Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния и перспектив развития парка и направлений совершенствования конструкций вагонов-цистерн для перевозки нефтепродуктов 6
1.1 Анализ структуры парка и технического состояния вагонов-цистерн 6
1.2 Обзор и анализ методов прогнозирования и управления развитием парка грузовых вагонов 16
1.3 Постановка задачи исследования 21
2 Выбор рационального варианта развития парка вагонов-цистерн 24
2.1 Основные принципы прогнозирования потребности железных дорог в грузовых вагонах 25
2.2 Разработка уточненной методики расчета потребности РЖД в грузовых вагонах 28
2.3 Прогнозирование состояния парка вагонов-цистерн с помощью имитационной модели 38
2.4 Выбор направлений совершенствования вагонов-цистерн для перевозки нефтепродуктов 43
2.5 Оценка эффективности различных вариантов развития парка вагонов-цистерн для перевозки нефтепродуктов 48
2.6 Выводы 61
3 Обоснование возможности продления срока службы вагонам-цистернам для перевозки нефтепродуктов при проведении КРП 63
3.1 Обоснование расчетной схемы котла вагона-цистерны с истекшим сроком службы 68
3.2 Оценка прочности и устойчивости котлов, усиленных шпангоутами 84
3.3 Экспериментальные исследования котлов цистерн, прошедших КРП 95
3.4 Выводы 106
Заключение 108
Список использованных источников 110
- Обзор и анализ методов прогнозирования и управления развитием парка грузовых вагонов
- Выбор направлений совершенствования вагонов-цистерн для перевозки нефтепродуктов
- Обоснование расчетной схемы котла вагона-цистерны с истекшим сроком службы
- Экспериментальные исследования котлов цистерн, прошедших КРП
Обзор и анализ методов прогнозирования и управления развитием парка грузовых вагонов
Анализ тенденций в управлении развитием парков грузовых вагонов показывает, что в настоящее время практически завершен переход от прогнозирования состояния парка методом экспертных оценок к созданию математических моделей различной степени детализации с реализацией расчетных алгоритмов на ЭВМ.
Большой вклад в совершенствование подвижного состава и методов оценки его эффективности внесли отечественные и зарубежные ученые: П.С. Анисимов, В.Е. Бауман, К.А. Бернгард, В.П. Бугаев, М.Ф.Вериго, М.В. Винокуров, В.И. Гридюшко, В.К. Губенко, В.И. Дмитриев, А.А. Долматов, Т.В.Елисеева, В.Н. Котуранов, В.Д. Литвин, В.В.Лукин, Н.Г. Мартынюк, В.П. Медведев, Е.В. Михальцев, B.C. Плоткин, В.В. Повороженко, Г.В. Райков, А.П. Ступин, Е.М. Тишкин, П.А. Устич, И.И. Хаба, В.Н. Цюренко, В.В.Чиркин, А.С. Чудов, Л.А. Шадур, В.Б. Шафиркин. Комплексные работы по управлению развитием парка грузовых вагонов российских железных дорог проводятся во ВНИИЖТе, ВНИИАСе, ГипротрансТЭИ, ГосНИИВе, МИИТе, ПГУПСе, и ряде других университетов, институтов и академий.
Из технико-экономических показателей и эксплуатационных условий исходят требования к совершенствованию конструктивных характеристик цистерн. Исследованиями конструкций вагонов-цистерн в нашей стране занимались: A.M. Берестовой, А.А. Битюцкий, В.М. Бубнов, В.Н. Котуранов, А.Д. Кочнов, B.C. Лагута, В.В. Лукин, А.А. Радзиховский, М.М. Соколов, В.Н. Филиппов, Ю.М. Черкашин, И.Л. Шаринов и др.
В истории задачи определения рациональных путей развития парка грузовых вагонов можно выделить несколько основных этапов. Впервые задача поиска оптимальных технико-экономических параметров грузовых вагонов в СССР была поставлены в 30-х годах XX века. На примере вагона для перевозки угля [65] Е.В. Михальцевым и В.Е. Бауманом была разработана теория экономической оценки параметров грузовых вагонов. На основе анализа грузопотоков на отдельных направлениях и предполагаемого изменения эксплуатационных показателей в результате использования снециализированного вагона для перевозки угля была установлена зависимость себестоимости перевозок от параметров вагона.
