CC BY
86
УДК 629.463.33
Воропай В.С.,ассистент (ПГТУ)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВАГОНОВ-ЦИСТЕРН
Введение. Проблема обеспечения максимально возможного срока службы, «замедления» старения таких сложных технических систем как вагоны, продления сроков их эксплуатации в условиях жестко ограниченных средств является одной из актуальнейших. Не диагностируемые своевременно, дефекты в жизненно важных узлах вагонов могут приводить к нежелательным последствиям: катастрофам, поражениям окружающей среды, человеческим жертвам, большим финансовым и материальным потерям.
Техническая диагностика - это объективное определение фактического технического состояния цистерны или ее составных частей без разборки с целью прогнозирования возможности его эксплуатации на определенный период или отправки в ремонт.
Исследование различными средствами диагностики подлежащей ремонту цистерны позволяют выявить скрытые дефекты, отказы и нарушения регулировки отдельных механизмов еще на стадии их зарождения, что очень важно для определения оставшегося моторесурса.
Анализ исследований и публикаций .Накопленный опыт экспертизы промышленной безопасности грузовых вагонов различных типов и моделей показал техническую возможность их эксплуатации после выработки проектных сроков эксплуатации, но традиционно применяемые методы неразрушающего контроля (рентгеноскопия, ультразвуковой контроль, магнитопорошковый контроль, контроль проникающими веществами и др.) и раннее разработанные методики и программы не могут обеспечить в полной мере высокое качество и надежность диагностирования.^]
Сочетание различных методов диагностики, необходимое для достоверного обнаружения дефектов, весьма дорогостояще и трудоемко, и, кроме того, сохраняется значительная субъективность отработки изделия. Таким образом, применение традиционных методов диагностирования зачастую приводит к выводу объектов из эксплуатации, материальным
затратам по проведению подготовительных и диагностических мероприятий.
Устаревшие методики и оборудование не позволяют в полном объеме использовать передовые технологии и сделать вывод о наличии в обследуемом объекте структурных изменений металла, характерных для склонных к развитию и развивающихся дефектов.
Как показала практика, применение новых технологий и методик диагностики позволяет в несколько раз сократить затраты на подготовку и проведение технического диагностирования и принятия решения о возможной дальнейшей безопасной эксплуатации грузовых вагонов.
К примеру, метод акустической эмиссии дает наиболее полную информацию о состоянии объектов с указанием степени опасности дефектов и в то же время позволяет провести контроль при минимальных затратах на подготовку и проведение данного контроля и является наиболее эффективным в выявлении дефектов вагонов- цистерн.
Основной раздел. Техническое диагностирование (освидетельствование) цистерн проводится испытательным центром, который имеет аттестацию Госстандартом Украины на право проведения испытаний вагонной продукции и имеет разрешение Госнадзорохрантруда Украины.
В объем исследований входит обследование технического состояния (100% цистерн). Производится изучение условий эксплуатации путем анализа конструкторской и технико-эксплуатационной документации (паспорта, другие документы), ремонтной базы, характера, объема, сроков и качества ремонтов и предыдущих технических освидетельствований, получения данных по среднесуточному пробегу, перевозимым грузам.
Далее следует подготовка цистерн к обследованию. Ее должен проводить владелец по своей технологии дегазации, обеспечив безопасность работы на цистерне и внутри котла.Обследование технического состояния включает в себя, в первую очередь, визуальный контроль (внутренний и наружный осмотр).
В процессе обследования производится измерение толщин стенок котлов цистерн.При внутреннем и наружном осмотре и гидроиспытаниях выявляются дефекты сварных швов и основного металла котлов цистерн. При осмотре выявляются трещины, коррозионные язвины, изменения размеров и формы элементов и другие дефекты, которые могут возникнуть при изготовлении, монтаже, ремонте и эксплуатации котлов. Первоочередное внимание обращается на состояние сварных соединений и основного металла в местах концентрации напряжений (пересечения сварных швов, швы приварки горловин люков и штуцеров к обечайке, швы приварки лап и других
приварных устройств к котлу, район опор, район поддона и т.д.) Согласно расчетной документации [1,3] отклонения наружного (внутреннего)диаметра обечаек не должно превышать ± 1% номинального диаметра. Производится обследование и контрольный демонтаж разъемных соединений. При загрязнении осматриваемых элементов места предполагаемых неисправностей предварительно зачищаются.
При контроле сварных соединений и основного металла котла используются методы неразрушающего контроля, включая метод акустико-эмиссионного контроля (АЭ), который совмещается с гидро- и пневмоиспытаниями. Места контроля швов определяются индивидуально, предпочтительно в зонах Т-образных стыков, продольных швов, контролируемая длина швов 25...50%. При выявлении недопустимых дефектов объем контроля увеличивается вдвое и (или) проводится по индивидуальным схемам.
