Совершенствование конструкции узла соединения котла и рамы вагонов-цистерн
Совершенствование конструкции узла соединения котла и рамы вагонов-цистерн
Для сложившейся на сегодняшний день номенклатуры грузов характерно постоянное расширение перечня наливных грузов, к перевозке которых предъявляются требования по сохранению продукта в жидком состоянии или обеспечению заданного температурного режима в течение всего времени транспортировки. Для перевозки таких грузов, к числу которых относится продукция нефтеперерабатывающей, химической и пищевой промышленности, создан ряд специализированных вагонов-цистерн, оборудованных теплоизоляцией и системой разогрева.
Следует отметить, что одной из особенностей указанных вагонов является увеличенное до 200-300 мм расстояние между котлом и рамой по сравнению с типовым 65-75 мм, что оказывает существенное влияние на конструкцию соединения котла и рамы. Вагоны-цистерны создавались в соответствии с требованиями Норм 50-х годов издания, предусматривающих продольные нагрузки, не превышающие 2,5 МН, поэтому в настоящее время уже не отвечают действующим нормативным требованиям [1]. При этом многие модели цистерн для перевозки химических грузов не были рассчитаны и на роспуск с горок. Указанные причины делают невозможным продление их срока службы без модернизации узла соединения котла и рамы. Вместе с тем ведущим предприятием, разрабатывающим вагоны-цистерны с теплоизоляцией и системой разогрева, на протяжении многих лет являлся «Азовмаш», поэтому отечественные вагоностроительные заводы достаточного опыта создания и модернизации подобных конструкций не имеют.
Таким образом, все вышеперечисленные причины делают необходимым проведение работ по совершенствованию конструкции соединения котла и рамы вагонов-цистерн (как существующей, так и вновь разрабатываемых) для исключения повреждений данного узла при эксплуатации.
Работы по модернизации узла соединения котла и рамы выполнялись Инженерным центром при проведении КРП вагона-цистерны модели 15-1576 (ЖАЦ-44) и разработке нового вагона-цистерны для перевозки битума модели 15-1255-01 и включали следующие этапы: обзор существующих конструкций цистерн, проведение расчетных и экспериментальных исследований по определению прочностных характеристик существующей конструкции соединения котла и рамы, разработка вариантов совершенствования узла соединения с выполнением расчетной и экспериментальной проверки эффективности принятых решений.
Для оценки эффективности использованных в вагоностроении конструктивных решений для цистерн с увеличенным расстоянием между котлом и рамой и определения направлений изменения их конструкции на первом этапе был проведен обзор существующих вагонов. Используемые типы соединения котла и рамы можно классифицировать следующим образом (рис. 1):
1 - лапа котла; 2 - лапа рамы; 3 - котел; 4 - хребтовая балка; 5 - болтовое соединение
Рис. 1. Крепление котла с увеличенной высотой установки и типовое: а) лапы котла увеличенной высоты, лапы рамы типовые; б) лапы котла увеличенной высоты с тавровым соединением с котлом, лапы рамы типовые; в) лапы котла типовые, нетиповые лапы рамы увеличенной высоты приварены к стенке хребтовой балки; г) типовое крепление котла на раме
- лапы котла увеличенной высоты, лапы рамы типовые. Примером может служить цистерна для амила модели 15-1576 (ЖАЦ-44) (а). При такой системе крепления котла температура груза и теплоносителя системы разогрева не превышает 100°С; - лапы котла увеличенной высоты с тавровым соединением с котлом, лапы рамы типовые - например, цистерны для жидкого пека моделей 15-1532, 15-1534 (б). Эта система крепления котла используется при температуре заливаемого груза 250°С и теплоносителя системы разогрева до 500°С; - лапы котла типовые, нетиповые лапы рамы увеличенной высоты приварены не к верхней полке, а к стенке хребтовой балки - например, цистерна для расплавленной серы модели 15-1482 (в). Данная система крепления котла используется при температуре заливаемого груза 150°С и теплоносителя системы разогрева до 500°С; - лапы котла и лапы рамы типовые (г). Типовое крепление котла на раме используется на всех вагонах-цистернах, не требующих оборудования теплоизоляцией.
