53,6‰, а в соответствии с нормативом требуется 55‰. Максимальный уклон, при котором обеспечивается прохождение аппарельного съезда, равен 27,6‰ при нормативном 40‰.

Таким образом, эксплуатация думпкаров увеличенной грузоподъемности длиной по осям сцепления автосцепок не более 15,04 м возможна только на путях промышленных предприятий без выхода на пути общего пользования.

Подводя итог выполненного исследования, необходимо отметить, что для создания эффективного парка думпкаров для перевозки руды следует применять гидравлическую, механическую или внешнюю систему разгрузки. Каждая из них эффективна и технико-экономически оправдана. С точки зрения минимального коэффициента тары вагона наиболее предпочтительна внешняя система разгрузки. Выбор того или иного способа разгрузки диктуется экономической целесообразностью, которая определяется владельцем вагонного парка промышленного предприятия.

Авторы: 
Александр Новоселов, руководитель отдела «Полувагоны» Всесоюзного научно-исследовательского центра транспортных технологий (ВНИЦТТ)
Дмитрий Коротков, инженер-конструктор 1-й категории ВНИЦТТ

Оригинал статьи опубликован в журнале «Железнодорожный транспорт» № 10, 2023 год

Следите оперативно за новостями рынков подвижного состава в Telegram-канале ROLLINGSTOCK