Направления совершенствования конструкций вагонов-цистерн для перевозки нефтепродуктов

Направления совершенствования конструкций вагонов-цистерн для перевозки нефтепродуктов

Н. А. Атаманчук,

аспирант кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», Петербургский государственный университет путей сообщения

Л. В. Цыганская,

канд. техн. наук, доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», ПГУПС

Совершенствование вагонов, перевозящих массовые грузы, приносит наиболее очевидный экономический эффект. К таким вагонам относятся цистерны для перевозки нефтепродуктов - груза, имеющего стратегическое значение для экономики страны. Разработка нового вагона-цистерны увеличенной вместимости и грузоподъемности потребовала инновационных технических решений, отвечающих всем требованиям инфраструктуры, надежности, безопасности. Так, в конструкции вагона применены котел с конусовидными консольными вставками и беззазорное сцепное устройство.

Направления исследований при разработке нового вагона-цистерны

При разработке вагона-цистерны увеличенной вместимости и грузоподъемности к конструкции предъявлялись следующие требования:

• увеличить объем котла и груза вагона по сравнению с существующими вагонами-цистернами;

• обеспечить ремонтопригодность, безопасность эксплуатации и технологичность изготовления вагона;

• приспособить новый вагон к существующей инфраструктуре сливо-на-ливных станций.

Достижение заявленных требований согласно [1] могло быть осуществлено за счет:

• увеличения нагрузки на ось;

• снижение веса тары вагона;

• использования возможностей габарита максимального приближения к объекту;

• повышения производительности вагона;

• увеличения межремонтного пробега.

Одной из основных проблем при

разработке нового вагона-цистерны было то, что при увеличении объема котла и грузоподъемности вагона необходимо было обеспечить возможность эксплуатации этого вагона при существующей инфраструктуре. А это внесло жесткие требования к расположению сливо-наливных устройств на котлах вагонов-цистерн и заставило исключить из проработки ряд перспективных технических решений, внедрение которых возможно только при параллельном совершенствовании инфраструктуры.

При решении поставленной задачи был проведен анализ и выбраны следующие направления совершенствования конструкции вагона- цистерны: увеличение линейных размеров; увеличение числа осей; изменение формы котла вагона-цистерны (для максимального использования габарита подвижного состава). Варианты конструктивных решений представлены на рис. 1.

В направлении увеличения линейных размеров были проработаны такие варианты, как вагоны с длиной по осям сцепления автосцепок 15025 мм и 18030 мм, а также рассмотрен вариант вагона-цистерны с увеличенным диаметром котла за счет использования габарита Тпр.

По направлению увеличения числа осей вагона-цистерны рассматривались варианты создания новых восьмиосных вагонов-цистерн, вагонов-цистерн сочлененного типа и вагонов-сцепов с двумя котлами. По вагонам сочлененного типа и сцепам были проработаны варианты с двумя, тремя и более котлами.

При рассмотрении направления изменения формы котла были проработаны варианты вагона-цистерны с котлом: переменного сечения с прямым средним листом; переменного эллипсовидного сечения; переменного эллипсовидного сечения со штампованными опорными броневыми листами и др.

Проведенный анализ соответствия предлагаемых исполнений вагонов-цистерн заявленным требованиям позволил исключить ряд предлагаемых конструкций и сделать вывод,

что наиболее перспективным решением является двухсекционный вось-миосный вагон-цистерна в габарите Тпр. Такой вагон обеспечивает существенное увеличение объема перевозимого груза в составе поезда, а также полностью удовлетворяет требованиям ремонтопригодности, технологичности и приспособлен к существующий инфраструктуре сливо-наливных станций.

Оценка нагруженности котлов вагонов-цистерн различных конструктивных исполнений

Известно, что существующие вагоны-цистерны с котлами цилиндрической формы только на 40 % используют возможности габарита подвижного состава, поэтому одним из наиболее очевидных вариантов увеличения объема котла является изменение его формы. Работы в этом направлении выполнялись в разные годы многими отечественными и зарубежными вагоностроителями. В данной работе представлены результаты оценки нагруженности котлов различной формы и проведен их сравнительный анализ. Оценка нагруженности проводилась с использованием метода конечных элементов в соответствии с [2]. Рассмотренные варианты конструктивных исполнений котлов приведены в табл. 1.