Согласно схеме проведения технического освидетельствования производится отбор цистерны-представителя для контрольных испытаний с целью определения остаточного ресурса. Проводятся : контрольные испытания цистерны-представителя, статические испытания, малоцикловые испытания на внутреннее рабочее и пробное давление, типовые и ресурсные ударные испытания, другие исследования (при необходимости).
Необходимость проведения других видов исследований (металлография, исследование химического состава, исследования методом акустической эмиссии и т.д.) определяется диагностирующей организацией на основании результатов диагностирования и имеющегося опыта проведения технического диагностирования ж.д. цистерн.
После проведения контрольных испытаний по определению остаточного ресурса цистерна-представитель подлежит списанию и не может быть допущена к дальнейшей эксплуатации и транспортировке по магистральным ж.д. путям.
Перед началом статических и динамических прочностных испытаний конструкции кузова опытного образца производилась наклейка тензорезисторов, распайка и проверка кабелей измерительных схем и разъемов аппаратуры, тарировка динамометрической автосцепки, а также проверка работы приборов с записью результатов в журнал испытаний.
Тензорезисторы располагаются на расстоянии 25 - 30 мм от сварного шва и 15 - 20 мм от кромки сопрягаемых деталей.
Рисунке 1. - Датчики деформаций установленные на раме и котле
вагона-цистерны
Нормативные продольные квазистатические усилия в соответствии с действующими нормами [1] принимались равными: - 2500 кН и + 2000 кН по I режиму и ±1000 кН по III режиму. Нагружение рамы осуществлялось ступенчато с шагом 500 кН и промежуточным анализом полученных данных. Статическая нагрузка от веса груза моделировалась заполнением котла вагона-цистерны водой. Замер напряжений проводился при пустом котле, а также при загрузке на 25, 50, 75 и 100% объема. Перед нагружением котла вагона-цистерны избыточным давлением произведен демонтаж предохранительного клапана и на освободившийся фланец подключен стенд гидравлических испытаний. Нагружение котла вагона-цистерны, полностью заполненного водой, выполнялось избыточным
давлением, создаваемым ступенями по 0,05 МПа от нуля до 0,50 МПа. Снижение давления до нуля производилось теми же ступенями. На каждой ступени нагружения последовательно регистрировались напряжения в исследуемых точках конструкции. После этого выполнялся слив воды из котла с замером напряжений при порожнем котле и производился повторный налив с замером напряжений при нулевом давлении и последующее нагружение избыточным давлением с тем же шагом, что и при первом наливе. За время испытаний выполнено три цикла нагружения-разгрузки котла вагона-цистерны избыточным давлением, продольными усилиями растяжения-сжатия и весом груза.
На следующем этапе экспериментальных исследований проводились ударные испытания вагона-цистерны. Ударные ресурсные испытания проводились в режиме многократных соударений сериями до 0,5 общего количества соударений, после чего вагон разворачивается и испытания завершаются. При всех видах ударных испытаний регистрируется скорость набегания вагона-бойка на испытуемый вагон, сила удара в автосцепку, число ударов, а также регистрируются возникающие при этом повреждения. [2]
При испытаниях на прочность при соударении имитируются ударные нагрузки, возникающие при маневровых работах. Проведение испытаний на соударения производят в светлое время суток на прямом участке пути с применением локомотива. Выполняется серия соударений вагона-бойка в загруженный вагон-цистерну, сцепленный с вагонами подпора. Величина сил соударения вагонов определяется по показаниям динамометрической автосцепки, а скорость соударений вычисляется по времени прохождения вагоном-бойком контрольной базы. Схема расположения вагонов при испытаниях на прочность при соударении приведена на рисунке 2.1 Режимы нагружений при испытаниях опытного образца на прочность при соударении представлены в таблице 1. Испытания на статическую прочность проводились на специальном стенде растяжения-сжатия (рисунок 2.2).
Таблица 1. - Режимы нагружения (испытания на прочность при соударении).
№ режима Диапазоны сил первого удара Количество соударений, не менее Промежуточный осмотр
1 от 1,0 до 1,5 МН 3 Производится после 3го удара
2 от 1,5 до 2,0 МН 3
3 от 2,0 до 2,5 МН 3
4 от 2,5 до 3,0 МН 3 Производится после каждого удара
5 от 3,0 до 3,5 МН 2
При испытаниях используются приборы и оборудование, указанные в таблице 2
Таблица 2. - Наименование приборов и оборудования.
