Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. постановка задач исследования 8
1.1. Обзор и анализ исследований по прогнозированию остаточного ресурса вагонов - цистерн с истёкшим сроком службы 8
1.2. Постановка задач исследования 22
2. Разработка методики прогнозирования остаточного ресурса котлов и рам вагонов - цистерн на основе оценки их ударной вязкости 24
2.1. Анализ технического состояния парка вагонов - цистерн стран СНГ, Грузии, Латвии, Литвы и Эстонии 24
2.2. Обоснование и выбор параметров технического состояния вагонов — цистерн, определяющих их прочность и трещиностойкость 33
2.3. Разработка уточнённой методики оценки остаточного ресурса вагонов-цистерн 49
2.4.Выводы по разделу 2 66
3. Экспериментально теоретические исследования остаточного ресурса вагонов-цистерн 67
3.1.Разработка программы и методики проведения экспериментальных исследований 68
3.2.Результаты экспериментальных исследований 72
3.3. Разработка конечно-элементной расчётной схемы вагона-цистерны и планирование вычислительного эксперимента 78
3.4. Анализ результатов прочностных расчётов 86
3.5.Расчёт котла на усталость 97
3.3. Выводы по разделу 3 106
4. Экспериментальная оценка остаточного ресурса вагона - цистерны с истёкшим нормативным сроком службы 108
4.1. Разработка методики и программы экспериментальной оценки остаточного ресурса вагона - цистерны 108
4.2.Результаты экспериментальных исследований 117
4.2. Выводы по разделу 4 121
Заключение 122
Список использованных источников 124
Приложения:
1. Параметры нефтебензиновых цистерн 133
2. Протоколы испытаний на ударную вязкость 137
3. Патент на полезную модель «Усиливающая накладка» 143
- Обзор и анализ исследований по прогнозированию остаточного ресурса вагонов - цистерн с истёкшим сроком службы
- Разработка уточнённой методики оценки остаточного ресурса вагонов-цистерн
- Разработка конечно-элементной расчётной схемы вагона-цистерны и планирование вычислительного эксперимента
- Разработка методики и программы экспериментальной оценки остаточного ресурса вагона - цистерны
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Парк грузовых вагонов РФ составляет свыше 1 млн. единиц подвижного состава, из них 41% полувагонов и 25% цистерн. В инвентарном парке грузовых вагонов совместного использования по состоянию на 1 января 2012 года эксплуатировалось свыше 188 тыс. вагонов с истёкшим сроком службы. На начало 2012 года списанию подлежало более 25 тыс. цистерн. В течение 2012-2015 гг. нормативный срок истечёт еще у 25 тыс. цистерн. В ближайшие десять лет под списание попадет около 60 тыс. цистерн, что составляет примерно одну треть от всего парка вагонов-цистерн. В то же время значительная часть этого парка, несмотря на истечение назначенного срока службы, удовлетворяет собственников по своим технико-экономическим характеристикам.
При продлении сроков службы особенно важным является обеспечение безопасности перевозок. В этом направлении уже достигнуты определенные успехи, но есть и весьма актуальные нерешённые задачи. Одной из них является недостаточный учёт временных и климатических факторов, влияющих на изменения физико -механических свойств металлоконструкций базовых узлов цистерн, в частности снижение ударной вязкости, что повышает вероятность их хрупкого разрушения при эксплуатации за пределами нормативного срока службы и, особенно, в суровых климатических условиях. Учёт временных и климатических изменений ударной вязкости используемых сталей при проведении работ по оценке остаточного ресурса с целью продления срока службы применяется в смежных отраслях машиностроения - в авиа- и судостроении, на трубопроводном транспорте, но ещё не нашёл должного распространения на железнодорожном транспорте. Поэтому рассмотрение этого вопроса является актуальной задачей, решение которой позволит обеспечить безопасную эксплуатацию вагонов-цистерн за пределами их нормативного срока службы.
Для решения данной проблемы в диссертации была сформулирована цель проводимых исследований.
