Модернизация крытого вагона с целью улучшения его экономических показателей

В соответствии с «Нормами…» кузов крытого вагона рассчитывался на прочность при первом (удар, рывок, сжатие и растяжение), третьем (удар, рывок, сжатие и растяжение).

Сочетание нагрузок, действующих на кузов крытого вагона при первом и третьем расчетных режимах, определялось в соответствии с «Нормами…».

При расчете по первому расчетному режиму при ударе и рывке принималось следующее сочетание нагрузок, действующих на кузов крытого вагона, указанное в таблице 8.

Таблица 8 - Нагрузки, действующие на кузов крытого вагона при первом расчетном режиме

Продольная нагрузка N принималась в соответствии с рекомендациями «Норм…».

Вертикальная сила при нецентральном взаимодействии автосцепок определена по формуле

, (1)

где N - внешняя продольная сила, приложенная к упорам автосцепки, для первого расчетного режима при ударе N=3,5 MН, при рывке N=2,5 MН (при сжатии N=2,5 MН, при растяжении N=2 MН);

e - разность уровней осей автосцепок; согласно «Нормам…» принималась равной для первого режима e= 0,1 м;

b - длина жесткого стержня, образованного двумя сцепленными автосцепками; согласно «Нормам…» для автосцепок СА-3 принималась равной при ударе (сжатии) b = 2 м, при рывке (растяжении) b= 1,81 м.

Точкой приложения данной силы является закрепленный упор автосцепки.

Продольная сила инерции кузова и тележек крытого вагона определена путем умножения массы кузова вагона на величину продольного ускорения. Для первого расчетного режима величина продольного ускорения определена по формуле

, (2)

где mбр - масса вагона брутто.

При ударе величина ускорения составила 3,86g, при рывке - 2,76g.

Собственная сила инерции конструкции задана через указание продольного и вертикального ускорения.

Продольная сила инерции тележки действует в шкворневом узле и определена по формуле

Fит=mт·а, (3)

где mт - масса тележки модели 18-100, mт = 4850 кг.

Продольная сила инерции груза Nи, определена по формуле

, (4)

где mгр, mваг - см. таблицу 6.

Продольная сила инерции груза распределялась между элементами торцевой стены (35% от силы инерции груза; прикладывалась распределенная нагрузка на всю площадь торцевой стены) и рамы вагона (65 % от силы инерции груза; прикладывалась как распределенная нагрузка на узлы рамы вагона).

Вертикальная нагрузка от массы груза определена по формуле

, (5)

и прикладывается как распределенная нагрузка ко всей площади пола.

Также при растяжении-сжатии в I режиме учтена поперечная составляющая от действия квазистатической силы, рассчитана по формулам

- при сжатии

; (6)

- при растяжении

(7)

где N - внешняя продольная сила, приложенная к автосцепке, для первого расчетного режима при сжатии N = 2,5 MН, при растяжении N = 2 MН;

a - расчетная длина корпуса автосцепки, согласно «Нормам…» принимается равной a= 1 м;

R - радиус кривой, согласно «Нормам…» принят равным R= 250 м;

д - возможное боковое перемещение шкворневого сечения кузова вагона за счет зазоров колесной пары в рельсовой колее, зазоров в буксовых направляющих, пятниках и упругих деформаций рессор, согласно «Нормам…» принят равным д= 40 мм.

При расчете по третьему расчетному режиму при ударе и рывке приняты следующие сочетания нагрузок, действующих на кузов крытого вагона, указанные в таблице 9.

Таблица 9 ? Нагрузки, действующие на кузов вагона при III режиме

Вертикальная сила при нецентральном взаимодействии автосцепок определена по формуле

 , (8)

где N - внешняя продольная сила, приложенная к упорам автосцепки, для третьего режима N=1 MН;

e - разность уровней осей автосцепок; согласно «Нормам…» принята равной для третьего режима e = 0,05 м;

b - длина жесткого стержня, образованного двумя сцепленными автосцепками; согласно «Нормам…» для автосцепок СА-3 принята равной при ударе (сжатии) b = 2 м, при рывке (растяжении) b= 1,81 м.

Точкой приложения данной силы является закрепленный упор автосцепки.

Продольная сила инерции кузова и тележек крытого вагона определена путем умножения массы кузова вагона на величину продольного ускорения. Для третьего расчетного режима величина продольного ускорения определена по формуле

, (9)

где mбр - масса вагона брутто.

При ударе и при рывке величина ускорения составила - 1,1g.

Вертикальное ускорение составляет g·(1+kдв).

Коэффициент вертикальной динамики Кдв в соответствии с «Нормами…» определен по формуле

, (10)

где - среднее вероятное значение коэффициента вертикальной динамики, вычисляют по формуле (11);

- параметр распределения, согласно «Нормам…» = 1,13;

- доверительная вероятность, с которой определяется коэффициент вертикальной динамики, согласно «Нормам…» = 0,97.