После Великой Отечественной войны работы по оценке основных технико-экономических параметров грузовых вагонов были продолжены. В 50-X годах прошлого века начинает оцениваться влияние параметры вагонов на состав и численность парка. В учебнике [19] получил обобщение накопленный опыт оценки влияния технических параметров грузовых вагонов на экономические результаты железных дорог. В работе [36] В.И.Дмитриева рассматриваются вопросы планирования численности и перспективной структуры парка грузовых вагонов МПС СССР. Получили продолжение работы по влиянию технических параметров вагонов на себестоимость и эффективность железнодорожных перевозок [66, 73].
В 60-х годах в связи с продолжающимся ростом грузоперевозок был проведен большой объем работ по поиску возможностей увеличения грузоподъемности и объема кузова вагонов, исследовались и другие пути повышения производительности грузовых вагонов [77]. В работах [9, 110] было предложено в качестве критерия оптимизации использовать приведенные затраты народного хозяйства на осуществление перевозок. На основе проведенных исследований [9, 57, 112] были рекомендованы к постройке большегрузные восьмиосные вагоны, в т.ч. цистерны габарита Т для БАМа.
В 70-х годах дальнейшие работы были сосредоточены на переходе большегрузных вагонов на новый габарит и связанные с этим изменением тары, линейных размеров вагонов и их экономических показателей [109, ПО]. Определению перспективного грузооборота, структуры парка грузовых вагонов, путей его совершенствования и повышению эффективности использования вагонов посвящены работы [2, 38, 76, 114]. В это же время были проведены исследования [6], положившие начало специализации парка грузовых вагонов. Технико-экономические параметры грузовых вагонов в зависимости от прогнозируемого грузооборота, специализации парка, особенностей погрузо-разгрузочных операций, особенностей организации перевозочного процесса и т.д. были рассмотрены в работах [20, 25, 33, 41, 42, 56,57,58,59,60,63, 111].
В СССР традиционно считалось, что железные дороги работают в условиях недостаточных поставок новых вагонов. Исходя из этого, потребность в поставке новых вагонов фактически определялась мощностями вагоностроительных заводов. Так в период 1975-1990 г. когда потребности в перевозках превышали возможности имеющегося парка вагонов, возникла необходимость в повышении нормативов загрузки вагонов сверх расчетной грузоподъемности [27, 51, 61, 70, 78]. Это повлекло за собой дополнительные расходы на ремонт и техническое обслуживание вагонов и пути. Однако в условиях плановой экономики считалось, что данные расходы во много раз ниже потерь народного хозяйства, которые возникли бы вследствие несвоевременных или неполных перевозок грузов. Критерий наивысшей производительности в сфере транспорта отступал на второй план. Определяющим являлся не столько простой вагонов и других технических средств, сколько простой груза в ожидании отправки и продолжительность его перевозки. Основным становился критерий минимума совокупных приведенных затрат на транспорт и производство зависящий от качества транспортного обслуживания. [86]
Данная практика породила обезличенное и, следовательно, бесхозяйственное использование вагонов.
С переходом страны к рыночной экономике такой подход к планированию деятельности вагонного хозяйства повлек за собой огромные эксплуатационные расходы железных дорог.
С начала 90-х годов спрос на перевозки грузов в России резко сократился. Сотни тысяч вагонов оказались невостребованными и были отставлены в запас. В этих условиях для расчета потребных поставок вагонов была разработана новая методика, основанная на вероятностном представлении ожидаемых изменений-спроса на перевозки. Потребность в вагонах стала определяться с учетом границ рассеивания, т.е. верхнего и нижнего ожидаемого уровня объема перевозок. Однако, в случае неверного определения границ рассеивания, прогнозируемая потребность в вагонах оказывается неверной, что имело место в 1994 г. в работе [86], где из-за ошибочно принятого прогнозируемого удвоения перевозок грузов по нижней границе через 12-13, а по верхней - через 5 лет, предлагалось закупать, начиная с 1996 г., более 100 тыс. грузовых вагонов в год.
