УДК 625.245.6:62-758.2
В.А. ВОЛКОВ, ОАО «Мариупольский з-д тяж. маш.» (Украина)
В.М. БУБНОВ, д-р техн. наук, ОАО «Мариупольский з-д тяж. маш.» (Украина)
Г.И. БОГОМАЗ, д-р техн. наук, ИТМ НАНУ и НКАУ (Украина)
М.Б. КЕЛЬРИХ, д-р техн. наук, КУЭТТ (Украина)
РАЗРАБОТКА
ГАЗОВЫХ
ЦИСТЕРН
НОВОГО
ПОКОЛЕНИЯ
,
ОБОРУДОВАННЫХ
ЗАЩИТНЫМИ
УСТРОЙСТВАМИ
ПОВЫШЕННОЙ
ЭНЕРГОЕМКОСТИ
Напідставіаналізуданихпроаварійніситуаціїзвагонами-цистернамийоцінкиіснуючихзасобівзахис -ту днищ казанів розроблена конструкція захисного пристрою увигляді торцевого щита зі стільниковими енергопоглинаючимиелементами. Визначенораціональніпараметризапропонованогозахисногопристроюі виконанойого експериментальневідпрацьовування. Створенодосліднийзразоквагона-цистерни дляпере -везеннязрідженихвуглеводороднихгазівзторцовимизахиснимищитамирозробленоїконструкції.
Наоснованиианализаданныхобаварийныхситуацияхсвагонами-цистернамииоценкисуществующих средствзащитыднищкотловразработанаконструкциязащитногоустройстваввидеторцовогощитассото -вымиэнергопоглощающими элементами. Определенырациональныепараметрыпредложенногозащитного устройстваи выполненаего экспериментальная отработка. Созданопытный образец вагона-цистерны для перевозкисжиженныхуглеводородныхгазовсторцевымизащитнымищитамиразработаннойконструкции.
The response and the stress-strain state of new generation gas tank-car design elements at emergency impacts in the head are investigated. The tank-car is equipped with tank head protection devices of safety shields with cellular energy absorbing element type. Efficiency of their use at emergency loading is shown.
Для обеспечения безопасности железнодо
-рожных перевозок, сохранности грузов и ми
-нимизации последствий возможных аварий,
связанных, в частности, с расгерметизацией котлов в результате пробивания днищ авто
-сцепкой соседнего вагона или перевозимым в нем длинномерным грузом, актуальной про
-блемой является разработка и создание нового
поколения газовых цистерн с увеличенным
объемом котла и пониженной материалоемко
-стью, оборудованных эффективными средства
-мизащитыднищотударныхвоздействий.
Внастоящеевремявкачествесредствзащи
-ты днищ вагонов-цистерн в аварийных ситуа
-циях используются дополнительные металли
-ческиенакладки на днища (фальшднища), пре
-дохранительные торцовые щиты, откидные
крышки. Анализ существующих конструкций защиты днищ показал, что они имеют или ма
-лую эффективность, или большую массу, зна
-чительно ухудшающую технико-экономи
-ческие характеристики вагона-цистерны. От
-сутствие в защитных устройствах (ЗУ) энерго
-поглощающих элементов обуславливает пере
-дачу практически всей энергии аварийного
удара на котел цистерны. Поэтому в основу разработки перспективных средств защиты по
-ложен принцип максимального поглощения
кинетическойэнергииударазащитнымустрой
-ством за счет особенностей его упругопласти
-ческого деформированияиразрушения, учиты
-вая при этом габариты конструкций цистерн нового поколения, условия их эксплуатации и возможноститехническогообслуживания.
Наосновевыполненногоанализа разработа
-ны требования к конструкции ЗУ повышенной энергоемкости, вчастности:
− наличие в конструкции ЗУ специальных энергопоглощающихэлементов;
− с учетом габаритов перспективных кон
-струкцийгазовых цистернтолщина ЗУ должна составлять 100…170 мм; высота – неменее 1/3
диаметракотлацистерны;
− вес конструкции ЗУ – согласован с на
-грузкойнаось;
− изготовление ЗУ – технологичное с ис
-пользованиемдоступныхматериалов;
− конструкция ЗУ – максимально унифи
-цирована для возможности использования на цистернахразличныхмодификаций;
− среднийсрокслужбыЗУбезтехническо
-гообслуживаниядолженсоответствоватьсроку службыновоговагона-цистерныдопервогока
-питальногоремонта.
Разработка ивыбор рациональных парамет
-ров защитных конструкций выполнены на ос
-ваний с последующей экспериментальной от
-работкой.
