Думпкары: сравнение систем разгрузки от ВНИЦТТ

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

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:

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.

Классификация систем разгрузки думпкаров. 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:

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

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.