Влияние ослабления стяжных хомутов на напряженно-деформированное состояние вагонов-цистерн

52

Проблематика транспортных систем

испытания на прочность кузова при соударении;

испытания по сбрасыванию с клиньев.

Для создания продольных усилий в раме вагона использовался стенд для нагружения рам вагонов продольными нагрузками.

На основании полученных результатов был сделан вывод, что конструкция модернизированного при КРП вагона удовлетворяет условиям прочности. Результаты проведенных испытаний, а также тормозной расчет были использованы для оценки долговечности конструкции модернизированной платформы.

Заключение

На основании выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований прочности двухъярусных платформ сделан вывод о наличии у них остаточного ресурса, и платформам для перевозки легковых автомобилей с истекшим сроком службы после проведения КРП может быть назначен новый срок службы, который составляет 15 лет.

УДК 629.463.32

А. В. Емельянов, Л. В. Цыганская

ВЛИЯНИЕ ОСЛАБЛЕНИЯ СТЯЖНЫХ ХОМУТОВ

НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

ВАГОНОВ-ЦИСТЕРН

Надежность подвижного состава - один из главных факторов, влияющих на технико-экономические показатели работы отрасли. Проведен анализ технических неисправностей вагонов-цистерн в эксплуатации и выявлены отступления от норм содержания. Замечены закономерности между техническим состоянием элементов крепления котла вагона-цистерны к раме и возникновением дефектов в котле. В ходе экспериментальных и теоретических исследований выявлены зависимости между техническим состоянием элементов крепления котла к раме вагона-цистерны и возникающими напряжениями в котле при внешних нагрузках в эксплуатации.

Введение

В большинстве стран наиболее безопасной считается перевозка опасных грузов железнодорожным транспортом. Перевозка другими видами транспорта допускается лишь в том случае, если отсутствует возможность транспортирования по железным дорогам. За последние пять лет произошло значительное увеличение объема перевозок нефтепродуктов железно-

2007/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

53

дорожным транспортом, в это же время возросло количество случаев течи груза в пути следования на сети железных дорог.

Из-за течи происходит утрата перевозимого груза, что приводит к прямым финансовым издержкам, а также снижает уровень безопасности движения и приводит к загрязнению окружающей среды [1].

1 Обзор конструкций крепления котла на раме и анализ их эксплуатационной надежности

1.1 Обзор конструкций крепления котла на раме.

Железнодорожные цистерны предназначены для перевозки различных по своим свойствам грузов. Это обусловливает существенное их различие как по конструкции, так по отдельным узлам и элементам.

Основным техническим решением узлов крепления при создании четырехосных вагонов-цистерн, находящихся в эксплуатации, является закрепление котла на раме в средней части специальными болтами для предотвращения продольных смещений. Крепление концевых частей котла, лежащих на деревянных брусках, осуществляется двумя или четырьмя стяжными хомутами.

На рубеже ХХ-ХХ1 веков по инициативе МПС в России был создан ряд вагонов-цистерн для перевозки нефтепродуктов безрамной конструкции [2]-[4].

1.2 Анализ эксплуатационной надежности цистерн в эксплуатации

Проведенный анализ эксплуатационной надежности цистерн позволил установить, что у цистерн, имеющих нарушения целостности котла по сварочным швам возле нижнего сливного прибора в зоне фасонных лап котла, как правило, имеет место ослабление крепления стяжных хомутов, прижимающих котел через лежни к шкворневой балке. Поэтому одной из возможных причин возникновения трещин в указанных зонах может служить ослабление стяжных хомутов вагонов-цистерн. Места нарушения целостности котла цистерн показаны на рисунке 1.

2 Экспериментальное исследование связей между повреждениями котла и его креплением

Данные выводы подтверждают динамические испытания на соударение вагона-цистерны, которые были произведены на специально оборудованном полигоне на станции Предпортовая Октябрьской железной дороги. Испытания проводились в несколько этапов. Исследование изменения величин суммарных эквивалентных напряжений при ослаблении хомутов было произведено путем сравнения напряжений, возникающих на каждом этапе испытаний.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2007/3

54

Проблематика транспортных систем

Это подтверждается и динамическими испытаниями на соударение вагона-цистерны на ГУП «ПО Уралвагонзавод» [5]. Испытания проводились в два этапа:

испытания цистерны с хомутами, затянутыми до чертежных размеров; испытания цистерны с хомутами, ослабленными до высоты тарельчатых пружин Н = 37,0 мм.

Рис. 1. Схема развертки обечайки котла с местами возникновения трещин

Исследование изменения величин суммарных эквивалентных напряжений при ослаблении хомутов возле фасонных лап было произведено путем сравнения напряжений, возникающих на каждом этапе испытаний. Максимальные значения напряжений отмечались с внешних концов фасонных лап. При этом увеличение напряжений при ослабленных стяжных хомутах составило от 5,7% до 39,9% [5].

