Научная статья на тему 'Оценка параметров вагона-цистерны для железных дорог Индии'

Оценка параметров вагона-цистерны для железных дорог Индии Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
150
26
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВАГОН-ЦИСТЕРНА / ЗАЛіЗНИЦЯ / ІНДіЯ / TANK CAR / RAIL / INDIA / ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА / ИНДИЯ

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Бубнов В. М., Кумар П., Богомаз Г. И., Соболевская М. Б., Цыбульский В. М.

Разработана безрамная конструкция четырехосного вагона-цистерны для перевозки нефтепродуктов пожелезным дорогам Индии с минимальными коэффициентами тары. На основе разработанной конструкторской документации построены конечно-элементные математические модели, проведены исследования напряженно-деформированного состояния элементов вагона-цистерны при различных режимах нагружения и дана оценка прочностных качеств конструкции в эксплуатации.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ESTIMATION OF PARAMETERS OF A TANK WAGON FOR RAILWAYS OF INDIA

On the basis of the developed design documentation a tank-car structure finite element mathematical model is created, and the analysis of stresses in elements of frameless tank-car for oil transportation on the Indian railways at various operational loading is carried out. The results of calculations are compared with the data of prototype tests.

Текст научной работы на тему «Оценка параметров вагона-цистерны для железных дорог Индии»

УДК 625.245.6

В.М. БУБНОВ, д-р техн. наук, профессор, ООО ГСКБВ (Украина) П. КУМАР, РИТЕС, Нью Дели, (Индия),

Г.И. БОГОМАЗ, д-р техн. наук, профессор, ИТМ НАНУ и НКАУ (Украина) МБ. СОБОЛЕВСКАЯ, ст. научн. сотр., ИТМ НАНУ и НКАУ (Украина) В.М. ЦЫБУЛЬСКИЙ, ИТМ НАНУ и НКАУ (Украина) И.К. ХРУЩ, ИТМ НАНУ и НКАУ (Украина)

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ВАГОНА-ЦИСТЕРНЫ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ИНДИИ

Розроблено безрамну конструкцш чотиривюного вагона-цистерни для перевезення нафтопродукпв по зал1зницях 1нди з мшмальними коефщентами тари. На основi розроблено! конструкторсько! документацп побудованi шнцево-елементш математичнi моделi, проведенi дослiдження пружньо-деформованого стану елементiв вагона-цистерни при рiзних режимах навантаження i дана оцшка мiцнiсних якостей конструкци в експлуатацп.

Разработана безрамная конструкция четырехосного вагона-цистерны для перевозки нефтепродуктов по железным дорогам Индии с минимальными коэффициентами тары. На основе разработанной конструкторской документации построены конечно-элементные математические модели, проведены исследования напряженно-деформированного состояния элементов вагона-цистерны при различных режимах нагружения и дана оценка прочностных качеств конструкции в эксплуатации.

On the basis of the developed design documentation a tank-car structure finite element mathematical model is created, and the analysis of stresses in elements of frameless tank-car for oil transportation on the Indian railways at various operational loading is carried out. The results of calculations are compared with the data of prototype tests.

В связи с необходимостью повышения провозной способности железных дорог актуальной задачей является создание вагонов-цистерн с минимальным коэффициентом тары, определяющим отношение массы тары к массе перевозимого груза. Снижение массы тары вагона-цистерны может быть достигнуто путем создания безрамной конструкции вагона-цистерны и использования высокопрочных сталей.

Головным специализированным конструкторским бюро вагоностроения ОАО "МЗТМ" разработана безрамная конструкция вагона-цистерны модели 15-1717 для транспортировки нефтепродуктов (бензин, дизельное масло, керосиновое масло, нефть, авиационное топливо, легкое дизельное масло) по колее индийских железных дорог шириной 1676 мм. Схема разработанной конструкции вагона-цистерны показана на рис. 1. Цилиндрическая обечайка котла, подкрепленная для увеличения жесткости конструкции четырьмя шпангоутами, составлена из трех частей: горизонтально расположенной средней и двух концевых, наклоненных к средней части под углом 1°. Между концевыми рамами в нижней части котла установлены два стрингера. Котел цистерны соединен с концевыми рамами продольными и поперечными связями. Основные несущие элементы

вагона-цистерны (котел, рама, опоры) изготовлены из высокопрочных сталей.

