История развития конструкции полувагона

Значительное количество крытых четырехосных вагонов было построено  в 1906 г. для Юго-Западных и Екатерининской дорог. Эти вагоны имели тележки. Стальные боковые балки рамы кузова имели форму бруса равного сопротивления изгибу, без шпренгелей. Стальными были также и стойки кузова. В каждой боковой стене имелось две задвижных двери и четыре люка. Грузоподъемность вагона составляла 37,5 т, тара тормозного вагона – 19,3 т, не тормозного– 17,8 т.

В 1908 г. были построены четырехосные крытые вагоны с хребтовыми балками  в раме кузова. Так как эти балки воспринимали большую часть продольной нагрузки, нижние обвязки боковых стен выполнены облегченными. Грузоподъемность вагона составляла 37,5 т, впоследствии она была повышена до 50 т.

Мытищинский завод в 1904 г. строил трехосные крытые вагоны, небольшое  количество которых (грузоподъемностью 25 т) было изготовлено для Екатерининской дороги. Длина рамы кузова такого вагона составляла 11780 мм, база – 7000 мм. Вагоны проявляли склонность к сходу с рельсов, когда разгружались крайние колесные пары, поэтому их постройка была прекращена. В конце 1915 г. на железные дороги России из Канады и США поступили крытые двухосные и четырехосные вагоны, а также четырехосные полувагоны с деревянной и металлической обшивкой кузова. Грузоподъемность крытого двухосного вагона, известного под названием вагона канадского типа, составляла 20 т. Упряжь была несквозной (разрезной), стойки кузова стальные.

Крытый четырехосный вагон имел стальной каркас кузова в виде фермы, способный воспринимать основные нагрузки вагона. При этом отпадала надобность в мощных боковых балках рамы кузова. С каждой стороны вагона находилась задвижная дверь, люков не было. Объем кузова 80 м³. Вагоны были оборудованы автоматическим тормозом. Часть вагонов имела и ручные тормоза с приводом от вертикального вала с храповиком, штурвал которого располагался в плоскости крыши. Для прохода кондуктора во всю длину крыши имелся помост с лестницей, идущей от буферного бруса. Проход по такому помосту нередко приводил к несчастным случаям и поэтому вскоре был упразднен. Грузоподъемность вагона равнялась 40 т, а впоследствии была увеличена до 50 т. Тара составляла 20,6 т, наибольшая статическая нагрузка от колесной пары на рельсы 152 кН (15,2 тс).

Империалистическая и  Гражданская войны существенно  сократили вагонный парк страны, строительство новых вагонов возобновилось уже в Советской России.

Двухосные крытые вагоны грузоподъемностью 20 т начали строить в 1923 г. Помимо увеличенной грузоподъемности эта конструкция отличалась от крытого нормального вагона каркасом стен и рамой кузова, полностью изготовленной из металлических балок, что повышало прочность и надежность вагона. Стойки и верхнюю обвязку кузова изготовляли из стали углового профиля сечением 90´90´9 мм и 90´60´8 мм, а дуги крыши – из швеллера 80´45´6 мм. Рама кузова имела хребтовую балку, что позволяло в будущем оборудовать этот вагон авто сцепным устройством, а до его введения – несквозной упряжью ручного сцепления. Это также являлось достоинством данной конструкции. Все балки рамы кузова выполняли из швеллеров № 24, причем средние поперечные балки усиливали нижними накладками сечением 240´8 мм, а концевые (буферные) балки – верхними и нижними накладками сечением 300´8 мм. Балки и другие металлические элементы кузова были соединены заклепками; для повышения жесткости узлов использовали косынки и угольники. Стены вагона обшивали досками толщиной 40 мм внизу и 22 мм вверху и прикрепляли к стойкам болтами. Обшивку крыши толщиной 22 мм прибивали гвоздями к деревянным брускам, расположенным в потолочных дугах и фрамугах. Дверной проем имел ширину 1830 и высоту 2134 мм. Двери, люки, несъемные приспособления для перевозок людей в этом вагоне были такими же, как и в нормальном крытом. Внутренняя длина кузова составляла 6,6 м, внутренняя ширина 2,75 м, высота кузова у боковой стены 2,5 м, общая длина вагона (без тормозной площадки) 7,9 м, тара 11,4 т, площадь пола  18,15 м², объем кузова 45,4 м³. Повышение прочности сопровождалось увеличением коэффициента тары (0,57 вместо 0,5 у нормального вагона грузоподъемностью 16,5 т), а рост грузоподъемности вызвал увеличение нагрузки от оси колесной пары на рельсы и погонной нагрузки (156,5 кН и 3,96 т/м вместо 131 кН и 3,43 т/м у нормального вагона).

