CC BY
13
^ ПРОБЛЕМАТИКА ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
УДК 629.463.32
Оценка ресурса при соударении вагонов-цистерн современных конструкций производства АО «Рузхиммаш»
В. В. Галов 1, В. А. Башмаков 2, А. В. Григорьев 3
1 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
2 ООО «Инженерный Центр подвижного состава» (ООО «ИЦПС»), Российская Федерация, 190013, Санкт-Петербург, наб. реки Фонтанки, 108
3 АО «РМ Рейл Инжиниринг», Российская Федерация, 431446, Республика Мордовия, г. Саранск, ул. Лодыгина, 3
Для цитирования: Галов В. В., Башмаков В. А., Григорьев А. В. Оценка ресурса при соударении вагонов-цистерн современных конструкций производства АО «Рузхиммаш» // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2021. - Т. 18. - Вып. 2. - С. 159-168. БО1: 10.20295/1815-588Х-2021-2-159-168
Аннотация
Цель: Изучить характер усталостных повреждений вагонов-цистерн современных конструкций по результатам ресурсных испытаний при многократных соударениях. Показать необходимость проведения ресурсных испытаний по причине увеличения срока службы вагонов, внесением соответствующих изменений в конструкторскую документацию и повышением конкурентоспособности продукции. Подтвердить возможность большего срока службы вагонов. Определить потенциально опасные зоны в конструкциях вагонов, наиболее подверженные повреждениям в эксплуатации. Методы: Применен экспериментальный метод оценки показателей циклической долговечности элементов конструкции вагонов путем испытаний на ресурс при многократных соударениях. Использованы методы математической статистики для оценки результатов испытаний и выявленных усталостных повреждений. Результаты: Выполнен сравнительный анализ конструктивных особенностей испытуемых вагонов. Описан порядок проведения испытаний на ресурс при соударениях. Представлена статистическая оценка режимов нагружения и накопленных усталостных повреждений. Получены разрушения, препятствующие дальнейшему проведению испытаний. По результатам проведенных испытаний подтверждено увеличение срока службы вагонов до 32 лет. На основании обнаруженных разрушений статистически определены зоны конструкций вагонов, наиболее подверженные повреждениям в эксплуатации. Практическая значимость: Подтверждена необходимость в увеличении срока службы вагонов до 32 лет. Результаты проведенных испытаний позволили внести соответствующие изменения в конструкторскую документацию и повысить конкурентоспособность вагонов производства АО «Рузхиммаш» в условиях современного рынка. Накопленные экспериментальные данные могут быть использованы в дальнейшем при проектировании вагонов-цистерн с улучшенными по сравнению с существующим подвижным составом эксплуатационными характеристиками, включая узлы конструкции, подверженные усталостным повреждениям в эксплуатации.
Ключевые слова: Вагон-цистерна, ресурсные испытания, многократные соударения, увеличение срока службы, статистика повреждений.
Введение
Компания АО «РМ Рейл Инжиниринг» (Республика Мордовия, г. Саранск) занимает лидирующие позиции в отрасли по номенклатуре разработанных и поставленных на серийное производство моделей железнодорожного подвижного состава.
Одной из преимущественных специализаций компании является разработка перспективных конструкций специализированных вагонов-цистерн для перевозки опасных химических грузов. Срок службы указанных вагонов составляет 24 года. Среди последних разработок АО «РМ Рейл Инжиниринг» отмечены вагоны-цистерны моделей 15-1264 для метанола и 151269 для серы расплавленной, которые поставлены на производство в 2017 и 2018 гг. соответственно.
В современных рыночных условиях с целью повышения конкурентоспособности вагонов возникла необходимость подтверждения назначенного их срока службы до 32 лет. Для этого требуется проведение ресурсных испытаний на циклическую долговечность при многократных соударениях вагонов с внесением соответствующих изменений в конструкторскую документацию.
Первоначально компанией АО «РМ Рейл Инжиниринг» в 2018 г. был успешно реализован комплекс работ по увеличению срока службы до 32 лет вагона-цистерны для метанола модели 151264 (рис. 1, а). Испытания были проведены испытательным центром ООО «ИЦПС» (г. Санкт-Петербург) в условиях завода-изготовителя вагона АО «Рузхиммаш» [1].
В 2019 г. АО «РМ Рейл Инжиниринг» совместно с испытательным центром ООО «ИЦПС» выполнен аналогичный комплекс работ на образце вагона-цистерны для перевозки серы расплавленной модели 15-1269 производства АО «Руз-химмаш» с подтверждением увеличенного срока службы 32 года (рис. 1, б).