Целью работы является разработка уточнённой методики оценки остаточного ресурса вагонов-цистерн, основанной на учёте изменения физико-механических свойств металлоконструкций их базовых узлов.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
-
Разработана уточнённая методика продления срока службы вагонов-цистерн на основе учёта изменения ударной вязкости металлоконструкций их базовых узлов.
-
Показано существенное (до 80%) снижение значений параметра ударной вязкости стали котла цистерны за время нормативного срока эксплуатации и при низких (до -60С) температурах эксплуатации.
-
Показано численное отличие результатов оценки остаточного ресурса вагона-цистерны с учётом изменения значений ударной вязкости за период эксплуатации при различных температурах, и без учёта таких изменений.
-
Установлены основные закономерности и получены зависимости изменения остаточного ресурса вагонов-цистерн при их длительной эксплуатации в различных климатических условиях.
-
Доказана теоретически и подтверждена экспериментально необходимость запрета продления сроков службы грузовых вагонов, металлоконструкции которых были изготовлены из кипящих сталей, ударная вязкость которых существенно снижается при температуре эксплуатации ниже -20С.
Практическая значимость работы:
1. Анализ изменений технического состояния вагонов-цистерн в зависимости от временных и температурных факторов позволил создать уточнённые рабочие методики оценки остаточного ресурса, применяемые
специализированными организациями-исполнителями работ по продлению сроков службы.
2. Рекомендации выполненной работы позволили теоретически обосновать предложенные ограничения, заложенные в действующем в настоящее время «Положении о продлении срока службы грузовых вагонов, курсирующих в международном сообщении», утверждённом Советом по железнодорожному транспорту государств-участников Содружества, протокол от 13-14 мая 20 Юг, № 52.
Реализация результатов работы: Результаты проведённых исследований использованы при создании нормативно-технической документации, регламентирующей проведение работ при продлении сроков службы всех типов подвижного состава, в том числе и вагонов-цистерн.
Отдельные положения и результаты работы используются при проведении НИОКР и продлении сроков службы вагонов в ОАО «НВЦ» Вагоны», ООО «НПФ «Интернаучвагонмаш», выполнении дипломных работ, бакалаврских и магистерских диссертаций на кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство» ФГБОУ ВПО ПГУПС.
Апробация работы: Основные результаты работ докладывались на VI и VII Международных научно-технических конференциях «Подвижной состав XXI века (идеи, требования, проекты)» (ПГУПС, НВЦ «Вагоны», 2009, 2011 г.г.), обсуждались на XIII Международной конференции «Проблемы механики железнодорожного транспорта» (г. Днепропетровск, ДИ-ИТ, 2012 год), на научно-технических семинарах кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ПГУПС (2009-2012 гг.).
Публикации: Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах, из них 3 - в изданиях, включённых в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ.
Структура и объем работы: Диссертация включает в себя введение , 4 главы, заключение, 3 приложения и изложена на 144 страницах машинописного текста, в том числе 21 таблица, 54 рисунка. Список литературы насчитывает 94 наименования.
Обзор и анализ исследований по прогнозированию остаточного ресурса вагонов - цистерн с истёкшим сроком службы
Предваряя обзор проведённых по теме диссертации исследований, следует отметить, что он выполнен по принципу дедукции («от общего к частному»). При этом максимальный акцент был сделан на исследованиях, непосредственно относящихся к теме выполненной работы, а именно к исследованиям по прогнозированию остаточного ресурса на основе оценки ударной вязкости базовых металлоконструкций вагонов-цистерн и изменения этой физико-механической характеристики за ретроспективный период эксплуатации и работы в различных климатических условиях, что характерно для полигонов использования этого типа подвижного состава в странах СНГ, Грузии, Латвии, Литвы и Эстонии.