Назначение средств испытаний Наименование средств испытаний Основные характеристики средств испытаний
Измерение толщины элементов котла Толщиномер ультразвуковой УТ-93П
Усилие соударения Автосцепка-динамометр Диапазон измерений (0,6 - 1000) мм Дискретность 0,1 мм Погрешность измерения + 1%
Создание удара Вагон-боек №3046 Диапазон измерений (0 - 3,5) МН
Удержание испытываемой цистерны при соударении Сцеп груженых заторможенных вагонов Масса 102,1 т
Проведение испытаний на соударение Прямолинейный участок ж.д. пути № 17Т Общая масса не менее 300 т
Измерение скорости соударения Секундомер электронный с таймерным выходом СТЦ-1 Колея 1520 мм, длина 130 м
Измерение деформаций Тензорезисторы КФ5 П1 Диапазон измерений от 0 до 999,999 с. Погрешность ± (15 10-6 Т+ С) Т - значение измеренного интервала времени, с. С - цена деления - 0,001 с
Продолжение таблици 2.
Система R = (100 ± 0,1) Ом
Измерение информационно- Коэффициент
геометрических измерительная тензочувствительности
параметров тензометрическая СИИТ- 3 2,1 - 2,2
Аппаратура Число каналов - 100
тензометрическая R = (100 - 400) Ом
на несущей частоте 8-АНЧ-26 Погрешность ± 1,5 %
Аналого- Количество каналов - 8.
цифровой Диапазон частот измеряемых
преобразователь сигналов при:
Е330 & = 10000 Гц (0 - 1500) Гц & = 20000 Гц (0 - 7000) Гц Погрешность от разной чувствительности к сигналам разной мощности: 0,1 при & = 10000 Гц 0,2 при & = 20000 Гц Погрешность от взаимовлияния между каналами: 0,2 при & = 10000 Гц, 0,4 при & = 20000 Гц
Рулетка Р-30 НЗК Количество каналов - 32. Погрешность + 1,2 %
Линейка Диапазон измерений (0-30000) мм
измерительная Цена деления - 1мм
металлическая Класс точности 3,0
Создание Насосная Диапазон измерений
внутреннего избыточного установка АНВ-112-18,5 (0 - 150) мм Погрешность ± 0,05 мм
давления
Манометр МТИ Подача номинальная 0,816 л/с Давление на выходе - 16 МПа
1 - балка продольная;
2 - балка поперечная передняя;
3 - балка поперечная задняя;
4 - планка регулировочная;
5 - шкворень;
6 - стойка продольной балки;
7 - шток;
8 - цилиндр гидравлический;
9 - заменитель поглощающего аппарата.
Материалы элементов конструкции цистерны модели 15-1408 и допускаемые напряжения приведены в таблице 4
Таблица 4. - Материалы элементов конструкции и допускаемые напряжения.
Наименование узлов и элементов, материал Предел текучес ти, ат, МПа Допускаемые н М апряжения, [а], Иа
I режим и ремонтный III режим Испыт. режим Режим соудар.
Хребтовая балка -сталь 09Г2С ГОСТ 19281-89 [25] 325 0,9 Ст 292,5 195 - 325
Шкворневая балка -сталь 09Г2С ГОСТ 19281-89 [25] 325 0,9 ст 292,5 195 - 325
Котел и его ээлементы -сталь 09Г2С-14 ГОСТ 5520-79 [7] 375 0,9кСт 303,75 207 ат/п 340,9 337,5
Передние, боковые балк раскосы - сталь 09Г2С ГОСТ 19281-89 [25] 325 0,95ст 308,75 205 - 325
k - коэффициент, учитывающий работу сосуда под высоким давлением; п - коэффициент запаса прочности
г
Испытуемый вагон
Рисунок 2.1
I юдпор
Схема расположения вагонов при испытаниях на прочность при соударен
Рисунок 2.2 - Схема стенда для проведения испытаний на продольные нагрузк
Выводы. По результатам проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
1.Проведенные статические и ударные испытания вагона-цистерны подтвердили, что его конструкция после проведения необходимого объема ремонта, определенного при использовании методики оценки ресурса, соответствует действующим нормативным требованиям и позволяет в достаточной степени утверждать о возможности эксплуатации такого вагона по путям общего пользования колеи 1520 мм.
2.Выполненная оценка усталостной прочности подтвердила работоспособность конструкции при многоцикловом нагружении.
3.Наименьший из полученных расчетно-экспериментальным методом коэффициентов запаса усталостной прочности (зона лап, т.9, n=2,2) превышает допускаемый "Нормами..." [1], чем подтверждается наличие у испытуемой цистерны остаточного ресурса свыше 5 лет.
Список литературы
1. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных), М., 1996 г.
2 Вагоны-цистерны и контейнеры-цистерны, выслужившие назначенный срок службы. Методика обследования технического состояния и контрольных испытаний (технического диагностирования), Мариуполь, 1993
3 РД 30277055.001-2000. Методика технического диагностирования котла для определения остаточного ресурса и возможности продления сроков службы
4 Третьяков А.В. Управление индивидуальным ресурсом вагонов в эксплуатации. -Дис.д.т.н., Санкт-Петербург, 2004.
