CC BY
39
УДК 629.4.015:629.463.32
Р. I. В1ЗНЯК, А. О. ЛОВСЬКА (УкрДАЗТ, Харюв)
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ДИНАМ1КИ ВАГОН1В-ЦИСТЕРН ПРИ ПЕРЕВЕЗЕНН1 IX ЗАЛ1ЗНИЧНО-ПОРОМНИМ СУДНОМ В УМОВАХ МОРСЬКО1 КАЧКИ
У статл наведено результати дослвдження динамши вагона-цистерни при перевезенш його зал1знично-поромним судном в умовах морсько! качки з урахуванням недоливу котла наливним вантажем та р1зних ку-рсових купв хвил1 по вщношенню до корпусу судна. Визначено величини прискорень, яш виникають за да-них умов експлуатаци та спричиняють вплив на мщшсть та стшшсть вагошв вщносно палуби судна.
В статье представлены результаты исследований динамики вагона-цистерны при перевозке его железно-дорожно-паромным судном в условиях морской качки с учетом недолива котла наливным грузом и различных курсовых углов волны по отношению к корпусу судна. Определены величины ускорений, которые возникают при данных условиях эксплуатации и оказывают воздействие на прочность и устойчивость вагонов относительно палубы судна.
The article is dealt with the results of dynamics research of cistern car while transporting it by the railway-ferry ship in conditions of sea rolling and pitching taking into account the incomplete filling of boiler by the bulk cargo and different wave route movement in relation to the ferry ship body. The acceleration values, which appear in the given conditions of its operation and make impact on the car strength and stability relative to the ship deck, have been determined.
Постановка проблеми
У тепершнш час, коли шдвищення штен-сифшаци взаемоди окремих галузей транспортного процесу Укра!ни забезпечуе прискорення штегрування и складових у систему мiжнарод-них транспортних коридорiв, одшею з важли-вих комбшацш у цьому напрямку е затзнично-поромш перевезення, тому покращенню ефек-тивносп !х експлуатаци необхщно придшити особливу увагу з метою вщпрацювання прин-ципово нових техшчних ршень.
Зараз в Укра!ш експлуатуються чотири по-ромш маршрути: Тамань - Керч (Роая - Укра!-на), Iллiчiвськ - Варна (Укра!на - Болгарiя), Iллiчiвськ - Поп - Батумi (Укра!на - Грузiя), Iллiчiвськ - Дериндже (Укра!на - Туреччина) ^ враховуючи подальшi темпи розвитку нових транспортних шляхiв, це далеко не остання цифра.
Питанню розмщення та надiйностi закрш-лення вагошв вiдносно палуб затзнично-поромних суден необхщно придшяти особливу увагу, оскшьки вiд цих факторiв, головним чином, залежить остiйнiсть поромних суден, а також збереження затзничного рухомого складу i вантажiв.
Анатз статистичних даних аварiйних ситу-ацш поромних суден з вагонами на борту до-зволяе у першому наближеннi зробити висно-вок, що головною причиною зниження остшно-ст судна е змiщення вагонiв зi сво!х штатних
мiсць щодо заданого каргоплану в умовах морсько! качки судна.
Аналiз останнiх дослщжень
Вiдомо, що залiзнично-поромнi переправи здшснюють перевезення широко! номенклату-ри вантаж1в, серед яких одним iз найпошире-нiших е наливнi у вагонах-цистернах (напри-клад, в 2007 р. обсяг перевезень наливних ван-ташв через Iллiчiвський поромний комплекс склав 79 тис. т, а через комплекс морсько! зат-знично! поромно! переправи в порту «Крим» -
920 тис. т)1.
Вперше перевезення вагонiв-цистерн через водну перешкоду вщбулося пiд час Велико! Вiтчизняно! вшни, саме тодi у стратегiчних щ-лях необхiдно було здiйснити переправу наливного вантажу через р. Волга, а за вщсутност перехщного моста зчепи з котлiв вагошв-цистерн спускали на воду i переправляли !х таким чином за допомогою буксира.
Пiзнiше почали перевозити вагони-цистерни за допомогою спещально переобладнаних для цього суден, наприклад, в 1962 р. був переоб-ладнаний однопалубний лiхтер «1шимбай», який використовувався для перевезення затз-ничного рухомого складу iз Баку в порти швш-чного та схвдного прибережжя Каспiю.