Большой вклад в создание и совершенствование современных конструкций железнодорожных вагонов внесли отечественные учёные: Н.С. Бачурин, Е.П. Блохин, В.П. Богданов, Ю.П. Бороненко, В.М. Бубнов, В.И. Варава, М.Ф. Вериго, СВ. Вершинский, Л.О. Грачева, В.Н. Данилов, В.Д. Данович, Ю.В. Демин, Е.П. Дудкин, И.П. Исаев, Г.А. Казанский, Л.А. Кальницкий, А.А. Камаев, В.А. Камаев, Н.А. Ковалев, М.Л. Ковалев, Л.А. Коган, М.Л. Коротенко, В.Н. Котуранов, А.Д. Кочнов, Н.Н. Кудрявцев, Л.Д. Кузьмич, В.А. Лазарян, В.В. Лукин, А.А. Львов, Л.А. Манашкин, В.Б. Медель, Е.Н. Никольский, Н.А. Панькин, М.П. Пахомов, Г.И. Петров, B.C. Плоткин, А.А. Попов, Ю.С. Ромен, А.Н. Савоськин, И.Ф. Скиба, М.М. Соколов, Т.А. Тибилов, В.Ф. Ушкалов, В.Д. Хусидов, И.И. Челноков, Ю.М. Черкашин, Л.А. Шадур, И.Л. Шаринов, П.В. Шевченко, В.Ф. Яковлев и другие учёные, которыми решены крупные задачи исследования статической и динамической нагруженности рельсовых экипажей, что позволяет ещё на стадии проектирования вагонов прогнозировать основные показатели их прочности, надёжности и долговечности. Исследованиям, связанным с изучением, оценкой и прогнозированием технического ресурса ответственных элементов металлоконструкции грузовых вагонов, посвящены работы учёных А.А. Битюцкого, В.В. Болотина, Ю.П. Бороненко, В.М. Бубнова, М.Б. Кельриха, А.Д. Кочнова, A.M. Соколова, В.П. Сычева, СВ. Урушева, В.Н. Цюренко, Ю.М. Черкащина и ряда других учёных. Этими учёными были созданы теоретические предпосылки и предложены нормативно-технические решения, методики и алгоритмы оценки остаточного ресурса подвижного состава рельсового транспорта.
Впервые вопросы обоснования возможности продления сроков службы вагонов и способов определения их остаточного ресурса были рассмотрены в работах ученых ВНИИЖТ, ПО «Азовмаш» и ПГУПС: Ю.П. Бороненко, В.М. Бубнова, М.Б. Кельриха, А.Д. Кочнова и носили характер исследовательских опытно-конструкторских работ. Общая идея оценки остаточного ресурса вагонов с истёкшим нормативным сроком службы и управление этим ресурсом с целью продления срока службы вагонов после ремонтных воздействий разного объёма (деповского ремонта (ДР), капитального ремонта (КР), капитально-восстановительного ремонта (КВР), капитального ремонта с продлением срока службы (КРП) была сформирована в результате совместных исследований этих ученых и поддержана Департаментом вагонного хозяйства Министерства путей сообщения и Госгортехнадзором России. Практическая реализация этой идеи была начата в конце 80-х годов прошлого столетия. Накопленный опыт выполнения работ по продлению сроков службы грузовых вагонов позволил установить требуемый объем исследований, который должен быть выполнен для объективной оценки и прогнозирования остаточного ресурса вагонов, позволяющий обеспечить их безаварийную эксплуатацию за пределами нормативного срока службы. Анализ результатов этой работы позволил создать в 1996 году нормативно-технический документ [61], регламентирующий порядок выполнения работ по продлению сроков службы грузовых вагонов, а в марте 1999 года разработать и внедрить единое для стран СНГ, Латвии, Литвы и Эстонии «Положение о продлении грузовых и рефрижераторных вагонов государств участников Соглашений о совместном использовании грузовых и рефрижераторных вагонов в международном сообщении [64]. В настоящее время действует следующая редакция этого документа: «Положение о продлении срока службы грузовых вагонов, курсирующих в международном сообщении», утверждённое Советом по железнодорожному Транспорту государств - участников Содружества, протокол от 13-14 мая 2010 года № 52.