Основные технические параметры вагона-цистерны приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные технические параметры вагона

Параметр, размерность Значение

Вес тары, т 23,44

Грузоподъемность, т 57,84

Общий вес, т 81,28

Нагрузка на ось, т 20,32

Длина по осям автосцепки, мм 12420,00

База цистерны, мм 8391,00

Максимальная высота автосцепки, мм 1105,00

Расстояние между сливными устрой- 4140,00

ствами, мм

Длина по концевым балкам, мм 11491,00

Полный объем котла, м3 76,00

Внутренний диаметр котла, мм 2950,00

Габарит "X"

Математическая модель рассматриваемой конструкции цистерны построена с использованием программного комплекса, реализующего метод конечных элементов, на основе разработанной и представленной в электронном виде конструкторской документации. Для моделирования цилиндрической обечайки котла, под-

крепляющих ее элементов, концевых рам и ставлена из 45 946 конечных элементов и имеет

опор выбран конечный элемент пластины пре- 241 332 степени свободы.

имущественно прямоугольной формы, а для Оценка прочности конструкции цистерны

торосферических днищ - треугольный элемент проводилась в соответствии с Нормами [1] и

пластины. Модель вагона-цистерны (рис. 2) со- заданиями индийской стороны.

Рис. 1. Вагон-цистерна безрамной конструкции для железных дорог Индии

Рис. 2. Конечно-элемент

Различные режимы эксплуатации, в том числе пуск в ход и торможение, избыточное внутреннее давление, подъем за концевые рамы, моделировались соответствующим комплексом внешних статических нагрузок: весом жидкого груза как гидростатического давления; внутренним давлением, равномерно распределен-

I схема вагона-цистерны

ным по оболочке котла; продольными сжимающими и растягивающими силами, приложенными к автосцепке; весом конструкции и силами ее инерции от удара в автосцепку, задаваемыми с помощью ускорения, приложенного к элементам конструкции соответственно в вертикальном и продольном направлениях;

давлением от гидроудара, равномерно распределенным по поверхности переднего днища и цилиндрической обечайки. Величина давления от гидроудара Рг определялась как отношение силы инерции жидкого груза Ыи к площади вертикальной проекции днища и принималась по всей длине обечайки котла равной давлению на переднем днище (заднее днище считалось ненагруженным):

4 • N

и (1)

Рг =

N =■

%• в

вгр

2 '

вгр + в

-• N ,

(2)

где В - диаметр котла; N - продольно-тяговая сила; вгр - масса жидкого груза; вт - масса

тары.

Вес груза прикладывается в виде неравномерно распределенного давления Р. Изменение давления по высоте определяется как

(р) = аР = р-g,

ап

(3)

ус-

где р - плотность перевозимого груза; g корение свободного падения.

Ускорение а, приложенное к элементам конструкции для компенсации разницы между силой продольного удара и силой инерции груза, вычисляется по формуле

N - N

а = ■

вт

(4)

При воздействии на конструкцию продольных нагрузок рассматривались два вида граничных условий:

- при сжатии конструкция шарнирно опирается в месте крепления заднего упора автосцепки;

- при растяжении конструкция шарнирно опирается в месте крепления переднего упора автосцепки.

Рассмотрены шесть вариантов сочетаний расчетных нагрузок.

Iрасчетный режим:

1) сила продольного сжатия 2,5 МН, приложенная к заднему упору автосцепки;

2) равномерное внутреннее давление паров бензина 0,2 МПа;

3) давление гидроудара 0,26 МПа, определяемое по формуле (1) при N =2,5 МН;

4) вес груза, прикладываемый в виде неравномерно распределенного давления с

grad(Р) =7357,5 Н-м"3, вычисленного по формуле (3);

5) вес конструкции;

6) силы инерции конструкции, определяемые путем умножения масс ее элементов на ускорение а = 3 g , вычисленное по формуле (4) при N =2,5 МН.