Несмотря на отмеченные преимущества вагона грузоподъемностью 20 т по сравнению с нормальным, он не соответствовал требованиям, предъявляемым к перспективному подвижному составу. Поэтому было решено ориентироваться на постройку четырехосных. Такое решение обосновывалось следующими достоинствами четырехосных (большегрузных, как они тогда назывались) вагонов:

1) При значительно большей грузоподъемности четырехосный вагон имел столько же ударно-тяговых приборов, торцовых стен, буферных брусьев, как и двухосный. Поэтому у него при равной прочности (нормальный вагон обладает недостаточной прочностью и вследствие этого несопоставим) коэффициент тары имеет меньшее значение.

2) Поезд, составленный из большегрузных вагонов, имеет меньшую длину, чем из двухосных. Следовательно, можно увеличивать мощность локомотивов и массу поездов без удлинения станционных путей и развития грузовых станций.

3) С уменьшением длины поезда снижается сопротивление движению, обусловленное боковым движением ветра; с уменьшением количества вагонов сокращается число междувагонных промежутков, увеличивающих сопротивление движению от воздушных завихрений.

4) Четырехосные вагоны легче проходят кривые участки пути, особенно малого радиуса, и с большими скоростями, что снижает сопротивление движению и расход топлива локомотивом.

5) С уменьшением количества вагонов в поезде, ударно-тяговых приборов и других частей сокращаются повреждения вагонного парка, маневровая работа на станциях, объем работ на оформление документации, облегчается работа осмотрщиков вагонов и других лиц, занятых ремонтом и осмотром вагонов, снижается время для осмотра, ремонта и смазки вагонов.

6) Уменьшается число дверей и люков, т. е. мест, требующих повышенного контроля для предупреждения хищений грузов; снижаются расходы на изготовление, ремонт и установку хлебных щитов, на закрытие и пломбирование вагонов.

7) Сокращается работа по учету и регулировке вагонного парка.

8) Четырехосные вагоны позволяют с меньшими затратами перейти к автоматической сцепке.

9) Большегрузные вагоны позволяют с более низкими затратами перейти на автоматические тормоза и сократить расходы в эксплуатации из-за меньшего числа тормозных приборов по сравнению с парком малогрузных вагонов.

Однако большегрузные  вагоны вызывали большие затруднения  при погрузке и выгрузке вручную  и при передвижении вагонов без  локомотива. Эти проблемы были устранены  путем механизации процессов погрузки и выгрузки и исключения маневровой работы без локомотива.

Параметры и конструкцию четырехосного  крытого вагона выбирали исходя из ряда соображений, в частности, учитывая, что для удобства эксплуатации грузоподъемность нового вагона целесообразно иметь кратной грузоподъемности нормального вагона. Однако двукратное превышение грузоподъемности нормального вагона являлось недостаточным, а осуществить четырехкратное превышение не позволяли допустимые нагрузки от оси колесной пары на рельсы. Поэтому было решено иметь трехкратное превышение, т. е. 49,5 т  или округленно 50 т. При допустимой осевой нагрузке 180 кН (18 т) масса брутто четырехосного вагона могла составлять 72 т и тара ограничивалась 22 т. При допустимой погонной нагрузке, равной 6 т/м, минимальная длина вагона могла составлять 12 м. В дальнейшем предполагалось увеличить допустимую погонную нагрузку, но для крытого вагона при принятом габарите подвижного состава ориентироваться на такое увеличение не имело смысла, так как требовалось иметь объем кузова, позволяющий рационально использовать принятую грузоподъемность.

Исходя из ограничений  по таре вагона внутренняя длина кузова была принята равной 13 м. По условиям использования досок съемного оборудования, применяемых при перевозках людей, внутренняя ширина кузова была принята равной 2,75 м, хотя по условиям вписывания в габарит ее можно было увеличить на 80 мм. Крытый вагон проектировали по габариту, позволяющему эксплуатировать его за пределами границ нашей страны. Исходя из этого высота от пола до крыши, измеренная у боковой стены, составила 2,5 м. Эта высота на 280 мм превышала высоту крытого нормального вагона. Ее можно было бы довести до 2,8 м, если ориентироваться на габарит подвижного состава, предназначенного для эксплуатации только по железным дорогам страны.  При этих размерах площадь пола равнялась 35,75 м², а объем кузова 89,37 м³.

