CC BY
42УДК 629.4.02
DOI: 10.24412/CL-35807-2021-1-16-21
ВАГОН-ЦИСТЕРНА СОЧЛЕНЕННОГО ТИПА ДЛЯ СЖИЖЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ. МОДЕЛЬ 15-9541-01
ARTICULATED TANK-CAR FOR LIQUEFIED HYDROCARBON GASES. MODEL 15-9541-01
Лобанов М. С., инженер-конструктор 1 категории ООО «ВНИЦТТ» Агинских М. В., руководитель отдела «Цистерны»» ООО «ВНИЦТТ» Брусенцов С. А., ведущий инженер-исследователь ООО «ВНИЦТТ» Федоров С. А., кандидат техн. наук, заместитель исполнительного директора/ директор дирекции проектирования грузовых вагонов ООО «ВНИЦТТ» Шевченко Д. В., кандидат техн. наук, директор научно-исследовательской дирекции ООО «ВНИЦТТ»
Всесоюзный научно-исследовательский центр транспортных технологий (входит в холдинг ПАО «НПК ОВК»), Российская Федерация, 197046, Санкт-Петербург, Петроградская набережная, д. 22, лит. А, пом. 38-Н, Тел: 8 (812) 655-59-10, Факс: 8 (812) 655-59-12, E-mail: info@tt-center.ru
Lobanov M. S., Engineer-Designer of the 1-st category, LLC "VNICTT" Aginskikh M. V., Head of the Department "Tank cars", LLC "VNICTT" Brusentsov S. A., Lead Research Engineer, LLC "VNICTT"
Fedorov S. A., Candidate of Technical Sciences, Deputy Executive Director/Director of the Directorate for freight cars design, LLC "VNICTT" Shevchenko D. V., Candidate of Technical Sciences, Director of the Directorate for research-and-development, LLC "VNICTT" All-Union Research and Development Centre for Transportation Technologies (part of the holding PJSC "RPC UWC"), room 38-Н, bld. 22, letter A, Petrogradskaya emb., 197046, St. Petersburg 8 (812) 655-59-10, fax: 8 (812) 655-59-12, E-mail: info@tt-center.ru
Предмет: Проектирование вагона-цистерны сочлененного типа для сжиженных углеводородных газов. Модель 15-9541-01. Тема: проведение научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ и испытаний вагона-цистерны. Цель: Разработка вагона-цистерны для сжиженных углеводородных газов с реализованной полной осевой нагрузкой от колесной пары на рельс до 25 тс. Методы: Научно-исследовательские работы выполнены с применением метода конечных элементов для оценки прочности и сопротивления усталости, опытно-конструкторские работы выполнены методами трехмерного моделирования в программной системе NX Siemens. Для испытаний использованы стандартизованные методы [10, 11]. Результаты: В 2019 году началась подконтрольная
Введение
Сжиженные углеводородные газы (далее — СУГ) считаются одним из наиболее распространенных видов топлива, перевозимых в вагонах-цистернах. В существующем подвижном составе осевая нагрузка ходовых частей не используется в полной мере по причине особенностей физико-химических свойств СУГа (низкая плотность).
Для выбора эффективных параметров разрабатываемой конструкции было проведено маркетинговое исследование, включающее в себя анализ потребности рынка в данном типе вагонов-цистерн, существующих моделей для перевозки, возрастную структуру парка (общее количество вагонов на тер-
эксплуатация вагона-цистерны, получены первые результаты в рамках плановых осмотров вагонов-цистерн. Область применения: Полученные результаты разработки возможно использовать при создании новых моделей сочлененных вагонов-цистерн и их узлов, четырехосных безрамных конструкций. Проведенные испытания позволили усовершенствовать, дополнить имеющиеся методики испытаний, что положительно скажется на проведении испытаний новых вагонов сочлененного типа. Подтверждение эффективности эксплуатации сочлененных вагонов-цистерн уменьшает риски при создании аналогичных конструкций. Выводы: Выполненный проект позволил впервые реализовать полную осевую нагрузку от колесной пары на рельс 25 тс при перевозке сжиженных углеводородных газов. Технические решения, использованные в конструкции, подтверждены рядом зарегистрированных патентов. Начата подконтрольная эксплуатация, призванная подтвердить заложенные инновационные решения.
