CC BY
102
УДК.629.463.3
Д.А. МОЙКИН, ст. научн. сотр., ПГУПС (Россия)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ БРАКОВОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ВЛИЯНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ВАГОНОВ-ЦИСТЕРН
Розглянута класифжащя бракувальних характеристик по мюцезнаходженню i впливу на працездатшсть BaroHiB-цистери, а також вплив дефектiв, що призводять до вм'ятин, днища котла на можливють його екс-плуатаци.
Рассмотрена классификация браковочных характеристик по местонахождению и влиянию на работоспособность вагонов-цистерн, а также влияние вмятинообразных дефектов днища котла на возможность его эксплуатации.
The paper presents the results of simulation of the strain-stress fields in the bottom of a tank-car with different damages. Aims of the further research are formulated.
Вагон-цистерна представляет собой сложнейший технический объект, который эксплуатируется в самых различных, зачастую весьма жестких условиях. Вагоны-цистерны к настоящему моменту составляют 13% общей численности вагонного парка, причем 83% из них составляют вагоны-цистерны для перевозки нефтепродуктов. При этом учесть все нюансы условий эксплуатации на стадии проектирования и даже опытной эксплуатации не представляется возможным. В связи с этим существенная часть цистерн рабочего парка имеет повреждения, в некоторых случаях приводящие к отказу. Одним из наиболее опасных типов повреждений являются повреждения несущей конструкции цистерны, и, в частности, наиболее ответственного узла несущей конструкции - котла цистерны. Установлено, что в настоящее время в эксплуатируемом парке около 2% нефтебен-зиновых цистерн имеют повреждения несущей конструкции котла, а в случае цистерн для перевозки химических продуктов доля поврежденных цистерн еще больше. В тоже время существует обратная ситуация, когда цистерна, подлежащая списанию по сроку службы, обладает значительным неизрасходованным ресурсом. Таким образом, решение проблемы повышения безопасности и экономической эффективности перевозок грузов вагонами железнодорожного транспорта может заключаться в дифференцированном подходе к назначению межремонтных, полных и новых сроков службы вагонов на основе выбора комплекса браковочных характеристик и методики выявления повреждений несущих конструкций вагонов.
На первом этапе был произведен выбор комплекса браковочных характеристик повреждений несущих конструкций вагонов-цистерн.
Повреждения несущих конструкций вагонов-цистерн имеют весьма разнообразные причины возникновения и места локализации. В результате обобщения статистической информации о повреждениях несущих конструкций вагонов-цистерн и данных сравнительных испытаний можно выявить основные закономерности появления и развития повреждений (табл.).
В связи с тем, что самый большой ресурс в конструкции вагона-цистерны имеет её котел, в дальнейшем будет рассматриваться определение браковочных характеристик котлов нефте-бензиновых вагонов-цистерн.
В настоящий момент в существующем парке железнодорожных цистерн преобладают цистерны с котлами 62 калибра, собранными из продольных листов (модели 15-1443, 15-1547, 15-1672). Основным материалом для изготовления этих котлов служит низколегированная сталь 09Г2С, гораздо реже, в основном у котлов старой конструкции, встречается сталь 09Г2 или ВСт3сп5. В связи с этим в дальнейших исследованиях конструкция котла модели 15-1443 изготовленного из стали 09Г2С принимается за основную.
Основными вопросами, возникающими при определении браковочных характеристик вагонов-цистерн, являются оценка степени влияния повреждений на несущую способность вагонов и определение изменения остаточного ресурса вагона с повреждениями относительно неповрежденного вагона. При этом необходимо учитывать, что сложившаяся практика капитальных и капитально-восстановительных ремонтов предполагает восстановление ресурса вагона-цистерны путем замены поврежденных рам и ремонтом котла как наиболее ценной части вагона.
Для решения этих вопросов были проведены теоретические исследования по оценке несущей способности котлов нефтебензиновых цистерн со следующими типами повреждений: деформации днища котла; коррозионный износ котла.
Вмятины на днище котла являются одним из весьма распространенных типов повреждений котлов цистерн. По некоторым экспертным оценкам до 30% цистерн, приходящих на
Таблица.