Какому количеству дверей отдать предпочтение: двум или четырем? Было очевидно, что при четырех  дверях облегчается и ускоряется погрузка и выгрузка, особенно сыпучих  грузов; вагон лучше может быть приспособлен для перевозки людей; повышается качество освещения и вентиляции кузова. Однако четыре двери усложняют конструкцию кузова, снижают несущую способность боковых стен, требуют дополнительного усиления рамы кузова. Все это увеличивает тару вагона (по расчетам Сормовского завода на 1,2 т) и соответственно его стоимость. Такой вагон будет требовать более частого ремонта. Каждая лишняя дверь увеличивает вероятность просыпания зерновых и подобных грузов, а также вероятность их хищения. При четырех дверях возрастают расходы на хлебные щиты и пломбирование вагона. Вот почему было решено строить двух дверные вагоны, ориентируясь на механизацию погрузочно-разгрузочных работ. Временно, до развития средств механизации, допускалась возможность создания четырех дверных вагонов. Вопрос о количестве дверей рассматривался неоднократно. Так, в 1906 г. были построены крытые четырехосные вагоны с четырьмя дверьми, но в 1915 г. Министерство путей сообщения при заказе вагонов в США приняло решение о двух дверном варианте.

Четырехосный крытый вагон  с двумя дверьми в отличие  от нормального было решено строить  с верхним рельсом для передвижения двери, так как при таком расположении рельса он не повреждался при погрузке и выгрузке навалочных грузов; дверные ролики могли быть без гребней, что облегчало перемещение двери; лучше сохранялась их смазка. Однако при этом увеличивался перекос открывающейся двери. Забегая вперед, отметим, что при проектировании крытого вагона с увеличенным объемом кузова Алтайскому заводу в 1981 г. было рекомендовано применить нижний направляющий рельс двери.

Не менее важным был  вопрос и о количестве люков в  боковых стенах. Чем их больше, тем  лучше вентиляция и освещенность кузова, тем легче грузить сыпучие  и некоторые другие грузы. Поэтому  клиентура высказывалась даже за шесть люков. Учитывая, однако, что такое число люков усложняет конструкцию каркаса кузова, было решено иметь по два люка в каждой боковой стене.

Рассмотрим конструкцию  основных частей крытого вагона, построенного в 1925 г. Рама кузова имела хребтовую балку,  образованную из двух швеллеров № 30, перекрытых между шкворневыми балками накладками толщиной 8 мм.

Кроме хребтовой балки, рама кузова имела две шкворневые, две  буферные, четыре промежуточные поперечные и две боковые балки, являющиеся одновременно нижними поясами каркаса боковых стен. Этот каркас представлял собой раскосно-стоечную ферму, т. е. конструкцию, составленную из верхней (зетовый профиль 10´75´6,5 мм) и нижней (швеллер № 20) обвязок, угловых (уголковый профиль 120´120´10 мм), шкворневых, дверных и промежуточных стоек – все зетового профиля 80´65´8 мм и раскосов. Поскольку в последних основной деформацией, обусловленной вертикальной нагрузкой, является растяжение, они выполнены из полосовой стали сечением 126´6 и 126´8 мм. Посередине каждого пролета размещались дополнительные стойки, облегчавшие сопротивление обшивки усилию распора сыпучих грузов. Каркас торцовой стены, кроме угловых стоек, имел две стойки и два раскоса, выполненных из зетового профиля 100´75´6,5 мм. Стойки и раскосы крепили внизу к буферной балке, а вверху – к фрамуге. Каркас крыши образовался обвязками (уголковый профиль 75´75´6 мм), фрамугами и 13 потолочными дугами (швеллер 80´45´6 мм). Обшивка стен – из досок толщиной 40 мм внизу и 22 мм вверху, прикрепленных к каркасу болтами диаметром 12,7 мм, а обшивка крыши – из досок толщиной 22 мм, крепление которых такое же, как и в описанном выше вагоне грузоподъемностью 20 т. Крыша присоединена к каркасу стен болтами, все остальные соединения клепаные.