Теоретическое обоснование работ по оценке и прогнозированию остаточного ресурса вагонов было выполнено в двух монографиях А.В. Третьякова [82, 85]. Автором этих работ был предложен расчётно-экспертно статистический метод управления индивидуальным ресурсом вагонов в эксплуатации (РЭС - метод). Этот метод состоит из трех взаимосвязанных систем: мониторинга, управляющей и прогнозирующей. Система мониторинга, в свою очередь, состоит из двух подсистем: ретроспекции и диагноза. В подсистеме ретроспекции индивидуального ресурса вагона решаются задачи сбора, хранения и обработки информации о жизненном цикле вагона; оптимизации методов измерения и представления ретроспективной информации; уточнения и окончательного формирования структуры, а также состава характеристик вагона для прогнозирования его остаточного ресурса. Подсистема ретроспекции основана на автоматизированной системе управления вагонным парком транспортной компании (АСУ ВП). АСУ ВП ориентирована на транспортные потребности отдельной компании, отвечает ее задачам и интересам и, кроме того, включает ведение так называемого информационного паспорта вагона, который служит для выполнения расчетов по прогнозированию остаточного ресурса базовых компонентов вагона и является дополнением к его электронному техническому паспорту. В этом паспорте концентрируется и анализируется вся ретроспективная информация о конкретном вагоне, в том числе исходные данные о вагоне после его постройки, включая результаты проектных расчетов статической и динамической нагруженности, динамических, ходовых и эксплуатационных испытаний, а также данные о технологии изготовления, использованных материалах, нагрузках и др. В подсистеме диагностики решаются вопросы анализа реального технического состояния вагона и устанавливаются наиболее лимитирующие его компоненты. Алгоритм диагностирования технического состояния вагона включает три этапа. На первом этапе изучается интенсивность эксплуатации обследуемого вагона с целью прогнозирования нагруженности вагона и его узлов в дальнейшем. К параметрам, характеризующим этот показатель, относятся пробег, масса перевозимого груза, возможность перегруза, коэффициент порожнего пробега, возможность роспуска с сортировочных горок, вид груза и его коррозионные или абразивные свойства. На втором этапе выполняется органолептический контроль (наружный и внутренний осмотр) кузова (котла) и рамы вагона. В задачу контроля входит визуальное и метрологическое выявление отклонений геометрических размеров конструкций обследуемого вагона от проектных, выявление трещин, деформаций, других дефектов, а также определение зон углубленного исследования материала и сварных соединений. На третьем этапе проводится толщинометрия основных несущих элементов конструкции вагона. Для этого используются измерительные приборы и инструмент с целью выявления зон и степени утонения элементов металлоконструкций, которые могут возникать вследствие деформаций, коррозионного или абразивного воздействия внешней среды, грузов или сопрягающихся элементов. При положительном завершении предыдущих этапов для вагонов, перевозящих опасные грузы, должен быть проведен неразрушающий контроль в соответствии с методиками, основанными на действующих нормативных документах. Управляющая система РЭС-метода предназначена для проведения расчетно-экспертно-статистического анализа характеристик экипажа и выбора рациональных вариантов управления индивидуальным ресурсом вагона. На основе анализа обобщенной информации разрабатывается прогнозная модель функционирования вагона при будущей его эксплуатации. После реализации экономичных технических решений по обновлению характеристик вагона производится оценка его реального технического состояния. Прогнозирующая система, используя результаты работы управляющей системы, выполняет расчеты проспекции, т. е. прогнозирования запаса индивидуального ресурса вагона и рационального срока его дальнейшей эксплуатации. Расчеты выполняются с учетом динамики изменения технического состояния вагона посредством экспериментов на прогнозной модели экипажа. Важное значение для точности прогноза имеет глубина упреждения или прогнозируемый интервал будущей эксплуатации. Важнейшим элементом РЭС-метода является получение достоверной информации о техническом состоянии вагона с помощью технических средств диагностирования.