Оценка возможности использования существующих конструкций узла соединения котла и рамы и их соответствия требованиям Норм [1] проводились на втором этапе работы в ходе расчетных и экспериментальных исследований. При выполнении расчетов моделировалось действие продольной ударной нагрузки 3,5 МН на вагон-цистерну ЖАЦ-44 для амила, подлежащий капитальному ремонту с продлением срока службы.
Для определения наиболее нагруженных зон узла соединения котла и рамы был выполнен уточненный расчет прочности штатного крепления котла на раме вагона-цистерны (рис. 2). Разработанная расчетная модель включала применение упорядоченной сетки с переменным шагом, а также уточненное представление сварных соединений в зоне соединения.
Рис. 2. Результаты уточненного расчета на прочность штатного узла соединения котла и рамы вагона-цистерны ЖАЦ-44: а) общий вид лап рамы и верхней части рамы; б) общий вид лап котла и нижней части котла
Выполненный расчет показал, что при действии продольной ударной нагрузки, силы тяжести котла, рамы и груза, собственной силы инерции и силы инерции груза (гидроудар) возникают напряжения, более чем в два раза превышающие допускаемые. Наиболее нагруженным элементом являются фасонные лапы в зоне соединения с котлом и лапы рамы, что служит причиной разрушения сварных швов и самих лап при соударениях вагона.
Результаты расчета были подтверждены опытным путем. При проведении испытаний на прочность при соударении вагона-цистерны ЖАЦ-44 произошло разрушение сварных швов и основного металла лап котла и лап рамы при соударении с вагоном-бойком с силой 3,5 МН (рис. 3). Испытания проводились по согласованной программе и методике, разработанной в соответствии с РД 24.050.37-95 [2].
Рис. 3. Повреждения вагона-цистерны ЖАЦ-44 при проведении испытаний на соударение: а) общий вид вагона с демонтированной теплоизоляцией; б) деформация лап котла и рамы, а также обечайки котла; в) излом лапы рамы; г) излом лапы котла; д) излом и отрыв лапы от рамы
Во время испытаний было выполнено более 10 соударений со скоростью до 10,4 км/ч с усилием до 3,6 МН. При испытаниях масса вагона брутто составила 68 т, масса бойка брутто - 90-100 т. Повреждения узла крепления котла на раме были получены вагоном после девятого удара, усилие которого составило 3,02 МН при скорости соударения 9,11 км/ч (рис. 4). После тринадцатого удара испытания были остановлены вследствие полного разрушения узла.
Рис. 4. Зависимость силы соударения от скорости соударения
Выполненные исследования подтвердили невозможность использования существующей конструкции соединения котла и рамы без проведения модернизации данного узла. В качестве возможных вариантов изменения конструкции на следующем этапе работ были предложены следующие:
- усиление котла и модернизация лап котла и рамы; - усиление рамы и модернизация лап котла и рамы; - усиление котла и рамы и модернизация лап котла и рамы.
Проведенные предварительные расчеты и испытания позволили установить, что основной причиной повышенных напряжений в фасонных лапах является их недостаточная жесткость, а также недостаточная жесткость хребтовой балки в районе окончания лап. Поэтому из множества решений наиболее оптимальным усилением по критерию минимальной металло¬емкости и стоимости доработки является локальное усиление хребтовой балки рамы, подрезка лап котла по высоте (для уменьшения плеча прикладываемой нагрузки) и замена лап рамы новыми, развернутыми полками вверх (рис. 5).
Рис. 5. Усиление узла соединения котла и рамы цистерны ЖАЦ-44
Как показали расчеты на прочность доработанного узла, мероприятия по усилению соединения котла и рамы позволяют снизить напряжения в данной зоне более чем в два раза (рис. 6).
Рис. 6. Результаты расчета на прочность доработанного узла соединения котла и рамы вагона-цистерны ЖАЦ-44: а) общий вид лап рамы и верхней части рамы; б) общий вид лап котла и нижней части котла
Данная схема доработки конструкции была реализована на опытном образце вагона-цистерны ЖАЦ-44 (рис. 7), что подтвердило возможность ее изготовления на вагоностроительных и вагоноремонтных заводах без внесения существенных изменений в технологический процесс.