Основными задачами испытаний для реализации поставленной цели являлись оценка накопленного усталостного повреждения при
действии нормативных ударных нагрузок, согласно ГОСТ 33788-2016 [2], РД 24.050.37.95 [3], подтверждение назначенного срока службы вагонов и определение потенциально опасных мест в конструкции, наиболее подверженных повреждениям.
Анализ особенностей конструкции вагонов-цистерн
На первоначальном этапе до начала испытаний был проведен анализ особенностей конструкции указанных моделей вагонов.
Вагон-цистерна для перевозки метанола модели 15-1264 имеет максимальный объем котла 87,1 м3 и грузоподъемность 66,5 т, среди аналогов с осевой нагрузкой 23,5 т на ось [4-6].
Вагон-цистерна для перевозки серы расплавленной модели 15-1269 в отличие от вагона модели 15-1264 оборудован теплоизоляцией котла, позволяющей сохранять груз в жидком состоянии до 10 суток при температуре окружающего воздуха до -40 °С, системой разогрева груза в случае его остывания с помощью электрических нагревателей (ТЭНов) общей мощностью 90 кВт. На котле вагона смонтирован специальный кожух, обеспечивающий защиту теплоизоляции и электрооборудования вагона от механических воздействий, дополнительно имеется защитный воротник из нержавеющей стали (под загрузочным люком), исключающий попадание груза (серы) под кожух теплоизоляции с целью предотвращения его коррозии и улучшения пожарной безопасности. Конструкция вагона адаптирована под тележку с нагрузкой 25 т на ось и межремонтным пробегом 500 тыс. км [4, 5, 7].
Основные технические характеристики испытуемых вагонов представлены в табл. 1 [4-7].
Проведение испытаний
Основной этап работ заключался в выполнении объема испытаний, позволяющим подтвердить назначенный срок службы вагонов 32 года.
До начала ресурсных испытаний с целью сокращения времени их проведения поглощающие аппараты автосцепных устройств вагонов были исключены из работы путем установки жестких вставок.
Схема расположения вагонов на стенде-горке при испытаниях приведена на рис. 2.
Ресурсные испытания осуществлялись путем многократных соударений вагона-бойка в испытуемый вагон, стоящий в подпоре (рис. 2). Подпор был сформирован из вагонов различных моделей общей массой более 300 т. Образцы вагонов при испытаниях были загружены до пол-
ной грузоподъемности (модель 15-1264 - водой, модель 15-1269 - водой с песком). Испытания вагонов проводили до момента, пока накопленное в процессе испытаний усталостное повреждение О не превысит расчетного значения О
исп г г расч
за установленный период эксплуатации вагонов (32 года):
D > D .
исп — расч
(1)
Далее испытания продолжались до получения повреждений вагонов, препятствующих дальнейшим испытаниям с учетом «Инструкции...» [8].
ТАБЛИЦА 1. Основные технические характеристики вагонов
Наименование характеристики Модель 15-1264 Модель 15-1269
Грузоподъемность, т 66,5 72,5
Масса тары, т Макс. 27,5, мин. 26,5 Макс. 27,5, мин. 27,0
Максимальная расчетная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы, кН (тс) 230,5 (23,5) 245,0 (25,0)
Габарит по ГОСТ 9238 1-Т 1-Т
Конструкционная скорость, км/ч 120 120
Объем котла, м 3 - полный - полезный 87,1 82,7 44,0 40,7*
Диаметр котла внутренний, мм 3200** 2400±6
Толщина стенки котла, мм - верхних листов - броневых листов - днищ 10 12 12 8 11 10
Плотность (при температуре 0 °С), т/м 3 0,81 1,78
Длина по осям сцепления автосцепок, мм 12 020+67-45 12 020+67-45
Длина вагона по концевым балкам рамы, мм 11 000+10 10 800+11-18
Длина котла, мм 11 400±10 10 150±10
Длина котла с теплоизоляцией, мм - 10 750±20
База цистерны, мм 7800±5 7800±5
Ширина максимальная, мм 3276 3135
Высота от уровня верха головок рельсов, мм: - максимальная - до оси автосцепок 5210 1060±20 4570 1060±20
* При плотности продукта 1780 кг/м3 при температуре от 130 до 140 °С. ** Диаметр котла внутренний номинальный.
Вагон-боек
Рис. 2. Схема расположения вагонов на стенде-горке при ресурсных испытаниях
Оценка результатов испытаний
Выявленные на основании результатов ресурсных испытаний вагонов распределения сил соударений в процессе испытаний (рис. 3, 4) и их вероятностная оценка (табл. 2) показывают, что накопление усталостных повреждений в конструкциях вагонов за период испытаний произошло при средних значениях сил соударений в диапазоне от 3,0 до 3,5 МН (3,102 и 3,252 МН для вагонов моделей 15-1264 и 15-1269 соответственно) при нормативном значении максимальной силы соударения 3,5+0'35 МН.
