CC BY
26
УДК 625.245.6
В.М. БУБНОВ, д-р техн. наук, профессор, ООО ГСКБВ (Украина) П. КУМАР, РИТЕС, Нью Дели, (Индия),
Г.И. БОГОМАЗ, д-р техн. наук, профессор, ИТМ НАНУ и НКАУ (Украина) МБ. СОБОЛЕВСКАЯ, ст. научн. сотр., ИТМ НАНУ и НКАУ (Украина) В.М. ЦЫБУЛЬСКИЙ, ИТМ НАНУ и НКАУ (Украина) И.К. ХРУЩ, ИТМ НАНУ и НКАУ (Украина)
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ВАГОНА-ЦИСТЕРНЫ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ИНДИИ
Розроблено безрамну конструкцш чотиривюного вагона-цистерни для перевезення нафтопродукпв по зал1зницях 1нди з мшмальними коефщентами тари. На основi розроблено! конструкторсько! документацп побудованi шнцево-елементш математичнi моделi, проведенi дослiдження пружньо-деформованого стану елементiв вагона-цистерни при рiзних режимах навантаження i дана оцшка мiцнiсних якостей конструкци в експлуатацп.
Разработана безрамная конструкция четырехосного вагона-цистерны для перевозки нефтепродуктов по железным дорогам Индии с минимальными коэффициентами тары. На основе разработанной конструкторской документации построены конечно-элементные математические модели, проведены исследования напряженно-деформированного состояния элементов вагона-цистерны при различных режимах нагружения и дана оценка прочностных качеств конструкции в эксплуатации.
On the basis of the developed design documentation a tank-car structure finite element mathematical model is created, and the analysis of stresses in elements of frameless tank-car for oil transportation on the Indian railways at various operational loading is carried out. The results of calculations are compared with the data of prototype tests.
В связи с необходимостью повышения провозной способности железных дорог актуальной задачей является создание вагонов-цистерн с минимальным коэффициентом тары, определяющим отношение массы тары к массе перевозимого груза. Снижение массы тары вагона-цистерны может быть достигнуто путем создания безрамной конструкции вагона-цистерны и использования высокопрочных сталей.
Головным специализированным конструкторским бюро вагоностроения ОАО "МЗТМ" разработана безрамная конструкция вагона-цистерны модели 15-1717 для транспортировки нефтепродуктов (бензин, дизельное масло, керосиновое масло, нефть, авиационное топливо, легкое дизельное масло) по колее индийских железных дорог шириной 1676 мм. Схема разработанной конструкции вагона-цистерны показана на рис. 1. Цилиндрическая обечайка котла, подкрепленная для увеличения жесткости конструкции четырьмя шпангоутами, составлена из трех частей: горизонтально расположенной средней и двух концевых, наклоненных к средней части под углом 1°. Между концевыми рамами в нижней части котла установлены два стрингера. Котел цистерны соединен с концевыми рамами продольными и поперечными связями. Основные несущие элементы
вагона-цистерны (котел, рама, опоры) изготовлены из высокопрочных сталей.
Основные технические параметры вагона-цистерны приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные технические параметры вагона
Параметр, размерность Значение
Вес тары, т 23,44
Грузоподъемность, т 57,84
Общий вес, т 81,28
Нагрузка на ось, т 20,32
Длина по осям автосцепки, мм 12420,00
База цистерны, мм 8391,00
Максимальная высота автосцепки, мм 1105,00
Расстояние между сливными устрой- 4140,00
ствами, мм
Длина по концевым балкам, мм 11491,00
Полный объем котла, м3 76,00
Внутренний диаметр котла, мм 2950,00
Габарит "X"
Математическая модель рассматриваемой конструкции цистерны построена с использованием программного комплекса, реализующего метод конечных элементов, на основе разработанной и представленной в электронном виде конструкторской документации. Для моделирования цилиндрической обечайки котла, под-
крепляющих ее элементов, концевых рам и ставлена из 45 946 конечных элементов и имеет
опор выбран конечный элемент пластины пре- 241 332 степени свободы.
имущественно прямоугольной формы, а для Оценка прочности конструкции цистерны
торосферических днищ - треугольный элемент проводилась в соответствии с Нормами [1] и
пластины. Модель вагона-цистерны (рис. 2) со- заданиями индийской стороны.
Рис. 1. Вагон-цистерна безрамной конструкции для железных дорог Индии
Рис. 2. Конечно-элемент
Различные режимы эксплуатации, в том числе пуск в ход и торможение, избыточное внутреннее давление, подъем за концевые рамы, моделировались соответствующим комплексом внешних статических нагрузок: весом жидкого груза как гидростатического давления; внутренним давлением, равномерно распределен-
I схема вагона-цистерны
ным по оболочке котла; продольными сжимающими и растягивающими силами, приложенными к автосцепке; весом конструкции и силами ее инерции от удара в автосцепку, задаваемыми с помощью ускорения, приложенного к элементам конструкции соответственно в вертикальном и продольном направлениях;
давлением от гидроудара, равномерно распределенным по поверхности переднего днища и цилиндрической обечайки. Величина давления от гидроудара Рг определялась как отношение силы инерции жидкого груза Ыи к площади вертикальной проекции днища и принималась по всей длине обечайки котла равной давлению на переднем днище (заднее днище считалось ненагруженным):
4 • N
и (1)
Рг =
N =■
%• в
вгр
2 '
вгр + в
-• N ,
(2)
где В - диаметр котла; N - продольно-тяговая сила; вгр - масса жидкого груза; вт - масса
тары.