Subject: Design of articulated tank-car for liquefied hydrocarbon gases. Model 15-9541-01. Subject: Performance of experimental-design and research and development works and tests for the tank-car. Purpose: Development of a tank-car for liquefied hydrocarbon gases with full axle load from the wheelset onto the rail up to 25 tf. Methods: Research and development works have been performed with the use of finite element method in order to assess strength and fatigue resistance; experimental-design works have been performed by means of three-dimensional simulation in the NX Siemens software system. The tests have been performed with the use of standardized methods [10, 11]. Results: In 2019 un-der-control operation of the tank-car was started and the first results (within tank-cars scheduled inspections) were obtained. Scope of Application: Obtained results of the development can be used in designing new models of articulated tank-cars and their assemblies as well as four-axle center-silless structures. Performed tests made it possible to improve and complete existing test methods, that will have a positive effect on the tests to be performed for new rail cars of articulated type. Confirmed efficiency of operational use of articulated tank-cars reduces the risks in designing similar structures. Conclusions: Developed project made it possible to consider full axial load from the wheelset onto the rail, equal to 25 tf, during transportation of liquefied hydrocarbon gases, technical solutions used in the design have been confirmed by the set of registered patents. Under-control operation was started in order to confirm offered innovative solutions.
Ключевые слова: вагон-цистерна, безрамная, опирание котла на раму, вагон сочлененного типа, узел сочленения, сжиженный углеводородный газ.
Keywords: tank car, without center sill, tank resting on the frame, car of articulated type, articulation assembly, liquefied hydrocarbon gases.
ритории РФ и СНГ, средний возраст, ожидаемое выбытие парка — списание по окончанию назначенного срока службы), структуру перевозимых грузов и объемы перевозок. По результатам исследования были определены предварительные технико-экономические параметры перспективных вагонов.
Было показано, что для улучшения технико-экономических параметров существующих четырехосных моделей вагонов-цистерн необходимо увеличивать объем котла. Такое увеличение возможно только за счет применения увеличенного габарита (7пр), однако, его использование требует дополнительных исследований и согласования маршрутов курсирования.
Подход, когда увеличение объема котла достигается за счет увеличения его длины, в случае четырехосного вагона не может быть применим, потому что это приведет к изменению длины вагона по осям сцепления автосцепок и изменению расстояния между соседними люками вагонов-цистерн. В этом случае будет реализовано несоответствие между расположением стендеров слива-налива на эстакадах слива-налива (шаг между стендерами составляет 12 020 мм) и расположением люков вагонов-цистерн при подаче их под погрузку. Такое несоответствие приведет к увеличению времени погрузки-разгрузки вагонов и, как следствие, отказу собственников приобретать подвижной состав, не соответствующий имеющейся инфраструктуре погрузки-выгрузки.
Наиболее перспективным вариантом вагона, позволяющим перевозить больший объем груза, является вагон-цистерна сочлененного типа в габарите 1Т. Шестиосная сочлененная конструкция вагона позволяет увеличить его общую длину, но сохранить шаг между арматурой для слива-налива, увеличить длину каждого из котлов в зоне над средней тележкой, что дает преимущества по увеличению объема перевозимого груза.
Технико-экономические параметры
Выполненный предварительный патентный поиск и анализ имеющихся конструкций позволил подтвердить отсутствие на «пространстве колеи 1520 мм» вагонов-цистерн сочлененного типа. В Америке и Европе широкое распространение имеют сочлененные вагоны-платформы для перевозки контейнеров, анализ конструкции которых позволил сформулировать технические требования к основным элементам и узлам будущей конструкции. Дальнейшая разработка эскизного проекта вагона-цистерна позволила более точно провести оценку технико-экономических параметров вновь разрабатываемого вагона-цистерны модели 15-9541-01 и провести их сравнение с аналогами существующего парка. Сравнение основных показателей вагонов приведено в таблице 1.