Накопленные в испытательных процессах усталостные повреждения определялись по формуле
Аисп =Е РСП.. (2)
В (2) Рисп . - максимальная сила, действующая в автосцепке между вагоном-бойком и испытуемым вагоном, МН; . - порядковый номер соударения; п - число соударений; т - показатель степени, принято т = 4 в соответствии с п. 9.8.1 [2].
Накопленные усталостные повреждения Аисп для испытуемых вагонов моделей 15-1264 и 151269 составили 6,76 ■ 105 и 6,79 ■ 105 МН 4 соответственно и превышают расчетное значение Арасч = 6,58 ■ 10 5 МН 4, определенное согласно п. 9.8.2 [2], что удовлетворяет неравенству (1). Полученные по результатам испытаний сроки службы вагонов в таком случае - 32,87 года для
Рис. 3. Распределение сил соударений в процессе испытаний вагонов 6000
1 5500 J 5000 га 4500 % 4000 8 3500 О 3000 £ 2500 2000 о 1500 | 1000 т 500 0
I Модель вагона 15-1264 Модель вагона 15-1269
5591 4703
1140 1115
0 0
3 0
2 1
44 65
233 135
37 19
0-0,5 0,5-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 2,0-2,5 2,5-3,0 3,0-3,5 3,5-3,73
Интервал сил, МН
Рис. 4. Распределение числа циклов соударений по интервалам сил
ТАБЛИЦА 2. Вероятностная оценка сил соударений [9, 10]
Модель испытуемого вагона Количество соударений (число циклов) Диапазон сил соударений, МН Доверительная вероятность, р Среднее значение силы, МН Относительная погрешность силы, е, %
15-1264 7050 От 0,64 до 3,73 0,9 3,102±0,005 0,002
15-1269 6038 От 1,33 до 3,71 0,9 3,252±0,005 0,002
модели 15-1264 и 33,06 лет для модели 15-1269, что подтверждает назначенный срок их службы 32 года.
Систематика
повреждений конструкций вагонов-цистерн
На заключительном этапе были систематизированы повреждения на вагонах, выявленные в процессе ресурсных испытаний (табл. 3). Стабильная повторяемость отмечена в элементах крепления тормозного оборудования, которые относятся к наиболее ответственным узлам конструкций вагонов.
Одним из критериев прекращения ресурсных испытаний является наличие повреждений, препятствующих дальнейшему их проведению. Ре-
сурсные испытания вагонов были остановлены из-за развития трещин в кронштейнах крепления воздухораспределителей (рис. 5, 6). В связи с одинаковой конструкцией кронштейнов, применяемых на рамах вагонов, полученные повреждения по характеру мест расположения и размеров трещин идентичны, что позволило определить узлы конструкции, наиболее восприимчивые к повреждениям при многократных соударениях.
После завершения ресурсных испытаний были осуществлены тщательные осмотры испытуемых вагонов. На вагоне-цистерне для перевозки метанола модели 15-1264 в корпусе котла, элементах крепления котла к раме, в том числе опор с лежневыми брусьями, фасонных лап повреждений (изломов, трещин сварных швов) и видимых деформаций в конструкции вагона не обнаружено.
Вид повреждений Количество циклов соударений Модель испытуемого вагона
15-1264 15-1269
Отрыв поручня составителя После 740 + -
Разрыв скобы на шкворневой балке После 1230 + Скоба отсутствует
Трещина в кронштейне воздухораспределителя После 2500/3000 +/+
Отрыв заклепок кожуха После 1750 Кожух отсутствует +
Излом фиксатора колпака крышки люка-лаза После 2250 Колпак отсутствует +
ТАБЛИЦА 3. Повреждения в конструкциях вагонов-цистерн по результатам испытаний
Рис. 5. Повреждения конструкции кронштейна воздухораспределителя на вагоне-цистерне модели 15-1264: а - общий вид; б - зона разрушения
Рис. 6. Повреждения конструкции кронштейна воздухораспределителя на вагоне-цистерне модели 15-1269: а - общий вид; б - зона разрушения
На вагоне-цистерне для перевозки серы расплавленной модели 15-1269 для проведения осмотра был произведен демонтаж кожуха, теплоизоляции и электрооборудования котла вагона. В оболочке котла и элементах крепления котла к раме, в том числе опорах котла, в фасонных лапах, подкрепляющих элементах (кронштейны крепления кожуха теплоизоляции, электрооборудования) повреждения (изломы, трещины сварных швов) и видимые деформации отсутствовали.