Вес груза прикладывается в виде неравномерно распределенного давления Р. Изменение давления по высоте определяется как
(р) = аР = р-g,
ап
(3)
ус-
где р - плотность перевозимого груза; g корение свободного падения.
Ускорение а, приложенное к элементам конструкции для компенсации разницы между силой продольного удара и силой инерции груза, вычисляется по формуле
N - N
а = ■
вт
(4)
При воздействии на конструкцию продольных нагрузок рассматривались два вида граничных условий:
- при сжатии конструкция шарнирно опирается в месте крепления заднего упора автосцепки;
- при растяжении конструкция шарнирно опирается в месте крепления переднего упора автосцепки.
Рассмотрены шесть вариантов сочетаний расчетных нагрузок.
Iрасчетный режим:
1) сила продольного сжатия 2,5 МН, приложенная к заднему упору автосцепки;
2) равномерное внутреннее давление паров бензина 0,2 МПа;
3) давление гидроудара 0,26 МПа, определяемое по формуле (1) при N =2,5 МН;
4) вес груза, прикладываемый в виде неравномерно распределенного давления с
grad(Р) =7357,5 Н-м"3, вычисленного по формуле (3);
5) вес конструкции;
6) силы инерции конструкции, определяемые путем умножения масс ее элементов на ускорение а = 3 g , вычисленное по формуле (4) при N =2,5 МН.
Допускаемые напряжения для этого режима в соответствии с [1]:
- для полурам и опор котла 315 МПа;
- для котла 385 МПа.
В результате проведенных исследований установлено, что наиболее нагруженными зонами для этого режима являются (рис. 3):
- зона диафрагм шкворневой балки, где максимальные значения с экв =213 МПа;
- зона перехода от хребтовой балки к стрингеру, где максимальные сэкв =302 МПа;
- зона верхней части опоры сэкв < 295 МПа;
- зона торцовой части днища сэкв < 341 МПа.
0 43
86
129 172 215 258 301 344 385
- зона торцовой части днища сэкв < 341 МПа
Рис. 3. Наиболее нагруженные зоны (I режим)
11-й расчетный режим:
1) сила продольного растяжения 1,0 МН;
2) давление паров бензина 0,2 МПа;
3) давление гидроудара 0,104 МПа;
4) вес груза с grad(Р)=10300,5 Н-м-3 и с учетом коэффициента вертикальной динамики Кд=0,4;
5) вес конструкции с учетом коэффициента вертикальной динамики Кд = 0,4;
6) силы инерции конструкции, определяемые путем умножения масс ее элементов на ускорение а = 1,23§, вычисленное по формуле (4) при N =1,0 МН.
Допускаемые напряжения для этого режима:
- для полурам и опор котла 220 МПа;
- для котла 247 МПа.
Наиболее нагруженными зонами при этом режиме, так же, как и при I расчетном режиме, являются зона диафрагм шкворневой балки а экв < 142 МПа; зона перехода от хребтовой
балки к стрингеру а экв < 110 МПа; зона верхней части опоры аэкв < 215 МПа; зона торцовой части днища аэкв < 246 МПа.
III расчетный режим: 1) внутреннее давление 0,28 МПа. IVрасчетный режим: 1) давление 0,58 МПа.
Допускаемые напряжения для этих режимов составляют:
- для полурам и опор котла 318 МПа;
- для котла 409 МПа.
Наиболее нагруженной зоной при рассмотренных режимах является зона торовой части днища (рис. 4) аэкв < 191 МПа (для III режима)
и аэкв < 395 МПа (для IV режима).
63
84
105
126
147
Рис. 4. НДС торовой части днища (III режим)
V расчетный режим (по техническим требованиям индийской стороны):
1) подъем цистерны, груженной до номинальной грузоподъемности, под консоль хребтовой балки в сечении между упорами автосцепки и розеткой на одном конце вагона, с опиранием на пятник.
Допускаемые напряжения:
- для полурам и опор котла 315 МПа;
- для котла 405 МПа.
Наиболее нагруженные зоны: зона диафрагм шкворневой балки (рис. 5) аэкв < 312 МПа; зона перехода от хребтовой балки к стрингеру и
прилегающая к ней обечайка котла аэкв < 255 МПа.
VIрасчетный режим:
1) подъем цистерны, груженной до номинальной грузоподъемности, под концы одной шкворневой балки.
Допускаемые напряжения:
- для полурам и опор котла 315 МПа;
- для котла 405 МПа.
Наиболее нагруженные зоны: зона верхней части опоры аэкв < 246 МПа; зона на торцах
шкворневой балки аэкв < 191 МПа.
В целом анализ напряженно-деформированного состояния конструкции вагона-цистерны модели 15-1717 показал, что наиболее нагруженными являются торцовая часть днища и зоны перехода от хребтовых балок концевых рам к стрингеру.
Создан опытный образец вагона-цистерны для перевозки нефтепродуктов по железным дорогам Индии и проведены его натурные испытания при рассмотренных эксплуатационных режимах нагружения.
Результаты проведенных экспериметальных исследований опытного образца показали, что выбранные параметры конструкции обеспечивают допускаемый Нормами [1] уровень напряжений в несущих элементах вагона-цистерны для всех рассмотренных режимов эксплуатации.
2 38 72 106 140 174 208 242 278 312
Рис. 5. НДС шкворневой балки (V режим)
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М.: ГосНИИвагоностроения - ВНИ-ИЖТ, 1996. - 319 с.