Среднее вероятное значение определено по формуле

, (11)

где - коэффициент для элементов кузова, согласно «Нормам…» принимался равным 0,05;

V - конструкционная скорость движения (см. таблицу 2);

- коэффициент, учитывающий влияние числа осей n в тележке под одним концом экипажа, определен по формуле

, (12)

- статический прогиб рессорного подвешивания, м (см. таблицу 1).

Подставив данные в формулу (10), получили Кдв= 0,29.

Собственная сила инерции конструкции задавалась через указание продольного и вертикального ускорения.

Продольная сила инерции тележки действует в шкворневом узле и определена по формуле

Fит=mт·а, (13)

где mт - масса тележки 18-100, mт = 4850 кг.

Продольная сила инерции груза Nи определена по формуле

, (14)

где mгр, mваг - см. таблицу 6.

Продольная сила инерции груза передается через раму вагона (приложена как распределенная нагрузка на узлы рамы вагона).

Вертикальная нагрузка от массы груза приложена как распределенная нагрузка ко всей площади пола и определена по формуле

, (15)

где kдв - коэффициент вертикальной динамики.

Так как вагон длиннобазный, необходимо так же учесть и самоуравновешивающиеся вертикальные кососимметричные силы, определенные по формуле

, (16)

где z - вертикальное эквивалентное смещение одного колеса тележки, соответствующее вертикальному отводу одной рельсовой нитки, равному 3 мм; z=54 мм;

д - суммарный зазор в каждой паре скользунов, д=5мм;

Свк - жесткость рессорного комплекта, Свк - 4250 кН/м,

Скр - жесткость конструкции на кручение, Скр - 40000 кН/м.

Кососимметричные силы прикладываем в скользунах.

Также на кузов вагона действует боковая центробежная сила (в виде распределенной нагрузки на боковую стену), определена по формуле

Рбок=0,075·mгр·g. (17)

3. Расчетная схема вагона и принятые допущения

Расчет производился методом конечных элементов с использованием расчетного пакета "Ansys" версия 13.0. Для расчета использовалась балочная конечно-элементная модель кузова крытого вагона. Расчетная модель включает 59420 элементов и 66220 узлов.

Для описания каркаса использовались стержневые конечные элементы типа ВЕАМ189, для описания обшивки - пластинчатые конечные элементы типа SHELL181.

Вид конечно-элементной модели кузова крытого вагона показан на рисунке 11.

В качестве кинематических граничных условий были приняты:

- ограничение вертикальных и поперечных перемещений в шкворневых узлах рамы, ограничение вращения вокруг продольной оси;

- ограничение продольных перемещений в плоскостях заднего и переднего упоров.

4 Расчет конструкции на прочность, анализ результатов

4.1.1 Динамическая нагрузка (I режим удар)

В соответствии с рекомендациями «Норм…» расчет производится методом конечных элементов, с использованием известного расчетного пакета ANSYS, версия 13.0.

Для расчета используется стержневая конечно-элементная модель.

Для описания подкрепляющих и несущих элементов конструкции крыши были использованы треузловые конечные элементы типа BEAM189. Для описания обшивки крыши были использованы элементы типа SHELL181.

Конечно-элементная модель включает 3895 конечных элементов и 9884 узлов.

Конечно-элементная модель показана на рисунке 36.

Рисунок 36 ? Конечно элементная модель крыши

6.2 Расчет напряжений и оценка прочности

В состав прямых затрат на модернизацию входят:

? стоимость основных и вспомогательных материалов (Смат);

? заработная плата (основная и дополнительная) производственных рабочих (Созп и Сдзп);

? отчисления на социальные нужды с заработной платы производственных рабочих (Ссоц.н);

? электроэнергия на технологические цели (Сэ).

, (20)

Затраты на материалы. Для создания сдвижной крыши необходимо приобрести материалы, перечисленные в таблице 11.

Таблица 11 - Затраты на материалы, используемые при модернизации крытого вагона

Заработная плата производственных рабочих включает основную (за отработанное время) и дополнительную (оплата отпусков, оплата времени выполнения общественных обязанностей и т.д.).

Основная заработная плата производственных рабочих включает в себя оплату по тарифным ставкам или должностным окладам, доплатам и премии из фонда заработной платы.

В работе над модернизацией крытых вагонов модели 13-9553 задействованы квалифицированный резчик, сварщик, слесарь.

Заработная плата каждого из них определена по формуле

, (21)

где - средняя часовая тарифная ставка одного рабочего;

Тчас - время, затрачиваемое на модернизацию вагона, час;

Кдопл - коэффициент доплат, Кдопл=1,6…1,76.

Расчёт по затратам на заработную плату производственных рабочих изображён в таблице 12.

Таблица 12 - Затраты на заработную плату производственных рабочих

Дополнительная заработная плата включает заработную плату за не проработанное время на производстве по уважительным причинам (время отпуска, болезни, время выполнения общественных обязанностей). Дополнительная заработная плата производственных и вспомогательных рабочих может быть принята на уровне 10% от основной заработной платы.