Заключение
На основании анализа результатов ресурсных испытаний на циклическую долговечность при многократных соударениях вагонов-цистерн моделей 15-1264 и 15-1269 установлено, что накопленные усталостные повреждения в конструкции вагонов превышают расчетные значения за срок службы 32 года, что подтверждает возможность увеличения назначенного срока службы и целесообразность внесения соответствующих изменений в конструкторскую документацию на указанные модели вагонов.
Ресурсные испытания позволили выявить узлы конструкции, наиболее подверженные повреждениям от воздействия многократных продольных нагрузок при соударениях. По результатам полученных повреждений кронштейнов крепления тормозного оборудования следует обратить внимание на подобные узлы конструкции в процессе эксплуатации вагонов-цистерн как моделей, подвергнутых испытаниям, так и вагонов с аналогичной конструкцией.
Библиографический список
1. Клемин В. В. Испытания на ресурс при соударении вагона-цистерны для метанола модели 15-1264 / В. В. Клемин, А. В. Григорьев, В. В. Галов, В. А. Башмаков // Подвижной состав XXI века : идеи, требования,
проекты : Материалы XIV Междунар. науч.-технич. конференции, 210-летию создания первого транспортного вуза России посвящается. - СПб. : ПГУПС, 2019. - С. 142-146.
2. ГОСТ 33788-2016. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и динамические качества. - М. : Стандартинформ, 2016. -41 с.
3. РД 24.050.37.95. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества. - М. : ГосНИИВ, 1995. - 102 с.
4. Сайт о вагонном парке и вагонном хозяйстве. -Vagon.by, 2013-2019. - URL : http://vagon.by/railcars (даты обращения : 05.05.2019 г., 27.03.2020 г.).
5. Сайт изготовителя АО «РМ Рейл Рузхиммаш». -URL : https://rmrail.ru/catalogue/gruzovye-vagony/(даты обращения : 05.05.2019 г., 27.03.2020 г.).
6. ТУ 3182-046-77518316-2017. Вагон-цистерны для перевозки метанола. Модель 15-1264. Технические условия. - Саранск : АО «РМ Рейл Инжиниринг», 2017. - 62 с.
7. ТУ 3182-048-77518316-2017. Вагон-цистерны для перевозки серы расплавленной. Модель 15-1269. Технические условия. - Саранск : АО «РМ Рейл Инжиниринг», 2018. - 63 с.
8. Инструкция по исключению из инвентаря вагонов МПС СССР. - М. : Транспорт, 1987. - 29 с.
9. Монсик В. Б. Вероятность и статистика : учеб. пособие / В. Б. Монсик, А. А. Скрынников. - М. : Бином, 2013. - 381 с.
10. Ивченко Г. И. Математическая статистика : учебник / Г. И. Ивченко, Ю. И. Медведев. - М. : Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2014. - 352 с.
Дата поступления: 04.04.2021 Решение о публикации: 15.04.2021
Контактная информация:
ГАЛОВ Владимир Викторович - канд. техн. наук, доц.; [email protected] БАШМАКОВ Василий Андреевич - инженер; [email protected]
ГРИГОРЬЕВ Алексей Владимирович - ведущий инженер; [email protected]
Resource assessment in the collision of modern designed tank cars manufactured by JSC "Ruzkhimmash"
V. V. Galov 1, V. A. Bashmakov 2, A. V. Grigoriev 3
1 Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
2 LLC "Engineering Center of Rolling Stock" (LLC "ITsPS"), 108, nab. Fontanka river, Saint Petersburg, 190013, Russian Federation
3 JSC "RM Rail Engineering", Russian Federation, 431446, 3, ul. Lodygina, Saransk, Republic of Mordovia, Russian Federation
For citation: Galov V. V., Bashmakov V.A., Grigoriev A. V. Assessment of the resource in the collision of tank cars of modern designs manufactured by JSC "Ruzkhimmash". Proceedings of Petersburg Transport University. Saint Petersburg, Petersburg State Transport University, 2021, vol. 18, iss. 2, pp. 159-168. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2021-2-159-168
Summary
Objective: To study the nature of fatigue damage in modern tank cars using the results of multiple collision life tests. To show the need for life tests by making appropriate changes to design documentation and increasing the competitiveness of products due to the increase in service life. To confirm the possibility of a longer service life of the wagons. To identify potentially hazardous areas in car's structure, most susceptible to damage during operation. Methods: An experimental method was applied to assess the indicators of the cyclic durability on elements of the car's structure by testing the resource in multiple collisions. Mathematical statistics were used to assess the test results and identify fatigue damage. Results: A comparative analysis was conducted on the design features of tested cars. The procedure for testing in impacts is also described. A statistical assessment of loading modes and accumulated fatigue damage is presented. Failures were experienced that impeded further testing. The results of the tests confirmed an increase in the service life of the cars of up to 32 years. On the basis of the detected damage, the car structure zones most susceptible to damage in operation were statistically determined. Practical importance: The need to increase the service life of cars up to 32 years was confirmed. The results of the tests carried out made it possible to make appropriate changes in the design documentation and to increase the competitiveness of cars produced by JSC Ruzkhimmash in the modern market. The accumulated experimental data can be used in the future design of tank cars giving improved operational characteristics compared to the existing rolling stock, including structural units subject to fatigue damage during operation.