Исследования проводились для случая нагружения котлов испытательным давлением. Результаты исследования представлены на рис. 2.

Максимальные напряжения и значения коэффициента тары для различных конструктивных исполнений котлов вагонов-цистерн, полученные в результате расчетов, были сопоставлены между собой, что позволило сделать следующие выводы.

Во-первых, отклонение от цилиндрической формы котла вагона-цистерны приводит к возрастанию напряжений в конструкции, для компенсации которых требуется существенное увеличение металлоёмкости котла. За счет этого коэффициент тары вагонов-цистерн с такими котлами выше коэффициента тары вагонов-цистерн с обычным цилиндрическим котлом.

Во-вторых, наиболее рациональным конструктивным решением среди рассмотренных котлов является вариант исполнения котла с конусовидными консольными царгами.

Рис. 1. Варианты конструктивных решений

Таблица 1. Рассмотренные конструктивные решения котлов

и кий кот ел С кпн^сОв ндн ±1 м и царгаи и на хснсопях

Элпилсое котел переменного сеч вниз

Эллипсовгдний ют сп со штампов антлк фонов им листом помоченного свивши и 3ллипсов вдкы й котел

310

1 2 3 4

Конструктивные Схемы коглои

Рис. 2. Максимальные напряжения, возникающие в элементах котлов вагонов-цистерн при испытательном давлении

• Ц^ликджческий котел с конусовищ^ым« партами на ноисогзк О Эллипсовидный котел леремечиого сечения

• Эллипсов иднын котел со штампов энным броневым листом переменного сечения  ЭллипССнэдный катал

1 2 3 Л

Конструкт оные схемы котлов Рис. 3. Коэффициент тары для различных конструктивных схем котла

Таблица 2. Основные параметры и размеры двухсекционного восьмиосного вагона-цистерны

Параметр Значение

Объем котла полный, м3 196

Полезный объем, м3 194

Масса тары, т 54

Грузоподъемность максимальная, т 146

Внутренний диаметр котла, мм 3400

Длина вагона, мм: - по осям сцепления автосцепок; - по концевым балкам рам 24040 22820

Максимально допустимая нагрузка от оси колесной пары на рельсы, кН

Сравнение двухсекционного восьмиосного вагона-цистерны с существующими вагонами-цистернами

Проведенный анализ предлагаемых технических решений вагонов-цистерн и исследования прочности котлов различной формы позволили разработать вагон-цистерну с улучшенными технико-экономическими параметрами. Двухсекционный восьмиосный вагон-цистерна представляет собой сцеп (рис. 4) с двумя котлами со сливо-на-ливной арматурой, двумя полурамами и двумя тележками на котел, подвагонным тормозным оборудованием и беззазорным сцепным устройством типа SAC-1Rus, позволившим увеличить длину котлов с сохранением шага между сливо-наливными устройствами в составе поезда.

Основные параметры и размеры двухсекционного восьмиосного вагона-цистерны в габарите Тпр приведены в табл. 2.

Далее представлен график (рис. 5) сравнения конструкции вагона-цистерны двухсекционного восьмиосного с вагонами-цистернами ведущих производителей Украины и России. Сравнение проводилось по объему перевозимого груза в составе поезда для светлых нефтепродуктов с минимальной плотностью 680 кг/м3 и максимальной — 860 кг/м3.