На Сормовском заводе проектировали  и строили вагоны грузоподъемностью 50 т клепаной конструкции, первые опытные  образцы которых были изготовлены  в 1925 г. Вскоре такие вагоны начал  выпускать Калининский вагоностроительный завод, а впоследствии и Брянский вагоностроительный завод им. Урицкого. Тара вагона без тормозной площадки составляла 23,4 т (с тормозной площадкой – 24,2 т), коэффициент тары 0,47, общая длина вагона 14,38 м, погонная нагрузка 5,13 т/м, осевая нагрузка 183,5 кН. По этим параметрам четырехосный вагон выгодно отличался от двухосных.

С 1935 г. стали выпускать  четырехосные крытые вагоны грузоподъемностью 50 т сварной конструкции (вместо клепаной), у которых поперечные балки рамы кузова изготовляли без  отбуртовоки, имевшихся у клепаных конструкций из плоских листов. Каркас боковых стен имел раскосы зетового сечения. Такая конструкция лучше сопротивлялась усилиям изгиба, возникающим от распора сыпучих грузов, что позволило упразднить дополнительные стойки, имевшиеся посередине пролетов у клепаного вагона. 

Каркас крыши сварного вагона был выполнен из обвязочных угольников сечением 60´60´8 мм, концевых фрамуг и 13 дуг корытообразного профиля 80´45´5 мм. Между полками дуг находились деревянные бруски, присоединенные к дугам болтами. На эти бруски укладывали доски обшивки крыши, покрытые сверху листовой сталью. В крыше имелись два люка. При оборудовании вагона для перевозки людей люки использовали для вывода дымовых труб от печек.

В вагоне сварной конструкции  люди размещались на трехъярусных нарах, с этой целью на боковых стенах имелись доски так называемого  несъемного оборудования сечением 230´50 мм, установленные на разной высоте от пола (425, 1000 и 1710 мм) в зависимости от яруса. Двери были аналогичны дверям вагона клепаной конструкции. Каркас каждой из дверей образован из нижней и верхней обвязок зетового сечения 40´40´4,5 мм, вертикальных притворных угольников сечением 60´40´6 мм, средней вертикальной стойки корытообразного профиля и угловых косынок. Кроме двухдверных вагонов Калининский завод строил и вагоны с четырьмя дверями, однако широкого распространения они не получили.

Калининский завод выпускал крытые четырехосные вагоны сварной  конструкции вплоть до 1951 г. В 1948–1950 гг. той же оснасти крытые вагоны строились и на Алтайском заводе. Они почти не отличались от вагонов Калининского завода и имели параметры вагонов Уральского завода, который завершил их строительство в 1954 г.

Крытый четырехосный вагон  имел такие же тележки, как у полувагонов, платформ и цистерн; их эксплуатация возможна в вагонах с массой брутто 82 т. Рама и некоторые другие части кузова по запасам прочности допускали увеличение грузоподъемности вагона до 60 т, но узлы каркаса боковых стен, имевших значительный эксцентриситет соединенных стержней, создавали значительные напряжения от местных изгибающих моментов, что препятствовало увеличению грузоподъемности вагона.

Чтобы снять эти напряжения, на Калининском заводе предложили, не увеличивая тару вагона, выполнить узлы фермы центрированными. В этих узлах стойки и раскосы были перекрыты фасонными накладками, которые обеспечивали более равномерное распределение напряжений по сечению несущих элементов раскоса. Достаточная длина сварных швов и плавные переходы в углах снижали концентрацию напряжений.

Для усиления верхнего пояса  фермы обвязку крыши приваривали к верхней обвязке каркаса стен в отличие от применявшегося ранее болтового соединения. Однако это создавало неудобства при ремонте крыши, поскольку затрудняло ее отделение от каркаса стен. Сравнительные испытания кузовов показали, что напряжения в ферме боковой стены с центрированными узлами при грузоподъемности 60 т не превышали напряжений вагона прежней конструкции грузоподъемностью 50 т.

Изменениям подверглась  и рама кузова. Хребтовую балку  стали изготовлять из двух сваренных между собой элементов специального проката зетового профиля сечением 310´11´185´11´125´20 мм. Такая конструкция хребтовой балки отличалась от прежней тем, что позволяла упростить технологию изготовления и уменьшить эксцентриситет приложения усилий от автосцепки относительно нейтральной оси сечения балки. Для повышения прочности пола устанавливали вспомогательные балки из швеллера сечением 80´43´5 мм. Эти балки использовали также для дополнительного крепления досок пола. Промежуточные балки рамы были изготовлены из проката зетового профиля сечением 100´75´6,5 мм и опущены вниз для размещения вспомогательных балок.