Рис. 7. Вагон-цистерна ЖАЦ-44 с доработанным креплением котла: а) общий вид крепления котла; б) болтовое соединение лап; в, г) накладки усиления хребтовой балки
После доработки конструкции были проведены повторные испытания цистерны на прочность при соударении. При этом на лапы и прилегающие участки котла и рамы были наклеены тензодатчики для измерения напряжений. Данные, полученные при расчетах модернизированного узла, показали, что значения напряжений в элементах конструкции на 10-15% выше экспериментальных, что соответствует принятой точности для статических расчетов при действии ударных нагрузок (табл. 1). При этом напряжения в элементах конструкции не превышают допускаемых напряжений; 295 МПа - для лап, 255 МПа - для рамы и 205 МПа - для котла.
Таблица 1
Напряжения в элементах конструкции вагона-цистерны ЖАЦ-44
Полученные в ходе сравнения незначительные расхождения расчетных и экспериментальных значений напряжений вызваны как погрешностью расчета, связанной с идеализацией модели и ошибками ее численного решения (10-12%), так и погрешностью измерений при испытаниях (3—5%). В целом полученные данные позволяют судить о том, что доработанный узел соединения котла и рамы цистерны ЖАЦ-44 отвечает требованиям, предъявляемым Нормами [1].
Аналогичные исследования были приведены при совершенствовании конструкции вагона-цистерны для перевозки битума модели 15-1255-01. При проектировании первоначально рассматривалось типовое крепление котла на раме (см. рис. 1а) и крепление, подобное разработанному для цистерны модели ЖАЦ-44 (рис. 8). Параллельно Инженерным центром было разработано крепление котла вагона-цистерны для перевозки жидкого пека [3].
Уточненный расчет показал, что типовое крепление котла не удовлетворяет требованиям прочности, поэтому был принят измененный вариант конструкции. В данном случае новая конструкция соединения включала уменьшенные по высоте лапы котла и увеличенные лапы рамы, развернутые полками вверх. Отличие от предложенного для вагона-цистерны ЖАЦ-44 варианта заключалось в том, что соединение лап осуществлялось с хребтовой балкой из зетовых профилей, потребовавшей изменения профиля лап рамы.
Рис. 8. Узел соединения котла и рамы цистерны модели 15-1255-01 для перевозки битума
Для цистерны модели 15-1255-01 наибольшее снижение напряжений было достигнуто в котле и лапах котла, а наиболее нагруженным элементом являлись рама и лапы рамы. Большая жесткость хребтовой балки из зетовых профилей по сравнению со швеллерной позволила не применять дополнительного усиления хребтовой балки и снизить напряжения до уровня допускаемых (рис. 9).
Рис. 9. Результаты расчета на прочность вагона-цистерны модели 15-1255-01 для битума от действия ударной нагрузки модели 3,5 МН: а, б) напряженно-деформированное состояние элементов конструкции с типовым креплением котла на раме; в, г) напряженно-деформированное состояние элементов конструкции с доработанным креплением котла на раме
Выполненные исследования по совершенствованию конструкции соединения котла и рамы вагонов-цистерн, оборудованных теплоизоляцией и системой разогрева, позволили разработать конструкцию узла соединения, удовлетворяющую требованиям прочности, обеспечивающую увели¬чение эксплуатационной надежности подвижного состава и повышение безопасности перевозок в целом. Полученные результаты исследований, включая расчетные зависимости напряжений в конструкции от параметров узла соединения и данные выполненных испытаний вагонов, могут применяться при совершенствовании конструкции находящихся в эксплуатации, а также вновь разрабатываемых цистерн с учетом особенностей эксплуатационного нагружения для данного вида подвижного состава.
Литература
1. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996.-317 с.
2. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества : РД 24.050.37-95. - М. : ГосНИИВ, 1995. - 102 с.
3. Кононенко А. С. Разработка специализированного вагона-цистерны для перевозки пека с улучшенными технико-экономическими параметрами /А. С. Кононенко, В. В. Галов // Улучшение технико-экономических характеристик грузовых вагонов: сб. науч. тр. / под ред. А.А. Битюцкого ; Инженерный центр вагоностроения. - СПб., 2009. - Вып. 6. - С. 48-60.