3 Исследование прочности и надежности

2007/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

55

3.1 Разработка уточненной модели цистерны для расчета напряжений,

возникающих при повреждении креплений

Для того чтобы выявить зависимости между ослаблением стяжных хомутов и повреждениями котлов вагонов-цистерн в эксплуатации ФГУП НВЦ «Вагоны» были проведены исследования напряженнодеформированного состояния котла вагона-цистерны модели 15-1443 с учетом усилий затяжки стяжных хомутов котла.

Расчет проводился с использованием метода конечных элементов. В конечно-элементной модели котла вагона-цистерны были смоделированы стяжные хомуты с учетом их контактного прилегания к поверхности котла [6].

Кинематические и силовые граничные условия выбирались с учетом реальных особенностей нагружения вагонов-цистерн (рис. 2). Поскольку в момент продольного удара одна лежневая опора полностью обезоруживается за счет вертикальной составляющей продольной инерционной силы, ограничения радиальных перемещений в броневом листе вагона-цистерны вводились только в зоне нагруженной лежневой опоры. В зоне соединения фасонных лап котла с рамой вагона-цистерны ограничивались продольные и поперечные перемещения.

Для того чтобы учесть жесткость рамы в зоне фасонных лап, вводилась упругая поддержка, жесткость которой равна жесткости рамы вагона-цистерны модели 15-1443. В месте крепления стяжных хомутов вводился запрет на продольные и поперечные перемещения и прикладывалось усилие затяжки стяжного хомута. Для оценки изменения напряженнодеформированного состояния котла вагона-цистерны при постепенном ослаблении хомутов рассматривался ряд расчетных схем, отличающихся между собой величиной затяжки стяжного хомута (от максимального значения до нуля).

Рис. 2. Силовые и кинематические граничные условия

3.2 Исследование влияния дефектов крепления

на напряженно-деформированное состояние котла при соударениях

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2007/3

56

Проблематика транспортных систем

Нагрузки, прикладываемые к модели вагона-цистерны, определялись в соответствии с требованиями Норм для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) (1996 г.) [7].

В результате проведенных исследований установлено, что максимальные напряжении возникают в котле вагона-цистерны в зоне лежневых опор и в зоне окончания фасонных лап при полном ослаблении стяжных хомутов (напряженно-деформированное состояние котла вагона-цистерны при полном ослаблении стяжных хомутов представлено на рисунке 3).

Рис. 3. Напряженно-деформированное состояние котла вагона-цистерны модели 15-1443 при полном ослаблении стяжных хомутов котла

Зависимости между максимальными эквивалентными напряжениями, возникающими в котле вагона-цистерны, и величиной затяжки стяжных хомутов показаны на рисунках 4, 5.

2007/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

57

450

,2 400

К

£

к

о.

с

300

ф

2

х

5 250 ц

CS

а

200

m

150

2 3 4 5 6

Усилие затяжки хомута, т

7

Рис. 4. Максимальные напряжения в зоне лежневых опор вагона-цистерны в зависимости от усилия затяжки стяжного хомута при продольном ударе

350

п

g 345 5 340

О

X

к

О.

335

330

325

320

315

310

305

300

345 Усилие затяжки хомута, т

2

6

7

Рис. 5. Максимальные напряжения в зоне фасонных лап вагона-цистерны в зависимости от усилия затяжки стяжного хомута при продольном ударе

Заключение

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что постепенное ослабление стяжных хомутов приводит к возрастанию напряжений в зоне окончания фасонных лап и лежневых опор. При ослаблении хомутов более чем на 40% от первоначальной затяжки напряжения превышают допускаемые, что может привести к образованию трещин в указанных зонах.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2007/3

58

Проблематика транспортных систем

Библиографический список

1. Прогнозирование развития повреждений котлов нефтебензиновых железнодорожных цистерн : отчет о НИР / Тема №115/94 (МИИТ). - М., 1994. - 94 с.

2. О параметрах и структуре эксплуатационного парка цистерн на перспективу / Ю. П. Бороненко, В. С. Лагута, Г. И. Осадчук, А. А. Радзиховский, Л. А. Шадур, В. Т. Шатуров // Тр. ВНИИВ. - 1983. - Вып. 50. - С. 88-95.

3. Опыт эксплуатации и пути дальнейшего снижения металлоемкости восьмиосных цистерн / В. Н. Котуранов, Т. А. Осипов, В. М. Бубнов. - М.: Транспорт, 1986. -56 с.

4. Новые грузовые вагоны, осваиваемые заводами России / Н. И. Миронов, В. С. Плоткин, А. В. Кузнецов // Железнодорожный транспорт. - 2000. - №5. - С. 5759.

5. Изменение напряжений в нижнем листе котла вагона-цистерны при ослаблении тарельчатых пружин хомутов / А. С. Казимиров // Тезисы докл. II научно-техн. конф. «Подвижной состав XXI века (идеи, требования, проекты)», Санкт-Петербург, 46 июля 2001 г. - СПб.: ПГУПС, 2001. - С. 29-30.

6. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. - М.: Мир, 1975. - 542 с.

7. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М.: МПС, 1996. - 319 с.

2007/3

Proceedings of Petersburg Transport University