Для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) и нагруженности элементов конструкций железнодорожных цистерн с уст
-ройствами защиты днищ при аварийных удар
-ных воздействиях использована методика [1],
основаннаянаиспользовании методаконечных элементов в форме метода перемещений. Ава
-рийные удары вднище котла, как правило, со
-провождаются появлением остаточных дефор
-маций в виде вмятин и даже могут привести к нарушениюцелостности котлаиэлементов его защиты. Методика [1] позволяет выполнятьис
-следования НДС с учетом не только конструк
-тивных особенностей вагона-цистерны и
средств защиты днищ с энергопоглощающими
элементами, но и специфики деформирования конструкцииприсверхнормативныхдинамиче
-скихнагрузках. При этомвзависимостиот ин
-тенсивности ударного воздействия проводится квазистатический анализ НДС конструкции в целоми динамический анализупругопластиче
-ского деформирования наиболее нагруженных элементов конструкции (в частности, днищ котла) перед разрушением. Решение задачи оценки НДС элементов конструкции с учетом упругопластического характера ее деформиро
-вания проводится в рамках деформационной
теории пластичности, учитывая нелинейную зависимость напряжений от деформаций и де
-формацийотперемещений.
Для расчетов НДС элементов конструкции вагона-цистерны использованы основанные на
методе конечных элементов универсальные
вычислительныепакетыприкладныхпрограмм,
соответствующим образом адаптированные к
решениюпоставленнойзадачи.
Согласно методике [1] проведено исследо
-вание динамических нагрузок и напряжений в элементах железнодорожной цистерны для пе
-ревозки сжиженных газов при ударах в днище автосцепкой вагона-бойка. Дана оценка дина
-мической нагруженности элементов конструк
-ции вагона-цистерныбез средствзащиты [2], а также в случае защиты днищ котла дополни
-тельными металлическими накладками [3] или
торцовыми щитами без энергопоглощающих
элементов. В результате проведенных исследо
-ванийустановлено, чтонарушениегерметично
-сти оболочки котлов вагонов-цистерн без за
-щитных устройств и при оборудовании днищ
дополнительными металлическими защитными
накладками толщиной порядка 0,01 м может произойти при аварийных соударениях со ско
-ростями выше 12 км/ч. Следует отметить, что дополнительные накладки не подлежатзамене,
посколькудаже при минимальнойих деформа
-циипроисходитдеформациякотлацистерны.
В качестве защитной конструкции рассмот
-рены торцовые щиты, жестко закрепленные на рамеиотстоящиенарасстоянии 0,09 мотднищ цистерны. Конструкция торцового защитного
щита состоит из экрана размером
1,2×1,26×0,091м, подкрепленного со стороны
днища пятью горизонтальными и четырьмя
вертикальными ребрами жесткостипеременно
-госечения, увеличивающегосясверхувнизиот краевкцентру.
На рис. 1 показано НДСзащитногощитадо
взаимодействия с днищем котла цистерны
(пределтекучестиматериалащита
–
310 МПа).Использование для защиты днищ котлов
предохранительных щитов в виде металличе
-ских пластинподкрепленных состороны днищ ребрами жесткости, повышает эксплуатацион
-ную надежность защиты и позволяет обеспе
-читьцелостность днищ котловвышеуказанных цистерн при скоростях аварийных столкнове
-ний порядка 20 км/ч. Тем не менее, уровень энергии, которая поглощаетсяпри упругом де
-формировании щита до взаимодействия с дни
-щем котла, достаточно мал и составляет при
-близительно 5 кДж. Посколькувертикальныеи горизонтальные ребра закреплены на щите со стороны днища, то привзаимодействии торцо
-вого щита с днищем упругопластические де
-формации днища появляются при скоростях
ударапорядка 4 км/ч.
Рис. 1
Исследования показали, что эффективность
существующих защитных устройств в виде
повысить за счет усовершенствования их кон
-струкций путем использования сотовых энер
-гопоглощающихэлементов, которые отличают
-ся пониженной материалоемкостью и повы
-шенной энергоемкостью. Проведены экспери
-менты по статическому сжатию под прессом
сотового образца, в результате которых опре
-делен критерий для выбора геометрических
размеров поперечного сечения шестигранного сотового заполнителя [3]. Учитывая особенно
-сти работы защитного устройства, которое должно разрушаться до появления вмятин на днище, выбор параметров сотовой ячейки за
-щитного устройствам для конкретной модели цистерныдолжен определятьсявеличинойкри
-тического давления, при котором начнут сми
-наться сотовые элементы. Это давление Pkr_c определяется из условия, что критическое на
-пряжениепотериустойчивостистенкисотыкак шарнирно опертой пластинки должно быть не ниже предела текучести материала сот, и не
должно превышать допускаемого наружного
давления [p], определяемого из условий проч
-ности и устойчивости днищ котла в пределах упругости [4]:
bc c
c kp
T
r E ⎟ ≤σ
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ δ =
σ ≤ σ
2
6 ,
3
,
c bc c
c T
E r
E 3,6
6 , 3
σ ≤ δ ≤
σ
,
T c c
kr r
P _ =1,54δ σ
,
[ ]
pPkr_c <
,
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
2
1 ⎟⎟
⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + =
e p p
p p p
p
,
где σkr – критическое напряжение потери ус -тойчивостистенкисоты; σT – пределтекучести материала сот; σвс – предел прочности мате -риала сот; Ес – модуль упругости материала сот; δс – толщиналиста сотовогозаполнителя;
r – радиус описаннойокружностиячейкисото
-вого заполнителя; [p] – допускаемое значения наружного давления для днища котла, опреде
-ляемоеиз условия прочности [p]p ииз условия устойчивостивпределахупругости [p]e.