С появлением и развитием ЭВМ представилась возможность проводить компьютерный мониторинг состояния вагонного парка. Начиная с 1995 г. специалистами ВНИИЖТ и ВНИИАС началась разработка и внедрение «Автоматизированной системы пономерного учета, контроля дислокации, анализа использования и регулирования вагонного парка на железных дорогах России» (ДИСПАРК). Данная система реализовала идею перехода от балансового учета наличия вагонного парка по РЖД к пономерному учету, контролю дислокации каждого вагона, анализу его использования и оптимального регулирования [26, 79, 99, 100].
Созданная для решения задач управления процессами перевозок, система ДИСПАРК позволила не только получить данные о дислокации парка и обеспечить слежение за вагонами и грузами, но и собрать необходимые достоверные статистические сведения для анализа эксплуатационной работы железных дорог и оперативного анализа технического состояния вагонного парка, а также деятельности предприятий вагонного хозяйства.
Таким образом, можно констатировать, что существующие методы прогнозирования и управления развитием парка грузовых вагонов существенно отстают от современного уровня развития автоматизированных средств учета вагонов, не учитывают произошедших перемен с собственниками вагонногo парка и не в полной мере отвечают сегодняшним требованиям.
Вопрос выбора рационального варианта развития парка грузовых вагонов в целом, и вагонов-цистерн в частности, является на сегодняшний день актуальным и становится особенно острым с учетом современных требований к обоснованности инвестиций на железнодорожном транспорте в условиях реформирования отрасли.
Выбор направлений совершенствования вагонов-цистерн для перевозки нефтепродуктов
В связи с различными удельными плотностями перевозимых нефтепродуктов выбор возможного направления развития парка вагонов-цистерн необходимо производить с учетом доли того или иного груза в структуре перевозки (рисунок 2.6).
Из анализа отчетных данных объемов перевозок различных видов нефтепродуктов [95] и количественного состава парка цистерн видно, что в настоящее время имеется явная диспропорция между предъявляемыми к перевозке нефтеналивными грузами и наличием соответствующих вагонов. Недостаток в парке цистерн с требуемым объемом котла приводит к частым промывкам котлов из-под темных нефтепродуктов под светлые и к заливу котлов с большим объемом темными нефтепродуктами. Такая неполная двухгрупповая специализация приводит к дополнительным расходам на подготовку вагонов к перевозке, а также несет угрозу загрязнения почвы и водоемов вблизи промывочно-пропарочных станций.
Решение о переходе на трехгрупповую специализацию было принято коллегией МПС еще в 1969 г., однако переход на нее затягивается, в том числе и из-за отсутствия вагонов с большими удельными объемами котлов.
Учитывая вышеизложенное, с помощью имитационной модели, описанной в предыдущей главе, были приняты к рассмотрению следующие варианты развития парка вагонов-цистерн для перевозки нефтепродуктов.
Вариант 1 предусматривает пополнение вагонного парка новыми вагонами существующих типов (таких как мод. 15-156, 15-150, 15-5103, 15-021, 15-1300 и т.д.) в соответствии с потребностью на прогнозируемый объём перевозок. Учитывалось, что вагонам, выработавшим назначенный срок службы, проводится техническое диагностирование, после чего их срок службы может быть продлен максимально на 5 лет. С учетом данных мероприятий количество вагонов с просроченным сроком службы в парке остается на уровне 10% от его численности в течение всего горизонта планирования. Прогноз структуры парка вагонов-цистерн по данному варианту представлен на рисунке 2.7.
Вариант 2. Пополнение вагонного парка осуществляется за счёт закупок вагонов новых типов (до завершения соответствующих НИОКР - вагонами существующих типов) в соответствии с потребностью на прогнозируемый объём перевозок. Вагоны-цистерны для перевозки нефтепродуктов нового поколения создаются на базе 3-групповой специализации с удельным объемом котла 1,4 м /т - для бензина, 1,25 м /т - для светлых и 1,1 м /т - для темных нефтепродуктов. Количество вагонов с просроченным сроком службы в парке остается на уровне 10% от его численности (аналогично варианту 1). Вариант предусматривает проведение НИОКР по разработке проектов вагонов новых типов. Прогноз структуры парка вагонов-цистерн по данному варианту представлен на рисунке 2.8.