1 частка наливного вантажу у загальному обсягу 1мпортних перевезень через поромну переправу «Крим - Кавказ» у 2007 р. склала практично 100 %.
© В1зняк Р. I., Ловська А. О., 2010
У зв'язку з розширенням географп пором- дженню динамiки вагонiв-цистерн за умови
ного сполучення, пiдвищенням швидкостей ру- знаходження на поромних суднах при слщку-
ху, i таким чином, мшiмiзацiею часу перевезень ваннi акваторieю моря (рис. 1). особливу увагу необхщно придiлити досл>
Рис. 1. Розмщення вагошв-цистерн на палубах зал1знично-поромних суден пвд час руху морем:
а) «Герои Одессы»; б) «Петровск»
Викладення основного матерiалу
Суттевий вплив на безпеку руху вагошв-цистерн i стiйкiсть проти перекидання у склавд по!зда мае недолив котла наливним вантажем. Згiдно дослiджень проф. Г. I. Богомаза (Д11Т), величина недоливу в експлуатаци складае при-близно 0,1.. .0,5 радiусу котла [1].
Тому вважаемо, що актуальним е досл> дження динамiки вагонiв-цистерн при перевезены !х поромними суднами в умовах морсько-го хвилювання з урахуванням недоливу котла наливним вантажем та рiзних курсових кутiв хвилi по вiдношенню до корпуса поромного судна, що може суттево вплинути на надiйнiсть перевiзного процесу i експлуатаци комбшова-ного транспорту.
При побудовi наближено! до реальних умов фiзичного процесу коливань математично! мо-делi було враховано технологiю перевезення вагошв вiтчизняними поромними суднами, прийнята на Iллiчiвськом поромному комплексу де для обмеження перемiщень вагошв шд надресорнi балки встановлюються мехашчш упор-домкрати з метою обезвантаження елеме-нтiв ресорного пiдвiшування, згiдно [2], а та-кож технологiя, що застосовуеться на ДП «ТИС-Крим», де для скорочення часу простою поромних суден закршлюють тiльки крайнi вщ ахтерштевня вагони, згiдно [3].
При традицшному пiдходi до розрахунку котла вагона-цистерни приймаються наступнi припущення: основна маса наливного вантажу закрiплюеться ковзаючою по стiнках котла кри-шкою, внаслiдок чого стае можливим моделю-вати його як маятника на бiфiлярному1 пiдвiсi, що значно спрощуе розрахунок [4].
З метою визначення величини прискорення вагошв-цистерн в умовах хвилювання моря були складенi диференцiйнi рiвняння !х руху для основних видiв морсько! качки (вертикально! (1), кшьово! (2) та бортово! (3)) з урахуванням гiдрометеорологiчних умов акваторп плавання суден з використанням принципу Лагранжа II роду та !х розв'язання.
В якостi узагальнено! координати кожного члену диференцшного рiвняння враховувалися перемiщення: 1) залiзнично-поромного судна вiдносно поверхнi моря; 2) перемщення, яке зумовлено наявшстю вшьно! поверхнi наливного вантажу; 3) котла вагона-цистерни посеред-ництвом роботи ресорного шдвшування, наливного вантажу та поромного судна.
Для визначення приеднаного моменту шер-цл наливного вантажу в умовах кшьово! та бортово! видiв качки використовувалася методика члена УАН, проф. С. Ф. Фещенко [5].
Розв'язання рiвнянь здiйснювалося за допо-могою програмного комплексу MathCad.
Результати проведеного дослiдження наведено у виглядi графiкiв на рис. 2 - 6.
<1 х % - ЪП х % + СП х % = ^ ((); а22 (%2 + ) + Ь22 (%2 + + С22 2 + <?1) = < = ^ (0; (1) а3зз(4з + Ъ + я) + Ь3з(Яз + + Я) + + 4^3 + + = ^ (().
1 б1фшярний (в1д б1ф1ляр (бь + лат. «Шиш» -нитка)) - той, що складаеться 1з двох ниток (шд-в1ав).
ап ХФ: - Ьи ХФ: + сп Х(Р: = ^ (0; «22 (Ф2 + фф1) + Ь22 (Ф2 + Ф1) + (фф2 +
-+Ф1) = К* а); (2)
°33 (фз + Рр2 + РР1) + Ьзхз(фз + Ф2 + Ф1) +
+ Сз(Ф3 +Ф2 +Ф1) = ^ (Г).