Keywords: Tank car, life tests, multiple collisions, increased service life, damage statistics.
References
1. Klemin V. V., Grigoriev A. V., Galov V. V. & Bashmakov V. A. Ispytaniya na resurs pri soudarenii vagona-tsisterny dlya metanola modeli 15-1264 [Tests for re-
source at collision of a tank car for methanol model 15-
1264]. Podvizhnoy sostav XXI veka: idei, trebovaniya, proyekty. Materialy XIV Mezhdunarodnoy nauchno-
tekhnicheskoy konferentsii, 210-letiyu sozdaniyapervogo transportnogo vuza Rossii posvyashchayetsya [Rolling stock of the XXI century: ideas, requirements, projects. Materials of the XIV International Scientific and Technical Conference, dedicated to the 210th anniversary of the creation of the first transport university in Russia]. Saint
Petersburg, Petersburg State Transport University Publ., 2021, pp. 142-146. (In Russian)
2. GOST33788-2016. Vagonygruzovyyeipassazhir-skiye. Metody ispytaniy na prochnost' i dinamicheskiye kachestva [GOST 33788-2016. Freight and passenger cars. Test methods for strength and dynamic properties']. Moscow, Standartinform Publ., 2016, 41 p. (In Russian)
3. RD 24.050.37.95. Vagony gruzovyye ipassazhir-skiye. Metody ispytaniy na prochnost' i khodovyye kachestva [RD 24.050.37.95. Freight andpassenger cars. Test methods for strength and driving performance]. Moscow, State Research Institute of Carriage Building Publ., 1995, 102 p. (In Russian)
4. Site about the carriage park and carriage facilities. Vagon.by, 2013-2019. Available at: http://vagon.by/rail-cars (accessed: May 05, 2019, March 27, 2020). (In Russian)
5. Site of the manufacturer JSC "RM Rail Ruzkhim-mash". Available at: https://rmrail.ru/catalogue/gru-zovye-vagony/(accessed: May 05, 2019, March 27, 2020). (In Russian)
6. TU3182-046-77518316-2017. Vagon-tsisterny dlya perevozki metanola. Model' 15-1264. Tekhnicheskiye us-loviya [TU3182-046-77518316-2017. Tank car for transportation of methanol. Model 15-1264. Technical conditions]. Saransk, JSC "RM Rail Engineering" Publ., 2017, 62 p. (In Russian)
7. TU 3182-048-77518316-2017. Vagon-tsisterny dlya perevozki sery rasplavlennoy. Model' 15-1269. Tekhnicheskiye usloviya [TU3182-048-77518316-2017. Tank car for transportation of molten sulfur. Model 15-1269. Technical conditions]. Saransk, JSC "RM Rail Engineering" Publ., 2018, 63 p. (In Russian)
8. Instruktsiyapo isklyucheniyu iz inventarya vago-nov MPS SSSR [Instructions for the removal from inventory of railroad cars of the USSR Ministry of Railways]. Moscow, Transport Publ., 1987, 29 p. (In Russian)
9. Monsik V. B. & Skrynnikov A.A. Veroyatnost' i statistika. Uchebnoye posobiye [Probability and Statistics. A Study Guide]. Moscow, Binom Publ., 2013, 381 p.
10. Ivchenko G. I. & Medvedev Y. I. Matematiche-skaya statistika. Uchebnik [Mathematical Statistics. A Textbook]. Moscow, Book House "LIBROKOM" Publ., 2014, 352 p. (In Russian)
Received: April 04, 2021 Accepted: April 15, 2021
Authors' information:
Vladimir V. GALOV - PhD in Engineering, Associate Professor; [email protected] Vasily A. BASHMAKOV - Engineer; [email protected]
Alexey V. GRIGORIEV - Leading Engineer; [email protected]