В связи с тем, что в существующие в России 4-осные цистерны имеют максимальный объем котла 85,6 м3, а наиболее массовые (мод. 15-1443) 73,1 м3 (рисунок 1.2), при перевозках бензина и других светлых нефтепродуктов происходит существенное недоиспользование грузоподъемности вагона. Поэтому, в первую очередь, необходимо создание вагона с увеличенным объемом котла. Создание такого вагона может вестись по нескольким основным направлениям.
1. Увеличение диаметра котла за счет использования безрамной конструкции вагона. Данное решение использовано ГУП «ПО «Уралвагонзавод» при создании вагона мод. 15-195. Оно позволило увеличить объем котла до 85,8 м без увеличения длины вагона.
2. Создание котла переменного сечения и конструкции вагона безрамного типа. Опытный вагон с таким котлом объема 95,4 м создан на ОАО «Рузхиммаш». Преимуществом данного варианта помимо наиболее полного использования грузоподъемности при перевозке бензина и бензиновых фракций, является существенное понижение центра тяжести вагона. Однако котел такого вагона характеризуется повышенной трудоемкостью в изготовлении.
3. Увеличение базы вагона. Данное направление получило развитие на ГУП «ПО «Уралвагонзавод» в форме создания безрамного вагона-цистерны с объемом котла 95,4 м3 с базой 9730 мм и длиной по осям сцепления 14,4 м. Однако увеличение длины вагона приводит к проблемам слива-налива, в связи с тем, что шаг существующих погрузо-разгрузочных устройств (эстакад) рассчитан на длину вагона 12020 мм. Для решения данной проблемы на верхней образующей котла можно предусмотреть установку трех загрузочных люков с шагом между ними 3500 мм.
Вариант 3 Пополнение вагонного парка осуществляется за счёт проведения КРП и закупки вагонов новых типов (до завершения соответствующих НИОКР - вагонами существующих типов). Применение капитального ремонта вагонов с продлением срока полезного использования в данном варианте рассматривается как составная часть комплекса мероприятий по поддержанию требуемой численности и технического состояния парка грузовых вагонов, предусматривающего обязательную закупку новых вагонов для обновления парка.
Прогноз структуры парка вагонов-цистерн по данному варианту представлен на рисунке 2.9.
Вагоны нового поколения создаются на базе 3-групповой специализации (аналогично варианту 2), но поставляются на дороги, соответственно, в меньших объемах. Основная масса приобретаемых вагонов рассчитана на удельную плотность груза 1,4 м /т.
КРП проводится максимально возможному количеству вагонов с истекшим сроком службы (около 70% от общего числа). Вагоны, прошедшие КРП, как имеющие меньший объем котла (73,1 м и менее), используются для перевозки светлых и темных нефтепродуктов с удельной плотностью соответственно 1,25 и 1,1 м /т.
Необходимое обоснование технической возможности проведения КРП приведено в разделе 3 данной работы.
Разработанные варианты подержания необходимой численности парка вагонов-цистерн являются технически осуществимыми, однако для выбора рационального пути развития парка необходимо провести технико-экономическую оценку эффективности предлагаемых мероприятий.
Обоснование расчетной схемы котла вагона-цистерны с истекшим сроком службы
Расчет был выполнен с использованием вычислительного комплекса КОСМОС-М, реализующего метод конечных элементов (МКЭ) [39, 43, 91, 92] на ПЭВМ стандарта IBM-PC.
Подготовка данных о топологии конечно-элементной расчетной схемы, расчет геометрических характеристик сечений несущих элементов вагона, вычисление напряжений в элементах, распределение нагрузок в конструкции, а также рисование расчетных схем, эскизов сечений и деформированных состояний кузова производились с использованием прикладного программного окружения комплекса КОСМОС-М.
При разработке расчетной схемы для описания котла были использованы конечные элементы тонкой оболочки типа SHELL4.
Это 4-узловой четырехугольный элемент тонкой оболочки с мембранными и изгибными напряжениями для анализа трехмерных структурных и тепловых моделей. Результаты расчета всегда приводимы к теории тонких пластин. Каждый узел имеет 6 степеней свободы (3 поступательные и 3 поворотные). Сдвиговые деформации для этого элемента не учитываются, что ограничивает его применение тонкооболочечными структурами. Свойства элемента полагаются изотропными, а толщина постоянной.
Для описания элементов конструкции рамы были использованы пространственные стержневые конечные элементы.