Анализ массы загружаемого продукта одного из наиболее тяжелых грузов (бутан плотность 0,642 т/м3 при температуре минус 40 °С) показывает, что возможность использовать в полной мере осевую нагрузку ходовых частей и грузоподъемность у эксплуатируемых вагонов-цистерн отсутствует (рис. 1). Налив более легких грузов (плотность пропана 0,581 т/м3 при температуре минус 40 °С) еще больше снижает эффек-
-46,9-46,6-47,5-45,8
Уралвагонзавод Узовмаш Рузхиммаш Салаватнефтмаш
15-588-01 15-1780-05 15-1288 15-9872
Масса загружаемого бутана, т ■ Осевая нагрузка при перевозке бутана, тс
■ Коэффициент тары (погрузочный), т — Максимальная осевая нагрузка 23,5 тс
Рис. 1. Реализация осевой нагрузки при перевозке бутана и соответствующий фактический коэффициент тары для четырехосных вагонов-цистерн с длиной по осям сцепления автосцепок 12 020 мм
тивность использования эксплуатируемого подвижного состава.
Сравнение технико-экономических параметров разработанного сочлененного вагона-цистерны и вагонов-цистерн существующего парка более корректно проводить с учетом одинаковой длины в 24 040 мм по осям сцепления автосцепок, т. е. сравнение проводится между сцепом из двух ч етырехосных цистерн и одним шестиосным вагоном-цистерной сочлененного типа.
Вагон-цистерна сочлененного типа по фактическому коэффициенту тары (отношение массы тары к фактически используемой грузоподъемности вагона, рис. 2) и реализуемой осевой нагрузки превосходит существующие аналоги при сопоставимой длине сцепа. При этом сочлененный вагон-цистерна имеет на одну тележку мень-
ше в сравнении со сцепом из двух четырехосных цистерн, что уменьшает затраты на техническое обслуживание, стоимость порожнего пробега и ремонт вагона.
Разработка конструкции шестиосного сочлененного вагона-цистерны
В дальнейшем на основании полученных в рамках эскизного проекта результатов был разработан технический проект (рис. 3), выполнены все расчетные исследования, включая проверку прочности и сопротивления усталости на основе метода конечных элементов, проведен анализ разработанной конструкции на патентную чистоту.
Вагон-цистерна состоит из двух секций. Каждая секция (рис. 4) состоит из котла в сборе с полурамами, средние полурамы оборудуются
Таблица 1
Сравнение основных показателей вагонов-цистерн для СУГ
Завод-изготовитель АО «Тихвин ХимМаш» (проектируемый) АО «НПК «Уралвагон- завод» (эксплуатир.) ПАО «Азовмаш» (эксплуатир.) АО «Рузхиммаш» (эксплуатир.) АО «Салават-нефтемаш» (эксплуатир.)
Модель вагона-цистерны 15-9541-01 [1] 15-588-01 [2] 15-1780-05 [3] 15-1288 [4] 15-9872 [5]
Грузоподъемность вагона, т 90,0 52,0 55,0 56,0 52,0
Масса тары вагона, т 59,5 38,6 36,8 38,0 38,0
Объем котла (сосуда) полный, м3 163,1 86,0 85,4 87,1 83,9
Количество осей, шт. 6 4 4 4 4
Максимальная расчетная статическая 245 (25) 230 (23,5) 230 (23,5) 230 (23,5) 230 (23,5)
осевая нагрузка, кН (тс)
Длина вагона по осям сцепления авто- 24 040 12 020 12 020 12 020 12 020
сцепок, мм
Габарит вагона [12] 1-Т 1-Т 1-Т 1-Т 1-Т
Коэффициент тары (погрузочный), т 0,67 0,82 0,79 0,80 0,83
24,75
Уралвагонзавод Узовмаш Рузхиммаш Салаватнефтмаш ТихвинХимМаш
15-588-01 15-1780-05 15-1288 15-9872 15-9541-01
■ Осевая нагрузка при перевозке бутана, тс ■ Коэффициент тары (погрузочный), т
— Максимальная осевая нагрузка 23,5 тс
Рис. 2. Реализация осевой нагрузки и фактический коэффициент тары двухвагонных сцепов четырехосных вагонов эксплуатационного парка с вагоном-цистерной сочлененного типа
Рис. 3. Модель шестиосного вагона-цистерны модели 15-9541-01 сочлененного типа для сжиженных углеводородных газов