В настоящее время практическими работами по продлению сроков службы различных типов подвижного состава занимаются более 25 организаций - исполнителей этих работ из России, Украины, Белоруссии, Казахстана, Латвии, Литвы, Грузии и Узбекистана. Обновление такой информации (для российских организаций) ведётся на сайте Федерального агентства железнодорожного транспорта Минтранса РФ (ФАЖТ) -www.roszeldor.ru.
Разработка уточнённой методики оценки остаточного ресурса вагонов-цистерн
Как было показано в предыдущем разделе диссертации достоверность оценки остаточного ресурса базовых узлов вагонов - цистерн может быть повышена, если к существующим параметрам, определяющим динамическую прочность и трещиностойкость металлоконструкций добавить ранее не используемый в практике вагоностроения параметр, определяющий ударную вязкость металла. При этом подлежат установлению зависимости изменения ударной вязкости от времени прошедшей эксплуатации (ретроспекция) вагона и климатических условий его эксплуатации.
Как известно из руководящего документа [53] металлографические исследования, позволяющие учесть изменения свойств металла в ретроспективном аспекте, не носят обязательного характера и являются лишь дополнением к основному перечню работ, выполняемых при техническом диагностировании. Следовательно, на усмотрение специализированных организаций, занимающихся оценкой остаточного ресурса и продлением срока службы подвижного состава, передаётся решение вопроса о необходимости вьтолнения таких исследований. Этим же Руководящим документом перечислены случаи, когда надо проводить техническое диагностирование с металлографией: после аварий, по исчерпанию назначенного срока службы котла цистерны, при утрате паспорта котла или отсутствии в нём сведений о допускаемом числе циклов нагружения, при повторных продлениях сроков службы вагонов - цистерн.
Какие возможные следствия вытекают из такого подхода к оценке остаточного ресурса вагонов - цистерн.
Во-первых, численные значения допускаемых напряжений принимаются по ТУ завода - изготовителя и не подлежит изменению (уточнению) при выполнении нормативных прочностных расчётов за всё время жизненного цикла работы вагона.
Во-вторых, деградационные процессы, несомненно, затронули и другие физико - механические параметры, характеризующие реальное техническое состояние вагонов - цистерн, как при их постройке, так и во время эксплуатации в нормативный период жизни вагона и за его пределами. И они должны быть учтены при оценке остаточного ресурса вагонов - цистерн.
И в-третьих, показатели сопротивления усталости металлоконструкций вагонов за время жизненного цикла вагона также меняются в сторону их деградации. И это также надо учесть при оценке остаточного ресурса и назначении нового срока службы вагона.
Всё вышесказанное приводит нас к осознанной необходимости критического рассмотрения существующей методики оценки остаточного ресурса вагонов - цистерн и формированию уточнённой методики, позволяющей более достоверно оценить наличие и объём ресурсных возможностей у исследуемых конструкций.
В настоящее время методика оценки остаточного ресурса транспортных средств регламентируется нормативно - техническим документом «Единые методические указания по техническому диагностированию грузовых и рефрижераторных вагонов государств -участников Соглашений о совместном использовании грузовых и рефрижераторных вагонов в межгосударственном сообщении, утверждённым Комиссией Совета 16 января 2003 года.
На первом этапе исследования производится анализ технической документации, изучение интенсивности эксплуатации обследуемых вагонов. К параметрам, характеризующим этот показатель, относятся: пробег вагона, ремонты, проведенные модернизации, условия эксплуатации, характер перевозимых грузов. Изучение условий эксплуатации проводится путем анализа технико-эксплуатационной документации (паспорта вагона, журнала ремонта и др.), ремонтной базы, характера, объемов, сроков и качества ремонтов, получения данных по пробегу. Изучение интенсивности эксплуатации проводится с целью прогнозирования нагруженности вагона и его элементов в дальнейшей эксплуатации.
Результатом этого этапа работы является вывод о частичном или полном исчерпании запаса долговечности исследуемой конструкции по числу циклов нагружения. Максимально возможное число циклов нагружения для различных типов грузовых вагонов регламентировано «Нормами для расчёта...» [58].