Х01 Х01 + су Х01 = ^¡с (г);
«2у2 (002 + 001) + ЪУ22 (02 + 01) + Су2 (02 +
-+01) = ^ ((); (3)
ау3 (00 3 + 00 2 + 001 )+ь3у3(03 +02 +01) +
+Сзуз(0 з +0 2 +01) = (Г),
де а1г1, а2 2, а3 3 - маса та моменти iнерцi! (вщно-сно поздовжньо! та поперечно! осей) поромно-го судна, наливного вантажу (бензин1) та ваго-на-цистерни;
Ь11, Ь2 2, Ь33 - складовi потенцiйно! енергi! по-ромного судна, наливного вантажу та вагона-цистерни при вертикальнш, кiльовiй та борто-вiй видах качки;
с11, с22, с33 - коефiцiенти опору вертикальнш, кшьовш та бортовiй видам качки поромно-го судна, наливного вантажу та вагона-цистерни;
¡1,2,3, #1,2,3, ¡1,2,3, ф1,2,3 , Ф1,2,3 , ф1,2,3, 01,2,3 , 001,2,3,
001 2 3 - вщповщно, узагальнеш координати,
швидкостi та прискорення при вертикальнш, кшьовш та бортовш видах качки;
Ц), ^ (^), ^ (^) - вiдповiдно, збурюючi
зусилля, яю дiють на поромне судно, наливний вантаж та вагон-цистерну при вертикальнш, кшьовш та бортовш видах качки.
При дослщженш динамши вагонiв-цистерн з урахуванням обезвантаження !х ресорного тд-вiшування, зазначену вище систему доцшьно звести до розв'язання двох диференцшних рiв-нянь руху, першим з яких описуеться перем> щення поромного судна вщносно поверхнi моря, а другим - наливного вантажу:
«пХ ¡¡1- ь1г1Х ¡1 + СпХ ¡1 = ^пгс(0; - «22 (¡2 + ¡1) + ^2 (¡2 + ¡1) + (4) + С22 (¡2 + ¡0 = ^ ((),
«1х1Х Ф- Ь1Х1ХФ1 + с1х1 Х(Р1 = ^ ({); - «2.2 (Ф2 + ФО + ь22 (Ф2 + Ф1) + (5)
+ С2х2(Ф2 +Ф1) = FHв ((),
<1 Х001 -Ь1 Х01 +<1 х 01 = ^ (г); - «22(00 2 + 001 ) + Ь2У2(02 +01) + (6)
+ С2у2(02 +01) = ^ (г).
На рис. 2 наведено динамшу прискорень ва-гонiв-цистерн при вертикальнш качщ затзнич-но-поромних суден «Петровск» (однопалубне судно, що здатне перевозити по 25 затзничних вагошв; на палубi порому даного типу е чотири залiзничнi колi! для завантаження та розм> щення вагошв) (рис. 2, а) та «Герои Шипки» (трьохпалубне судно, яке може прийняти на свш борт 108 затзничних вагонiв; для подачi вагошв на верхню та трюмну палуби пором об-ладнаний гiдравлiчним лiфтом, а для встанов-лення !х на штатнi мiсця передбачено судовi локомотиви - унiлоки) (рис. 2, б).
Отримаш величини прискорень вагошв-цистерн в умовах кiльово! качки затзнично-поромного судна «Петровск» з урахуванням пдрометеоролопчних факторiв акваторi! пла-вання, якi враховувалися при побудовi матема-тично! моделi, мають невелике значення, тому !х графiки не наводяться.
На рис. 3 наведено прискорення вагошв-цистерн при бортовш качщ затзнично-пором-ного судна «Петровск» для вагошв, розмщених на крайнш та на другш вiд фальшборту колiях. Як видно з графшв, величини прискорень мають приблизно однакову величину.
Найбшьша величина прискорень при вертикальнш качщ залiзнично-поромного судна «Герои Шипки» приходиться на вагони верхньо! палуби судна (рис. 2, б), при кшьовш та бортовш - на найбшьш вщдалеш вщ точки ди збу-рюючо! сили вагони (рис. 4, 5).
Загальна величина прискорення буде скла-датися з прискорення вагона вщносно палуби поромного судна та складово! прискорення в> льного падшня.