пятниковой или поводковой частью устройства сочленения SAC-1 RUS [6], крайние полурамы оборудуются стандартными автосцепными устройствами. Каждый котел сварной конструкции состоит из обечайки цилиндрического сечения, двух торосферических днищ, люка-лаза, крышки со сливо-наливной, предохранительной и контрольной арматурой, закрытой защитным колпаком, дуг предохранительных, наружных лестниц с поручнями и помостом. Выбранная толщина металла котла обеспечивает прочность при высоком давлении перевозимого груза, а также при воздействии на вагон сил, возникающих при маневровых работах и при его движении в составе
Рис. 4. Секция вагона-цистерны
Поводковая часть с узлом сферического шарнира
Пятниковая часть
Рис. 5. Общий вид шарнирного узла сочленения БАС-1 ЯиБ
Рис. 6. Опирание полурам на среднюю тележку, общую для двух секций: 1 — пятниковая часть узла сочленения; 2 — поводковая часть с узлом сферического шарнира узла сочленения; 3 — полурамы; 4 — кронштейны опирания полурам на боковые скользуны тележки; 5 — надрессорная балка тележки, оборудованная двумя парами скользунов
поездов. Тормозные приборы типовые (авторежим 265А-4, регулятор РТРП-300, цилиндр 710-03 УХЛ1 и широко применяемые на сети дорог). Отличительными особенностями тормозной системы являются: использование трех тормозных цилиндров с приводом на каждую тележку; запасный резервуар увеличенного объема для обеспечения работы цилиндров; применение гибких рукавов трубопроводов тормозной системы между секциями для соединения контуров пневматической системы секций и обеспечения единства тормозной магистрали; установка двух приводов стояночного тормоза (по одному на каждую секцию) для обеспечения надежного удержания на уклоне.
Средняя полурама одной секции оборудуется пятниковой частью узла сочленения, а средняя полурама второй секции — поводковой частью. Устройство сочленения 8АС-1-ЯИ8 (рис. 5) яв-
ляется разъемным шарнирным узлом, состоящим из пятниковой и поводковой частей, которые соединяются сферическим шарниром и элементом фиксации шарнира в пятниковой части. Пятниковая и поводковая части приварены к хребтовым балкам внутренних полурам. Сферический шарнир обеспечивает поворот секций относительно любой оси вращения и обеспечивает удержание котлов смежных секций на необходимом расстоянии, позволяющем максимально использовать пространство между секциями.
Опирание средних полурам (рис. 6) на общую среднюю тележку производится пятниковой частью узла сочленения на подпятник надрессорной балки тележки и двумя парами скользунов соседних секций кузова на скользуны надрессорной балки, что позволяет ограничить вертикальные перемещения и перевалку двух секций цистерны.
Технико-экономические преимущества разработанного вагона-цистерны
Вагон-цистерна модели 15-9541-01 обладает следующими техническими преимуществами:
— возможность полной реализации осевой нагрузки от колесной пары на рельс до 25 тс;
— уменьшение удельного числа тележек (и соответственно осей) в вагоне и поезде;
— уменьшение удельного числа автосцепных устройств в вагоне и поезда;
— снижение затрат на эксплуатацию и ремонт за счет уменьшения обслуживаемых ходовых частей и автосцепных устройств.
Экономические преимущества:
— срок службы вагона составляет 40 лет;
— стоимость жизненного цикла цистерны модели 15-9541-01 по сравнению с существующими цистернами м одели (например, модели 15-1519-01) снижается более чем в два раза;
— снижение тарифов на порожний пробег шестиосной цистерны сочлененного типа по сравнению со сцепом из двух четырехосных цистерн за счет уменьшения количества осей.