При неполном исчерпании запаса долговечности в данной диссертации предлагается введение поправочного коэффициента интенсивности использования обследуемого вагона за ретроспективный промежуток времени до его обследования с целью продления срока дальнейшей эксплуатации - К ро.
Следует отметить, что достоверность установления точного значения параметра Лг невелика, а зачастую, как показывает практика работ по продлению сроков службы на различных предприятиях - собственниках вагонов, и практически равна нулю. В этом случае предлагается установление указанного параметра экспертным путём. Правомерность такого подхода, на наш взгляд, можно объяснить тем, что подвижной состав в Российской Федерации за последние 20-25 лет эксплуатировался крайне неритмично, отставлялся в запас, не был востребован, сдавался в аренду и т.д., то есть ретроспективная информация о наработке вагона может быть отнесена к группе «вагоны с неполным обеспечением количественной информацией» [85].
На втором этапе проводится визуальный и измерительный контроль рамы и котла вагона - цистерны. В задачу этого контроля входит визуально и с помощью измерительных инструментов выявление отклонений геометрических размеров конструкций обследуемого вагона от проектных размеров, выявление трещин, деформаций, других дефектов, а также определение зон углубленного исследования материала (при необходимости) и сварных соединений конструкций. Также проводится толщинометрия основных несущих элементов конструкции вагона. На этом же этапе проводится контроль сварных швов и наиболее нагруженных зон металлоконструкции вагона. После этого проводится дефектоскопия стандартными методами (ультразвуковая дефектоскопия и капиллярный контроль). Эта работа выполняется посредством измерительных приборов с целью выявления зон и степени утонения элементов, а также обнаружения мест концентрации механических напряжений в металлоконструкции вагона, которые могут возникать вследствие деформаций, коррозионного или абразивного разрушения.
Получаемая на этом этапе информация также может быть разделена на две группы - качественную и количественную. Качественная информация (выявление трещин, изменение геометрии конструкции и т.д.) в существующей на данный момент методике оценки остаточного ресурса используется в соответствии с алгоритмом, изложенным в разделе 2.2 диссертации. А именно - по результатам визуально - измерительного контроля подлежат отбраковке и исключению из инвентарного парка вагоны, имеющие недопустимые, достигшие своего предельного состояния, дефекты.
Толщинометрия и её результаты - замеры толщин листов обечаек и днищ котлов цистерн, толщин прокатных и гнутых профилей рам вагонов и т.д. может быть отнесена ко второй группе информации - количественной.
К этой же группе относятся и исследования с помощью неразрушающих методов контроля - ультразвуковая дефектоскопия и капиллярный контроль.
Минимальный объём контроля и требования к его проведению состоят в следующем. Резервуарные вагоны разделяются на группы в зависимости от объёма котла, рабочего давления и типа перевозимого груза по ГОСТ 12.1.007-76 «ССБТ» (таблица 2.5). Для каждой группы вагонов устанавливается свой объём и технология неразрушающего контроля (НК).
Толщинометрия, выполняемая с помощью ультразвуковых толщиномеров, относится ко второй группе - получение количественной информации об исследуемых вагонах. В настоящее время все специализированные организации — исполнители работ по продлению сроков службы грузовых вагонов проводят оценку остаточного ресурса, базируясь на информацию о степени коррозионной (эрозионной) деградации базовых узлов вагонов. Блок формул, используемых для оценки остаточного ресурса [53], определяется числом замеров толщин.