Повреждения несущих конструкций четырехосных нефтебензиновых вагонов-цистерн
№ Повреждение Причина возникновения Развитие и последствия
1 2 3 4
1 Вмятины и трещины в зоне продольного сварного шва, соединяющего панели обечайки котла, в верхней части опоры котла - конструктивная концентрация напряжений; - превышение грузоподъемности цистерны в эксплуатации; - повышенные скорости соударений при маневровых работах - открытие течи; - развитие трещины и разрушение обечайки;
2 Трещина вдоль нижней образующей котла в зоне опоры - те же - те же.
3 Трещины обечайки котла в зоне сливного прибора - конструктивная концентрация напряжений; - открытие течи.
4 Трещины в зоне приварки кронштейнов лестницы к котлу - концентрации напряжений в сварных швах приварки - развитие трещины и открытие течи.
5 Трещины обечайки в зоне приварки фасонных лап крепления котла к раме - высокий уровень напряжений в зоне лап при маневровых работах; - начальные трещиноподобные дефекты сварных швов. - открытие течи; - развитие трещины и разрушение обечайки котла; - нарушение связи "рама - котел" и сброс котла.
6 Трещины обечайки в зоне приварки горловины люка-лаза. - конструктивная концентрация напряжений; - дефекты сварных швов. - нарушение герметичности котла.
7 Трещины в зоне соединения обечайки котла с днищем - высокие напряжения от гидроудара; - дефекты сварных соединений. - развитие трещины и нарушение целостности котла.
8 Деформации днища котла - аварийные ситуации; - нарушение габаритных ограничений; - нарушение правил погрузки и крепления грузов. - снижение прочности и устойчивости оболочки.
9 Трещины в зоне шкворневого узла рамы цистерны - многоцикловая усталость вследствие боковой качки вагона; - малоцикловая усталость при продольных эксплуатационных нагрузках; - дефекты сварных соединений. - возможно развитие трещин и разрушение хребтовой балки.
10 Трещины хребтовой балки в зоне крепления тормозного цилиндра - конструктивная концентрация напряжений; - инерционные нагрузки при маневровых соударениях. - То же.
Продолжение таблицы 1.
1 2 3 4
11 Локальная потеря устойчивости верхней полки хребтовой балки - внецентренное приложение нагрузок сжатия при деформировании задних упоров автосцепного устройства; - передача ударных сжимающих нагрузок через ударную розетку при деформировании задних упоров и корпуса поглощающего аппарата. - причины возникновения повреждения приводят в дальнейшей эксплуатации к искривлению хребтовой балки в целом.
12 Искривление консольной части хребтовой балки - то же - потеря хребтовой балкой несущей способности.
13 Выпучивание верхнего листа хребтовой балки в районе автосцепного устройства - маневровые соударения с значительным эксцентриситетом приложения продольной нагрузки. - отрыв верхнего листа хребтовой балки; - перекос и повреждение поглощающего аппарата; - деформации задних упоров автосцепного устройства
14 Трещины сварных швов крепления фасонных лап рамы к хребтовой балке. - высокий уровень напряжений в зоне лап при маневровых работах; - начальные трещиноподобные дефекты сварных швов. - в некоторых случаях развитие трещины на хребтовую балку.
промывочно-пропарочные станции, имеют вмятины на днище различной глубины и местоположения.
Для определения влияния такого повреждения был проведен комплекс исследований, решающий следующие задачи:
- анализ статической прочности днища котла цистерны с вмятиной и определение наихудших параметров вмятины с точки зрения прочности;
- анализ процесса деформирования днища котла при квазидинамическом нагружении и определение критических параметров на-гружения с точки зрения обеспечения прочности котла;
- анализ развития микроповреждений днища котла в зоне вмятины при квазидинамическом нагружении и влияния их на остаточный ресурс котла.