Допускаемые напряжения для этого режима в соответствии с [1]:

- для полурам и опор котла 315 МПа;

- для котла 385 МПа.

В результате проведенных исследований установлено, что наиболее нагруженными зонами для этого режима являются (рис. 3):

- зона диафрагм шкворневой балки, где максимальные значения с экв =213 МПа;

- зона перехода от хребтовой балки к стрингеру, где максимальные сэкв =302 МПа;

- зона верхней части опоры сэкв < 295 МПа;

- зона торцовой части днища сэкв < 341 МПа.

0 43

86

129 172 215 258 301 344 385

- зона торцовой части днища сэкв < 341 МПа

Рис. 3. Наиболее нагруженные зоны (I режим)

11-й расчетный режим:

1) сила продольного растяжения 1,0 МН;

2) давление паров бензина 0,2 МПа;

3) давление гидроудара 0,104 МПа;

4) вес груза с grad(Р)=10300,5 Н-м-3 и с учетом коэффициента вертикальной динамики Кд=0,4;

5) вес конструкции с учетом коэффициента вертикальной динамики Кд = 0,4;

6) силы инерции конструкции, определяемые путем умножения масс ее элементов на ускорение а = 1,23§, вычисленное по формуле (4) при N =1,0 МН.

Допускаемые напряжения для этого режима:

- для полурам и опор котла 220 МПа;

- для котла 247 МПа.

Наиболее нагруженными зонами при этом режиме, так же, как и при I расчетном режиме, являются зона диафрагм шкворневой балки а экв < 142 МПа; зона перехода от хребтовой

балки к стрингеру а экв < 110 МПа; зона верхней части опоры аэкв < 215 МПа; зона торцовой части днища аэкв < 246 МПа.

III расчетный режим: 1) внутреннее давление 0,28 МПа. IVрасчетный режим: 1) давление 0,58 МПа.

Допускаемые напряжения для этих режимов составляют:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- для полурам и опор котла 318 МПа;

- для котла 409 МПа.

Наиболее нагруженной зоной при рассмотренных режимах является зона торовой части днища (рис. 4) аэкв < 191 МПа (для III режима)

и аэкв < 395 МПа (для IV режима).

63

84

105

126

147

Рис. 4. НДС торовой части днища (III режим)

V расчетный режим (по техническим требованиям индийской стороны):

1) подъем цистерны, груженной до номинальной грузоподъемности, под консоль хребтовой балки в сечении между упорами автосцепки и розеткой на одном конце вагона, с опиранием на пятник.

Допускаемые напряжения:

- для полурам и опор котла 315 МПа;

- для котла 405 МПа.

Наиболее нагруженные зоны: зона диафрагм шкворневой балки (рис. 5) аэкв < 312 МПа; зона перехода от хребтовой балки к стрингеру и

прилегающая к ней обечайка котла аэкв < 255 МПа.

VIрасчетный режим:

1) подъем цистерны, груженной до номинальной грузоподъемности, под концы одной шкворневой балки.

Допускаемые напряжения:

- для полурам и опор котла 315 МПа;

- для котла 405 МПа.

Наиболее нагруженные зоны: зона верхней части опоры аэкв < 246 МПа; зона на торцах

шкворневой балки аэкв < 191 МПа.

В целом анализ напряженно-деформированного состояния конструкции вагона-цистерны модели 15-1717 показал, что наиболее нагруженными являются торцовая часть днища и зоны перехода от хребтовых балок концевых рам к стрингеру.

Создан опытный образец вагона-цистерны для перевозки нефтепродуктов по железным дорогам Индии и проведены его натурные испытания при рассмотренных эксплуатационных режимах нагружения.

Результаты проведенных экспериметальных исследований опытного образца показали, что выбранные параметры конструкции обеспечивают допускаемый Нормами [1] уровень напряжений в несущих элементах вагона-цистерны для всех рассмотренных режимов эксплуатации.

2 38 72 106 140 174 208 242 278 312

Рис. 5. НДС шкворневой балки (V режим)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М.: ГосНИИвагоностроения - ВНИ-ИЖТ, 1996. - 319 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.