Разработка конечно-элементной расчётной схемы вагона-цистерны и планирование вычислительного эксперимента
Объектом исследования являлся вагон-цистерна модели 15-1443. Четырёхосная вагон-цистерна модели 15-1443 предназначена для перевозки светлых нефтепродуктов и состоит из котла, типовой платформы цистерн, крепления котла на раме, лестниц, устройства слива, предохранительной арматуры. Котёл включает цилиндрическую обечайку, сваренную из продольных листов, и два днища эллиптической формы. Котёл оборудован сливным прибором, расположенным в середине котла. Для обеспечения полного слива продукта нижний лист котла имеет уклон 25 — 30 мм к сливному прибору. Рама цистерны состоит из хребтовой балки, двух шкворневых и двух концевых балок, соединённых со шкворневыми балками боковыми обвязками. Хребтовая балка выполнена из двух швеллеров, перекрытых сверху и снизу накладками. Шкворневые балки - коробчатого сечения, сварены из верхнего, нижнего и двух вертикальных листов. Сверху на шкворневых балках укрепляются лежневые опоры котла. Концевые балки и боковые обвязки изготовлены из штамповок Г-образной формы. Котёл на раме крепят в средних и концевых её частях. Общий вид вагона-цистерны модели 15-1443 приведён на рисунке 3.9.
Конечно-элементная расчётная схема котла вагона-цистерны модели была разработана с использованием программного комплекса Solid Works Premium 2011.
Прочность котла цистерны в соответствии с «Нормами...» оценивалась при первом, третьем и испытательном режимах нагружения:
- По первому расчетному режиму рассматривается относительно редкое сочетание экстремальных нагрузок. Основное требование при расчете на прочность по этому режиму - не допустить появление остаточных деформаций (повреждений) в узле или детали. В эксплуатации первому режиму расчета соответствует: осаживание и трогание тяжеловесного состава с места; соударение вагонов при маневрах, в том числе при роспуске с сортировочных горок; экстренное торможение в поездах при малых скоростях движения.
- По третьему расчетному режиму рассматривается относительно частое возможное сочетание умеренных по величине нагрузок, характерное для нормальной работы вагона в движущемся поезде. Основное требование при расчете по этому режиму - не допустить усталостного разрушения узла или детали. В условиях эксплуатации третий расчетный режим соответствует случаю движения вагона в составе поезда по прямым и кривым участкам пути и стрелочным переводам с допускаемой скоростью, вплоть до конструкционной; при периодических служебных регулировочных торможениях; периодических умеренных рывках и толчках; штатной работе механизмов и узлов вагона.
Все элементы котла изготовлены из стали 09Г2С по ГОСТ 5520-73 . В соответствии с "Нормами...", допускаемые напряжения для стали 09Г2С по ГОСТ 5520-73 для первого расчетного режима при ударных продольных нагрузках принимались равными пределу текучести материала. Предел текучести для стали 09Г2С по ГОСТ 5520-73 при толщине листов до 20 мм принимался.
В соответствии с «Нормами...», для стали 09Г2С по ГОСТ 5520-73 модуль упругости принимался равным 2,1-105 МПа, коэффициент Пуассона принимался равным 0,3.
В расчетной схеме учитывались такие геометрические особенности котла, как отверстия под сливной прибор, люк-лаз и выштамповка в нижнем листе котла для слива перевозимого продукта. Также в расчетной схеме учитывались фасонные лапы, соединяющие котел с рамой платформы. Для более точного расчета напряженно-деформированного состояния в зоне люка лаза в расчетной схеме котла учитывалась обечайка люка-лаза. Для расчета использовались конечные элементы типа тонкая оболочка. Этот конечный элемент имеет шесть степеней свободы в каждом узле. При всех расчетных режимах котел радиально закреплялся в зонах лежневых опор и ограничивались перемещения в поперечном направлении. В зоне фасонных лап ограничивались перемещения в продольном и поперечном направлениях относительно продольной оси вагона.
При расчете учитывалось возможное утонение элементов котла за счёт коррозии. Расчет производился для шести вариантов коррозионного утонения: 1 вариант - при нормативных толщинах котла, 2 вариант - с учетом толщин, полученных при обследовании технического состояния вагона после завершения нормативного срока службы (32 года), 3 вариант - продление на 5 лет с учётом коррозии, 4 вариант - продление на 16 лет с учётом коррозии, 5 вариант - максимально допускаемый срок продления, 6 вариант - утонение листов на 30 %.