В результате оценки параметров защитных устройств с энергопоглощающими элементами
[3] для вагонов-цистерн, транспортирующих сжиженные газы, предлагается использовать защитныеустройстваввидепакетаиз двухме
-таллических листов, между которыми распо
-ложен энергопоглощающий сотовый заполни
-тель толщиной не менее 0,08…0,15 м. Радиус сотовой ячейки должен быть меньше толщины сотового заполнителя, а отношение толщины листов, образующих сотовые элементы, к ра
-диусусотовойячейкипримерноравно 1/60.
Разработанная конструкция предохрани
-тельного торцового щита с деформируемыми
сотовымиэлементами [5] показананарис. 2.
Существенным отличием предлагаемого
устройстваотранеесуществовавшихзащитных конструкций является наличие жестко закреп
-ленных на пластине щита и расположенных
между ним и днищем деформируемых блоков
(рис 3).
Рис. 2
13 13
5
7
2 9
14
14 15
11
Рис. 3
Приэтомиблоки, ипластиныповторяютпо
конфигурации форму днища. Особенностью
установка вертикальных и горизонтальных ре
-бернавнешнейсторонещита, обеспечивающих требуемую жесткость, а также изготовление блоков в виде сотовой конструкции из жестко соединенныхмеждусобойгофрированныхлис
-товнизкоуглеродистойстали.
Проведена экспериментальная отработка
предложенной защитной конструкции с помо
-щьюнатурныхиспытанийвагона-цистерныпри аварийномсоударенииего свагоном-бойком, у которого автосцепка была закреплена на высо
-те, позволяющейосуществлять удары в днище котла (рис. 4).
Рис. 4
Экспериментально получено, что использо
-ваниевзащитныхустройствах пластически де
-формируемых сотовых элементов позволяет
смягчить ударное воздействие на вагон
-цистерну. Показана возможность использова
-ния предохранительного щита с энергопогло
-щающими элементами в качестве эффективно
-го средства защиты днищ котлов вагонов
-цистернприаварийныхситуациях.
Выполненные экспериментальные исследо
-ванияподтвердили корректность используемой методикирасчетаиматематическихмоделей. В результате проведенных натурных испытаний конструкция защитного устройства была дора
-ботана, ивыбраны параметрыпредохранитель
-ного щита и сотовых элементов (высота, тол
-щина, радиус ячейки) для вагона-цистерныно
-вогопоколения (модель 15-9503 АВП), предна
-значенной для транспортировки сжиженных
углеводородных газов (бутана, пропана и их смесей). Доработанная конструкция торцового защитного щита с сотовыми энергопоглощаю
-щимиэлементамипоказананарис. 5.
Всоответствиис методикойматематическо
-го моделирования [1] проведены исследования напряженно-деформированного состояния кот
-ла железнодорожной цистерны нового поколе
-ния для перевозки сжиженных газов модели
15-9503 АВП, оборудованной разработанными
защитными устройствами повышенной энерго
-емкости, при эксплуатационных режимах на
-груженияиаварийныхударахвднище.
В результате выполненных исследований
обоснована возможность снижения толщины
днищ и обечайки котла цистерны с 0,024 до
0,022 м. Установлено, что наличие рассматри
-ваемых средств защиты днищ котла от проби
-вания в аварийной ситуации позволяет сохра
-нить герметичностькотла при скорости соуда
-рения 34 км/ч. Выбранные параметры вагона
-цистерны обеспечивают в соответствии с Нор
-мами [6] требуемую прочность конструкции, а применение предохранительных щитов, содер
-жащихсотовыеэнергопоглощающиеэлементы,
повышаетееэксплуатационнуюбезопасность.