стеклопластик вагоностроение сдвижной крыша

, (22)

тогда

. (23)

Расчёт отчислений на социальные нужды: единый социальный налог введен в действие с 1 января 2001г. и регулируется гл.24 НК РФ.

В настоящее время в состав государственных социальных внебюджетных фондов РФ входят:

? пенсионный фонд РФ;

? фонд социального страхования;

? Федеральный и территориальные фонды обязательного медицинского страхования РФ.

Налогоплательщики - работодатели применяют с 1 января 2011г. базовую ставку ЕСН = 34% при налоговой базе на каждого отдельного работника нарастающим итогом с начала года до 280 тыс.рублей (http://www.klerk.ru/buh/news/17372).

Таким образом, отчисления на социальные нужды установлены в размере 35% (34% - ЕСН и 1% - страхование от несчастных случаев и профессиональных заболеваний).

При расчёте высвобождения одного человека экономия отчислений на социальные нужды составит:

, (24)

7.1.2 Расчет косвенных затрат на изготовление модернизированного крытого вагона

Расходы электроэнергии на технологические цели включает расход на силовую энергию используемую при модернизации при сварке.

, (25)

где Цэ - цена 1 кВт - часа электроэнергии, Цэ =4,85руб;

Wсил -расход силовой электроэнергии при модернизации, кВт-часы:

, (26)

где N - мощность оборудования, необходимая для проварки 1м сварочного шва, кВт-часы;

К1 - коэффициент загрузки оборудования по времени, К1 = 0,85…0,9;

- количество швов, образованных при модернизации;

К3 - коэффициент, учитывающий потери в электросети, К3 = 0,96;

з - КПД электродвигателей, з = 0,85…0,88.

При создании крыши накладываются приблизительно 100м шва сварки. Сварочный автомат ПДГ-515, работает при 380В напряжении дуги, при силе тока 220А и сваривает 1м сварки за 30-60сек. Рассчитаем необходимую мощность при сваривании 1м сварочного шва.

(27)

где ? сила тока при сваривании;

? напряжение при сваривании;

? время сваривания одного шва, часов.

кВт-часы,

тогда расход силовой электроэнергии при модернизации равен:

 кВт-часы.

Следовательно, расходы на силовую энергию при проведении сварочных работ:

руб. на вагон.

Расход на отопление производственных зданий: проектируемый вагон стоит на позиции оборудования, производственного здания, 3 суток. Режим работы односменный при непрерывной рабочей неделе в год 352 рабочих дня, поэтому количество отопления, используемое при модернизации крытого вагона, рассчитывается:

(28)

где q - расход тепла на 1м3 здания, q =15…25ккал/час;

Н - количество часов в отопительном периоде, за 3 суток принимаем Н=72часа;

Vзд - объем здания, м3;

К - теплотворная способность условного топлива, К=700 ккал/кг;

з - КПД котельной установки, з=0,75;

Кэкв - технический эквивалент для перевода условного топлива в натуральное, Кэкв=0,91;

Цm - средняя цена 1т. натурального топлива, Цm=4000 - 5000руб/т. (http://ugolspb.ru/price).

Расходы на освещение производственных площадей Сосв вычисляем по формуле

(29)

где aэ - норма расхода электроэнергии, аэ=15…25вт/м2;

S - площадь здания, S=1254м2;

r - длительность горения светильников в год, r=1000…1200час/год

Цэ - цена 1 кВт-часа электроэнергии, Цэ=4,85руб.

Расходы на амортизацию основных производственных фондов (ОПФ): амортизационные отчисления - это часть стоимости основных фондов в денежном выражении, соответствующая их износу, переносимая на продукцию и служащая для их воспроизводства на новой технологической основе. С помощью этих отчислений производят финансирование мероприятий по ликвидации износа основных фондов путём замены физически изношенных и морально устаревших объектов новыми.

Амортизационные отчисления определены по формуле

(30)

Результаты расчётов, занесены в таблицы 13-14.

Таблица 13 - Расчет амортизационных отчислений, приходящихся на одну сочлененную платформу

Таблица 14 -Экономические расходы необходимые на создание крытого вагона со сдвижной стеклопластиковой крышей

Расходы по текущему содержанию и ремонту спроектированного вагона принимаем в среднем 30000руб. (К=30000руб.) с учётом 3 - 4 отцепок в текущий ремонт за 1 год.

7.1.3 Доход от проектируемого вагона

Расчет тарифа (плату) за перевозку грузов в модернизированном крытом вагоне модели 13-9553 производим согласно «прейскуранту № 10-01».

Порядок определения платы за перевозку грузов выглядит следующим образом:

? устанавливается вид отправки груза и принадлежность контейнеров;

? определяем номер тарифной схемы для данного вида отправки;

? находим ставки за начально - конечные и движенческие операции для найденной тарифной схемы;

? выбираем поправочные коэффициенты.

Модернизированный крытый вагон может использоваться как для перевозки универсальных грузов, так и для перевозки специализированных негабаритных грузов, требующих защиты от атмосферного воздействия, благодаря раздвижной крыше.

Рассмотрим вариант перевозки универсальных грузов.