Дополнительный эффект заключается в решении государственных задач по повышению эффективности железнодорожных грузовых перевозок, сформулированных в Стратегии развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года (утв. распоряжением Правительства РФ от 17 июня 2008 г. № 877-р).
Широкое использование в конструкции цистерны проката из низколегированных сталей повышенной прочности и применение контрольной, предохранительной и запорной арматуры, помимо решения технических задач, придает дополнительную загрузку отечественному металлургическому и машиностроительному комплексам.
Результаты работ по продвижению проекта на рынок
В 2019 году АО «ТихвинХимМаш» (входит в холдинг ПАО «НПК ОВК») на вагон-цистерну модели 15-9541-01 (технические условия ЦД-ЛР.661356.067 ТУ) был получен сертификат соответствия обязательным требованиям технического регламента ТР ТС 001/2011. На котлы (сосуды) вагона-цистерны модели 15-9541-01 АО «ТихвинХимМаш» также в 2019 году был получен сертификат соответствия обязательным требованиям технического регламента ТР ТС 032/2013.
Заключен и в настоящее время исполняется контракт на поставку данных вагонов-цистерн.
Вывод
Впервые на пространстве 1520 выполненный проект позволил создать новый эффективный вагон-цистерну для перевозки сжиженных углево-
дородных газов, позволяющий реализовать полную осевую нагрузку от колесной пары на рельс 25 тс и при этом обеспечить совместимость с инфраструктурой слива-налива. В процессе выполнения проекта использовались современные подходы пространственного проектирования, применялись методы численного моделирования, правильность выбранных решений была подтверждена с помощью испытаний и сертификатами соответствия. Результаты разработки апробированы при создании новых вагонов сочлененного типа, включая цистерны для нефтепродуктов и метанола. Оригинальные технические решения, использованные в конструкции, подтверждены рядом зарегистрированных патентов. Начата подконтрольная эксплуатация, призванная подтвердить надежность заложенных инновационных решений.
Список литературы
1. Каталог продукции ПАО «Научно-производственная корпорация» «Объединенная Вагонная Компания» [Электронный ресурс] // URL: https://www.uniwagon.eom/#lproducts (дата обращения: 18.12.2020).
2. Каталог продукции АО «Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод» [Электронный ресурс] // URL: http://uralvagonzavod.ru/produet (дата обращения: 18.12.2020).
3. Каталог продукции ПАО «Азовмаш» [Электронный ресурс] // URL: http://www.azovmash.com/ru/eatalog/25 (дата обращения: 18.12.2020).
4. Каталог продукции «РМ Рейл Рузхиммаш» [Электронный ресурс] // URL: https://rmrail.ru/catalogue/gruzovye-vagony/ (дата обращения: 18.12.2020).
5. Каталог продукции «АО Салаватнефтемаш» [Электронный ресурс] // URL: http://snm.ru/produetion (дата обращения: 18.12.2020).
6. Федоров С. А., Агинских М. В., Лобанов М. С., Шилова Е. В. Вагон-цистерна сочлененного типа для перевозки сжиженных углеводородных газов // Вагоны и вагонное хозяйство. — 2019. — № 2 (58). — С. 30—32.
7. Бороненко Ю. П., Белгородцева Т. М., Кукушина Н. А. Выбор конструктивных решений сочлененных грузовых вагонов для колеи 1520 мм // Транспорт РФ. — 2013. — № 3 (46). — С. 3—9.
8. Саидова А. В., Рудакова Е. А., Кудрявцев М. А., Шевченко Д. В., Усмендеева А. Д. Динамические качества шести-осных вагонов сочлененного типа и их воздействие на путь // Техника железных дорог. — 2020. — № 2 (50). — С. 50—58.
9. Орлова А. М., Смирнов Н. В., Козлов П. В. Особенности динамического поведения сочлененных вагонов // Вагоны и вагонное хозяйство. — 2010. — № 4 (24). — С. 32—34.
10. ГОСТ 33788—2016 Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и динамические качества.
11. ГОСТ Р 55050—2012 Железнодорожный подвижной состав. Нормы допустимого воздействия на железнодорожный путь и методы испытаний.