Рис. 5
Для оценкипрочности крепления предохра
-нительных щитов с энергопоглощающими со
-товыми элементами на раме вагона-цистерны
(рис. 6) от действия ударных и вибрационных
-эксплуатационных нагрузок были проведены
натурные испытания на испытательных участ
-кахИЦ “Азовмаштест”.
Испытания проходили в два этапа. На пер
-вом этапе были проведены испытания на со
-ударение и испытания по сбрасыванию с
клиньев. Основнаязадача испытаний на соуда
-рение – определение величин амплитуд напря
-женийвэлементахкреплениящитана рамева
-гона, количества цикловколебанийщита после соударений, ускорений его элементов при уда
-рах в автосцепку с нормативными значениями сил.
Испытаниям на соударение подвергалась
цистерна в порожнем состоянии стоящая в
подпоре, так какэтотрежимявляетсянаиболее неблагоприятным для обеспечения прочности узлов крепления подвесного и навесного обо
-рудования. Соударения проводились со скоро
-стямиот 3,3 до 13,0 км/чсериями по 5 соударе
-нийв каждой. После каждойсериисоударений щити элементы его крепления осматривались.
Всего было произведено 46 соударений с уси
-лиямиот 0,40 до 2,30 МН.
Основная задача испытаний по сбрасыва
-ниюс клиньев – определениеуровня, статисти
-ческойповторяемостиичастотногосостава ди
-намических напряжений, возникающих в эле
-ментах крепления щита при движении цистер
-ны. Прииспытанияхпосбрасываниюсклиньев порожняя цистерна накатывалась на клинья,
установленные под все колеса одной тележки
(имитация галопирования). Всего было прове
-дено три опыта. При испытаниях фиксирова
-лись нагружения в элементах щита и частота колебаниящита.
Второйэтап включал всебянепосредствен
-но вибрационные усталостные испытания щи
-та, основная задача которых – определениеко
-личественных характеристик сопротивления
усталости предохранительного щита и элемен
-товегокреплениянарамевагона-цистерныпри
обоснованно заданных режимах длительного
вибрационно-циклического нагружения. Испы
-таниям подвергалась цистерна в порожнем со
-стоянии, таккак этотрежимявляетсянаиболее неблагоприятным для обеспечения прочности узлов крепления подвесного и навесного обо
-рудования. При поведении вибрационных ис
-пытаний в центре щита был установлен пнев
-матический вибратор, который вызывал коле
-бания щита. Всего было произведено 5702400
цикловвибрациисчастотой 18 Гц (собственная частота колебаний щита) и амплитудой дина
-мическихнапряжений 40 МПа.
При проведении испытаний определялись:
целостность сварных швов элементов крепле
-ния щита на раме цистерны; скорость соударе
-ния вагонов и сила удара в автосцепку; напря
-жения в элементах щита и количество циклов егоколебаний; собственныечастотыколебаний щита.
Врезультате проведенных испытанийполу
-чено, что конструкция крепления щитаобеспе
-чивает запас прочности при действии ударных и вибрационных нагрузок в эксплуатации на срокслужбыновоговагона-цистерныдляпере
-возкисжиженныхгазовдопервогокапитально
-го ремонта (10 лет). Вагон-цистерна для пере
-возки сжиженных углеводородных газов (мо
-дель 15-9503 АВП), оборудованнаяразработан
-ными торцовыми защитными щитами с сото
-выми энергопоглощающими элементами, вне
-дренавсерийноепроизводство.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. БогомазГ.И., ВолковВ.А., СоболевскаяМ.Б., ХрущИ.К. Особенности математического моде -лирования напряженно-деформированного со -стояния элементов железнодорожных цистерн при сверхнормативных ударных воздействиях в днище // Транспорт. – 2000. – Вып. 5. – С. 25-30. 2. БогомазГ.И., ВолковВ.А., СоболевскаяМ.Б.
Динамическая нагруженность элементов конст -рукцийвагонов-цистернприаварийныхударахв днище // Транспорт. 2000. – Вып. 6. – С. 48-51. 3. БогомазГ.И., БубновВ.М., ВолковВ.А., Собо
-левскаяМ.Б., ХрущИ.К. Оценка параметров средств защиты днищ котлов железнодорожных цистернприаварийныхвоздействиях // Техниче -скаямеханика. 2000. – Вып. 1. – С. 135-143. 4. Средства защиты в машиностроении: Расчет и
проектирование: Справочник. – М.: Машино -строение, 1989. – С. 269-277.
5. Заявка на винахід № 2004021252 від 20.02.04. Україна, МПК7 В 61 D 5/00; Залізничнацистерна / ВолковВ.А., В.М. Бубнов, БогомазГ.І. таінші; ООО “ГСКБ”, ТД “Азовмаш”, ОАО “Азовобще -маш”. – 15 с.