Сочетание нагрузок определялось в соответствии с таблицей 2.3
«Норм...» [58]. При расчете по первому расчетному режиму принимается следующее сочетание нагрузок действующих на котел:
— сила тяжести жидкости;
— сила тяжести котла;
— сила инерции котла;
— давление от гидроудара, прикладывается по линейному закону, от максимального значения на одном днище до нуля на другом;
— рабочее давление в котле (0,15 МПа).
Подставляя данные, в формулу (4.3) получаем, что величина продольного ускорения котла, при первом расчетном режиме, составляет 42 м/с , при третьем расчетном режиме - 12 м/с .
При расчете по третьему расчетному режиму принимается следующее сочетание нагрузок действующих на котел:
— сила тяжести жидкости;
— сила тяжести котла;
— сила инерции котла;
— давление от гидроудара, прикладываемое по линейному закону, от максимального значения на одном днище до нуля на другом;
— рабочее давление в котле;
— вертикальная динамическая сила, определяется умножением силы тяжести груза и веса котла на коэффициент вертикальной динамики, для котла вагона-цистерны.
Разработка методики и программы экспериментальной оценки остаточного ресурса вагона - цистерны
Анализ базы данных проведённых ОАО «НВЦ «Вагоны» испытаний по определению остаточного ресурса вагонов-цистерн позволил определить конкретный вагон, удовлетворяющий перечисленным выше требованиям.
Это четырёхосная вагон-цистерна № 50307933, модель 15-1443, постройки 1972 года, срок службы - 32 года, завершился нормативный срок службы в 2004 году. Цистерна собственности АО «Химпром» (г. Новочебоксарск), использовалась для перевозки едкого натра, полигоны обращения включали среднюю полосу России, районы Крайнего Севера и юго-западные районы страны и ближнего зарубежья. Общий вид испытуемой цистерны приведён на фото 4.1. Результаты толщинометрии в различных местах котла цистерны (рис.4.1) приведены в табл.4.1.
Для проведения испытаний была предусмотрена двухударная схема испытаний, при которой испытуемая цистерна использовалась в качестве вагона-бойка, который ударялся в отдельно стоящую цистерну, а затем в сцепе они ударялись в подпор. После поднятия испытуемой цистерны-бойка на горку из-за наличия уклонов подпор и отдельный вагон под действием силы тяжести в большинстве соударений возвращались в исходное положение, таким образом, осуществлялось ускорение процесса испытаний.
В качестве отдельно стоящей цистерны использовалась цистерна, конструкция рамы которой содержит боковые балки, загруженная водой массой 61 т, а испытуемая цистерна загружена водой массой 72 т.
При спуске с горки перед ударом регистрировалась скорость цистерны-бойка перед соударением при помощи двух пикетов магнитных педалей, установленных на подошве рельса, и регистрируемые сигналы от которых были выведены на аналогово-цифровой преобразователь для дальнейшей обработки с помощью специализированного программного комплекса "STRESS-1". Непосредственно при соударении регистрировалась сила, действующая на раму испытуемой цистерны, посредствам тензодатчиков, наклеенных на хребтовой балке испытуемой цистерны и предварительно оттарированной тензометрическои автосцепкой, устанавленной с ударной стороны цистерны.
Схемы распайки и наклейки тензодатчиков на раму испытуемого вагона приведены на рис.4.2 и 4.3.
Тарировка схемы регистрации усилий соударения производилась при помощи автосцепки - динамометра, установленной на время отработки режимов соударения. Тарировка производилась ступенчато, путём регистрации показаний тензометрическои схемы при известных значениях усилий, регистрировавшихся при помощи динамометрической автосцепки. На рис. 4.4 приведена схема наклейки тензорезисторов на котле испытуемого вагона - цистерны.
Установка и монтаж датчиков на котле вагона-цистерны показаны на фото 4.2,4.3. Осциллограмма изменения силы в процессе удара представлена на рис.4.5.
Величины сил соударения при скатывании цистерны с одной высоты были достаточно стабильны и разброс их численных значений не превышал 10%. Во время испытаний регистрировались силы, возникающие при соударении вагонов, по которым рассчитывался остаточный ресурс после каждого цикла нагружений.