В качестве глобальной системы координат при составлении расчетной схемы была выбрана правая декартова система с центром на продольной оси котла в плоскости соединения днища с обечайкой. Ось "X" системы координат направлена вдоль оси котла, ось "Z" - вертикально вверх.
Учитывая, что нагрузки, действующие на котел, симметричны относительно продольной вертикальной плоскости симметрии, в расчете рассматривалась симметричная часть котла.
Учет взаимодействия с симметричной частью конструкции котла производился введением в расчетную схему кинематических закреплений: линейных по оси "Y"; и угловых по осям "X" "Z" в узлы расположенные в плоскости симметрии.
В узлах, соответствующих пятникам были дополнительно введены линейные кинематические закрепления по оси "Z". В узле, соответствующем пятнику со стороны упора при нагрузке соударения было введено кинематическое закрепление по оси "Y".
В зоне опирания котла на лежни были введены закрепления по оси "Z".
При расчете рамы были приняты следующие допущения:
- материал конструкции работает в упругой стадии деформирования и обладает постоянными жесткостными характеристиками;
- деформация стержневых элементов конструкции соответствует гипотезе плоских сечений.
Оценка прочности котла производилась для четырех комбинаций нагрузок:
1-й расчетный режим и режим соударения при одновременном действии нагрузок:
- от собственного веса;
- от гидростатического давления груза расчетной плотности;
- от гидравлического удара груза расчетной плотности при соударении вагонов с силой 2,5 МН;
- от рабочего давления 0,15 МПа.
3-й расчетный режим при одновременном действии нагрузок:
- от собственного веса с учетом коэффициента вертикальной динамики;
- от гидростатического давления груза расчетной плотности с учетом коэффициента вертикальной динамики;
- ОТ гидравлического удара груза расчетной плотности при соударении вагонов с силой 1,0 МН;
- от рабочего давления 0,15 МПа.
испытательный режим при одновременном действии нагрузок:
- от собственного веса;
- от гидростатического давления груза расчетной плотности;
- от испытательного давления 0,4 МПа.
На основе принципа декомпозиции расчетные напряжения при различных режимах были получены путем суммирования напряжений при различных вариантах нагружения с соответствующими весовыми коэффициентами.
Полученное в результате расчета деформированное состояние котла калибра 53 приведено на рисунке 3.3., напряженное состояние котла приведено на рисунке 3.4.
При расчете от действия испытательного давления по нормали к каждому элементу расчетной схемы за исключением элементов люка лаза внутри котла было приложено давление 0,4 МПа.
Полученное в результате расчета деформированное состояние котла калибра 53 приведено на рисунке 3.9., напряженное состояние котла - на рисунке 3.10.
На основе принципа декомпозиции расчетные напряжения при различных режимах были получены путем суммирования напряжений при различных вариантах нагружения с соответствующими весовыми коэффициентами. Весовые коэффициенты для режимов нагружения приведены в таблице 3.2.
Экспериментальные исследования котлов цистерн, прошедших КРП
На данном этапе исследования опытный образец модернизированной цистерны был подвергнут комплексу испытаний с целью экспериментального определения напряжений в наиболее нагруженных местах котла при действии нормативных нагрузок, оценки прочности котла на соответствие нормативным требованиям, а также оценки срока службы модернизированных цистерн.
Испытания проводились в два этапа. На этапе статических испытаний на прочность проводилось исследование и оценка напряженного состояния котла цистерны при действии статических нагрузок, имитирующих расчетные эксплуатациониые нагрузки.
Испытаниям статическими нагрузками был подвергнут опытный образец вагона-цистерны с котлом калибра 53, модернизация которого была выполнена на Саранском тепловозоремонтном заводе. Общий вид опытного образца цистерны, установленного на испытательном участке приведен на рисунке 3.33.
Испытания проводились на испытательном полигоне ПГУПС на ст. Предпортовая Окт.
При проведении статических испытаний котел цистерны подвергался действию гидростатической нагрузки и избыточного внутреннего давления. Гидростатическая нагрузка создавалась заполнением котла водой до полного использования полезного объема. Внутреннее давление создавалось стационарным воздушным компрессором. Измерение давления производилось манометром с верхним пределом измерения 1 МПа и классом точности 0,6.