Отриманi величини прискорень вагошв-цистерн при перевезеннi !х морем перевищують допустимi, якi встановленi для експлуатацшних умов на залiзничних колiях [6]. Наприклад, з урахуванням допустимо! ощнки ходу вагона величина горизонтального прискорення кузова вантажного вагона в навантаженому сташ складае 0,45^. В нашому випадку, при бортовш качщ затзнично--поромного судна, загальна величина прискорення склала 0,53^, що пере-вищуе допустиме значення на 15 %.
1 Бензин е одним з найб1льш обертових у зал1з-нично-поромному сполученш наливних вантаж1в.
а) б)
Рис. 2. Пpиcкopeння вагoна-циcтepни при вepтикальнiй качцi залiзничнo-пopoмнoгo cyдна. Кypcoвi кути xßrai по вiднoшeнню до корпуса поромного cyдна:
Z1 S = 00;Z2 S = з00;Zз S = 450;Z4 S = б00;Z5 S = 900;Zб S = 1200;Zl S = 1з50;ZS S = 1500;
Y ,S 5 y ,8 5 Y ,8 5 Y ,8 5 Y ,8 5 Y ,8 5 Y ,8 5 Y ,8 >
Z9y,8 = 1800; Z1y1 - час провдсу:
а) для вагона-цистерни, poзмiщeнoгo на налyбi поромного судна «Пeтpoвcк»; б) для вагoна-циcтepни, poзмiщeнoгo на вepxнiй налyбi поромного судна «repon Шипки»
Рис. з. Пpиcкopeння вагoнiв-циcтepн при бopтoвiй качщ залiзничнo-пopoмнoгo cyдна «Пeтpoвcк»:
а) для крайнього вiд фальшборту вагoна-циcтepни; б) для другого вщ фальшборту вагона-цистерни
Рис. 4. Прискорення вагошв-цистерн при шльовш качщ зал1знично-поромного судна «Герои Шипки»:
а) для вагона-цистерни, який знаходиться в ахтерштевневш частит поромного судна; б) для вагона-цистерни, який знаходиться в мщелевш частит; в) для вагона-цистерни, який знаходиться у форштевневш частит
"1, - 2
а)
б)
/ N / \
✓ 74 / / /-7—Г ■ / \
\\\ \ч\ / / / ! / > / / / / /
Хул / / / / ' / / / / / / / У /
у / /
Ч \ ч \ \
ч \ х Ч \ \ ч \ \ Ч ^ V \ ч ••. \ \ —
\\\ ' у**— / У '
в) 211. 1
Рис. 5. Прискорення вагонiв-цистерн при бортовiй качщ залiзнично-поромного судна «Герои Шипки»:
а) для крайнього вiд фальшборта вагона-цистерни; б) для другого вiд фальшборта вагона-цистерни; в) для вагона-цистерни, розмщеного на середнш коли поромного судна
Висновки
Результати проведеного дослщження дозво-ляють оцшити загальну величину прискорень вагошв-цистерн при перевезенш 1х поромним судном в умовах хвилювання моря та з ураху-ванням недоливу котл1в наливним вантажем.
Завдяки чому стае можливим покращити кое-фщ1ент стшкосп вагошв проти перекидання шляхом обирання найбшьш сприятливого мюця 1х розмщення вщносно палуби поромного судна.
4
2
0
- 4
0
5
10
15
г!
3
2
0
-1
-2
3
0
10
15
г!
4
2
0
2
4
0
10
15
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Богомаз, Г. И. Динамика железнодорожных вагонов-цистерн [Текст] / Г. И. Богомаз. - К.: Наук. думка, 2004. - 224 с.
2. Единый технологический процесс работы берегового паромного комплекса Ильичевск [Текст]. - Д.: ДИИТ, 1987. - 126 с.
3. Технологический процесс работы станции Крым Приднепровской железной дороги и «Комплекса морской железнодорожной паромной переправы» в порту Крым [Текст]. -Керчь, 2004. - 56 с.
4. Черкашин, Ю. М. Динамика наливного по!'зда [Текст] / Ю. М. Черкашин // Тр. ЦНИИ МПС. -Вып. 543. - М.: Транспорт, 1975. - 136 с.
5. Методы определения присоединенных масс жидкости в подвижных полостях [Текст] / С. Ф. Фещенко и др. - К.: Наук. думка, 1969. -250 с.
6. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) [Текст]. - М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 319 с.
Надшшла до редколегп 28.12.2009.
Прийнята до друку 14.01.2010.