В связи с высокой сложностью аналитического описания напряженно-деформированого состояния днища котла с повреждением типа вмятины в процессе исследования использовался метод конечных элементов (МКЭ), реализованный на базе рабочей станции с процессором Intel Coopermine с применением прикладного программного обеспечения МКЭ Ansys 5.5.1. Адекватность использованных алгоритмов данного программного продукта подтверждена сертификатом ISO 9001. Для исследования ста-
тического линейного напряженно-деформированного состояния в конечно-элементной модели использовались оболочечные конечные элементы с переменным порядком полинома функции формы (р-элементы). Применение таких элементов позволило в процессе исследования получать напряженно-деформированное состояние модели с заданной вычислительной погрешностью. Сетка конечных элементов формировалась адаптивно с увеличением плотности сетки в зоне повреждения с учетом вероятных градиентов напряжений. В исследовании анализировалось напряженно-деформированное состояние котла, при первом и третьем режимах нагружения согласно «Норм по расчету и проектированию грузовых вагонов...». При первом режиме котел одновременно нагружался:
- продольным ускорением 3,5x9,81 м/с2 и соответствующим гидравлическим квазидинамическим давлением груза, распределенным по оболочке котла по линейно нарастающему вдоль продольной оси вагона закону;
- собственным весом и весом груза, распределенным по оболочке котла как гидростатическое давление.
При третьем режиме котел нагружался:
- продольным ускорением 1x9,81 м/с2 и соответствующим гидравлическим квазидинамическим давлением груза, распределенным
по оболочке котла по линейно нарастающему вдоль продольной оси вагона закону;
- собственным весом и весом груза, распределенным по оболочке котла как гидростатическое давление, с учетом коэффициента динамики, который рассчитывался по формуле 2.1 «Норм...».
- боковым ускорением и соответствующим гидравлическим квазидинамическим давлением груза, распределенным по оболочке котла по линейно нарастающему по горизонтали перпендикулярно продольной оси вагона закону; величина ускорения рассчитывалась из расчетного значения рамной силы и боковых сил (согласно «Норм.»). Для обеспечения адекватных условий закрепления в модели была реализована часть опоры с опорными брусками и площадкой их опира-ния. Свойства материала конечных элементов имитирующих опорные бруски принимались в соответствии с приложением 15 «Норм.» (лиственница).
Закрепления к расчетной схеме прикладывались в узлах соответствующих зонам опира-ния брусков на опоры и верхний лист шкворневой балки в направлении перпендикулярном поверхности опирания.
Кроме указанных выше было проведено исследование влияния на несущую способность длинноразмерных изменений формы и износа обечайки котла, которые возникают в результате: перегрузки вагона вследствие перевозки нефтепродуктов тяжелых марок в бензиновых цистернах; нарушения правил эксплуатации при проведении разгрузочных и промывочно-пропарочных работ; неисправности впускного клапана и коррозионный износ обечайки котла. В результате были получены допустимые глубины вмятинообразных повреждений котла цистерны, при различных толщинах элементов её обечайки.
В результате проведенных теоретических исследований установлено следующее: 1. все многообразие повреждений несущей конструкции котлов нефтебензиновых цистерн можно разделить на две категории: изменения формы оболочки котла и трещи-
ны сварных швов и основного металла. В свою очередь изменения формы оболочки можно разделить на деформации, вызванные нарушением условий эксплуатации (вмятины днища и обечайки), и вмятины в зоне лежневых опор, вызванные систематическим перегрузом цистерн;
2. днища котлов цистерн с вмятинами глубиной не более 300 мм и радиусом перехода металла вмятины к основному металлу днища не менее 100 мм имеют значительный запас прочности по критериям предельных деформаций (более 5), статического трещинообразования (2,42) и усталостного трещинообразования (4,09);
3. оценка возможности эксплуатации котлов с вмятинообразными повреждениями днища должна производится из условий отсутствия значительных трещин в зоне сварных швов, затронутых вмятиной, и в местах наклепа и перегиба металла днища, а также из условий коммерческой допустимости уменьшения полезного объема котла;
4. наиболее опасным видом вмятинообразных повреждений обечайки котла являются длинноразмерные изменения формы котла, соответствующие первой форме потери устойчивости (проседание и наклон верхней части обечайки, вмятость боковой части). При этом основным критерием несущей способности котла является устойчивость оболочки под действием внешнего давления;
5. полученные в результате исследований зависимости допускаемой глубины вмятино-образных повреждений днища обечайки от толщины ее частей позволяют с необходимой точностью оценить возможность эксплуатации цистерн с данным видом повреждений.
В дальнейших исследованиях предполагается выявить влияние местоположения и величины вмятинообразных дефектов цилиндрической части котла на его устойчивость в зависимости от величины коррозии его элементов.