Для измерения деформаций были использованы тензодатчики (тензорезисторы) 2ПКБ-20-200 и самобалансирующийся тензометрический мостСИИТ-3.
Для проведения всего цикла статических испытаний, начиная с ведения журнала испытаний, настройки системы датчиков, управления работой комплекса СИИТ, контроля за показаниями датчиков, статистической обработки данных измерений, расчета напряжений, формирования выходных форм результатов измерений и т.п. использовался автоматизированный программно-технический комплекс ІВМ.РС-СИИТ. Связь с компьютером осуществлялась через порт RS-232. Схема данного испытательного комплекса приведена на рисунке 3.34.
В ходе испытаний каждый датчик в измерительной системе опрашивался последовательно. При этом для контроля за достоверностью показаний опрос каждого датчика проводился пятикратно. В случае если имелось отклонение одного из показаний более чем на 1%, производился повторный опрос всех датчиков, либо заменялся канал измерения СИИТ и переклеивался датчик па котле.
Схема установки датчиков приведена на рисунке 3.35. Установка и монтаж схем датчиков на котле цистерны приведены: на рисунке 3.36 - в зоне лежней и на хомутах; на рисунке 3.37 - на днище.
Первоначально котел наполнялся водой. При этом регистрировались показания датчиков єг. После этого производился слив воды и регистрировались показания датчиков єп. Разница показаний датчиков ег - еп принималась за относительную деформацию данного датчика при гидростатической нагрузке.
Описанный цикл налив-слив был произведен троекратно. При расчете напряжений принимались средние значения относительных деформаций по трем нагружениям.
Во время последнего наполнения котла водой производилось нагружение внутренним давлением. Первоначально была произведена онрессовка котла испытательным давлением 0,4 МПа, при этом регистрировались показания датчиков єгХ. Затем давление снижалось до рабочего значения в 0,15 МПа и регистрировались показания датчиков єг2. После этого при нулевом внутреннем давлении регистрировались показания датчиков єп.
Разница показаний датчиков БЛ - єп принималась за относительную деформацию данного датчика при испытательном давлении, разница показаний датчиков \2 -єп - за относительную деформацию данного датчика при рабочем давлении.
Цикл двухступенчатого нагружения внутренним давлением (0-0,15 МПа и 0,15-0,4 МПа) также был проведен троекратно и при расчете напряжений принимались средние значения относительных деформаций по трем нагружениям.
Напряженное состояние цистерны оценивалось при 1, III и испытательном режимах нагружения в соответствии с [70].
В результате проведения статических испытаний были получены напряжения в местах установки тензодатчиков для нормативных расчетных режимов, рассчитаны суммарные, главные суммарные и эквивалентные напряжения.
Значения расчетных и экспериментальных эквивалентных суммарных напряжений, возникающих в котле цистерны от налитого продукта при рабочем давлении приведены в таблице 3.7.
По результатам статических прочностных испытаний установлено, что при испытательных режимах:
- 1 - режим - максимальные эквивалентные напряжения были получены на днище и составили 31,5% от допускаемых;
- 11I" режим - максимальные эквивалентные напряжения были получены на днище и составили 46,9% от допускаемых;
- режим на пробное давление - максимальные эквивалентные напряжения были получены на днище и составили 63,7% от допускаемых.
Проведенные статические испытания показали, что котел прошедшей КРП цистерны удовлетворяет требованиям норм МПС в части статической прочности.
Однако в процессе эксплуатации на цистерну действует комплекс динамических нагрузок, которые могут привести к усталостным разрушениям элементов котла. Оценка усталостной прочности цистерны, прошедшей КРП, является особенно актуальной, так как котел имеет увеличенное количество концентраторов напряжений в местах установки шпангоутов и заплат на броневом листе и днище. Поэтому на заключительном этапе испытаний были проведены исследования на ресурс при соударениях.
Целью испытаний явилась оценка возможности продления срока службы на основе экспериментальной проверки циклической прочности конструкции при заданных режимах соударений, эквивалентных по повреждающему воздействию расчетному остаточному ресурсу.
Ударные ресурсные испытания опытного образца производились на стенде «Стенд-горка». Схема стенда «Стенд-горка» представлена на рисунке 3.38.