Особенности расчета прочности двухсекционного восьмиосного вагона-цистерны

Расчет прочности двухсекционного вагона-цистерны был произведен в соответствии с [2]. Однако не все силы,

Конусовидная цар;; ¡1

Конусовидная у^гя

\ Телеааа подели 15-058Р

Беззазорное сцепное устройство

Подурим л ср^ШЯЯ

Рис. 4. Вагон-цистерна двухсекционный восьмиосный

| Минимальная

ГТЛСШЮСТЬ фуК1

I Максимальная плотность ТУ-И

новый

ИТОН

Модель № гон а-ци етерны Рис. 5. Сравнение перевозимого груза минимальной плотности в составе поезда,%

возникающие в сцепе, будут действовать по схемам, пригодным для расчетов типовых конструкций вагонов-цистерн с одним котлом. Поэтому была создана схема (рис. 6, 7) действия выжимающих сил в кривой применительно к сцепу и выражены зависимости этих сил.

Из рис. 6 и 7 следует, что:

ря _ рп , рп

гы ~ N1 гт*

В- Я где аи

в- Н

Р» 2=у«»

агс%

Д2-

г + /и

ш-с/я

Гт V

! 2

2 +'и

р» _ р» I р»

ГЫ — гт т" N2 > где ^ = * Г ^

2 а, 2 а2

где I — база вагона, /и — расстояние от оси автосцепки до шкворневого узла, 1к2 — расстояние от шарнира беззазорного сцепного устройства до

шкворневого узла, а1, а2 — длина жесткого стержня, образованного двумя сцепленными автосцепками, 2а — расстояние между шарнирами беззазорного сцепного устройства, N — продольная квазистатическая сила, действующая на кузов через автосцепку. Значение силы принималось в соответствии с [2].

Преимуществом применения двух жестко соединенных между собой котлов в конструкции вагона стало также снижение силы инерции жидкого груза, действующей на один котел, по сравнению с силой инерции жидкого груза, действующей на котел типового вагона, поскольку при расчете силы инерции учитывается масса двух котлов, что позволило снизить массу тары вагона в целом.

Заключение

В результате проведенной работы были исследованы и проанализированы варианты решения проблемы увеличения вместимости и грузоподъемности вагонов-цистерн и выбран вариант конструктивного решения, который удовлетворяет всем существующим требованиям инфраструктуры, надежности,

Рис. 6. Схема действия на вагон поперечной составляющей продольной силы при движении в кривой

рьг

\

Рис. 7. Схема действия на вагон вертикальной составляющей продольной силы при движении в кривой

безопасности, дает значительный экономический эффект по сравнению с существующими вагонами и отличается инновационностью (котел с конусовидными консольными вставками и беззазорное сцепное устройство).

На данном этапе уже изготовлены опытные образцы двухсекционного восьмиосного вагона-цистерны и проведены предварительные испытания на ремонтные нагрузки и на статическую прочность котла.

На двухсекционный восьмиосный вагон-цистерну получены патенты на полезную модель [3-5].

Работа выполнена при поддержке Правительства Российской Федерации (субсидия Министерства образования и науки 2010-218-01-228).

Литература

1. Стратегия инновационного развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. (Белая книга ОАО «РЖД»). М. Одобрено Советом главных инженеров ОАО «РЖД» 15.10.2010.

2. Нормы для расчета и проектирования вагонов, железных дорог МПС колеи 15 20 мм 1996 (несамоходных). М.: Го-сНИИВ-ВНИИЖТ, 1996.

3. Бороненко Ю. П., Липецкий Д. В., Цыганская Л. В., Собержанский Н. А., Соколов А. М., Маненков А. В., Мишин В. М., Набиуллин М. И. Пат. на полезную модель № 110045 «Вагон-цистерна», 2011.

4. Набиуллин М. И., Бороненко Ю. П., Липецкий Д. В., Цыганская Л. В., Собер-жанский Н. А., Соколов А. М., Маненков А. В., Мишин В. М. Пат. на полезную модель № 111500 «Вагон-цистерна с двумя котлами», 2011.

5. Набиуллин М. И., Бороненко Ю. П., Цыганская Л. В., Собержанский Н. А., Маненков А. В., Мишин В. М. Пат. на полезную модель № 122625 «Опора котла безрамной цистерны», 2012.