Введение к работе
4S5"4
Актуальность проблемы. Одной из главных задач современного этапа развития подвижного состава является создание вагонов с кузовами повышенной прочности и коррозионной стойкости, обеспечивающих их безремонтную работу в период между капитальными ремонтами. Как показал опыт эксплуатации вагонов для перевозки коррозионно-активных грузов (кислот, минеральных удобрений) коррозионные повреждения являются причиной 60 - 65% случаев отказов вагонов. При перевозке таких грузов, вследствие коррозионного износа уменьшаются сечения элементов, изменяется их напряженное состояние, что приводит к существенному снижению несущей способности, уменьшению надежности и сокращению долговечности конструкций вагонов.
Особую актуальность вопросы изучения влияния агрессивных сред на прочность и несущую способность вагонов приобретают при оценке сроков службы и видов ремонта, а также при обеспечении их эксплуатационной надежности в течение заданного срока службы. Наметившийся рост объемов перевозок резко обозначил проблему нехватки подвижного состава и поставил задачу повышения эксплуатационной надежности существующего парка вагонов, используемого для перевозки коррозионно-активных грузов. Так, в настоящее время нехватка в рабочем парке вагонов для перевозки минеральных удобрений составляет 8000 вагонов, а к 2010 году она может возрасти до 29000 единиц. Важнейшими задачами текущего этапа считается планомерное внедрение новых технических решений и передовых технологий, направленных на повышение долговечности узлов и деталей подвижного состава.
Решение этих задач требует реализации комплекса вопросов, связанных с анализом технического состояния конструкций, их диагностики, теоретических исследований по прогнозу остаточного ресурса, а также разработки обоснованных требований к новым техническим решениям и аспектам противокоррозионной защиты вагонов.
і ... . Н-.ЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.Петербург й/g
4 Однако, существующие методы расчета элементов вагонов основаны
на математических моделях, не учитывающих специфических особенностей эксплуатации, характерных для подвижного состава, используемого для перевозки коррозионно-активных грузов. Они не учитывают изменение прочностных качеств кузова вагона в процессе эксплуатации и особенности взаимодействия материала таких конструкций с перевозимым грузом, не позволяют определить сроки службы вагонов и наметить пути повышения их эксплуатационной надежности.
Цель работы. Основная цель диссертации состоит в комплексном решении научной проблемы, заключающейся в теоретическом обобщении и разработке метода расчета прочности и долговечности элементов вагонов для перевозки коррозионно-активных грузов, и получении новых технических решений и практических рекомендаций, используемых при проектировании нового и модернизации существующего подвижного состава, научном обосновании систем противокоррозионной защиты.
Общая методика исследований. Методологической основой работы является современное представление о прочности конструктивных элементов вагонов, взаимодействующих с коррозионно-активными грузами. При теоретическом исследовании напряженного состояния и прогнозировании долговечности конструкций применялся метод конечных элементов (МКЭ), реализующий технологию расчета многослойных оболочек на основе непосредственной дискретизации МКЭ соотношений трехмерной теории упругости с использованием кинематических гипотез Тимошенко. Это позволило на единой основе разработать расчетные модели котлов вагонов-цистерн из двухслойных сталей и кузовов вагонов-минераловозов. Проверка результатов теоретических исследований производилась экспериментально на стендах с применением методов электротензометрии, сравнением с известными аналитическими, численными решениями и данными эксплуатационных испытаний вагонов. При обработке экспериментальных данных применялись мето-
5 ды математической статистики с учетом специфики сбора информации при
натурном обследовании технического состояния подвижного состава.
Научная новизна. Комплексно решена проблема прогнозирования прочности и долговечности элементов вагонов с учетом коррозионного износа. Получены следующие научные результаты:
предложено для описания взаимодействия элементов конструкций с агрессивной средой, приводящего к снижению несущей способности и сокращению ресурса вагонов, использовать совокупность частных моделей: модели конструкции, модели наступления предельного состояния, модели нагружения, модели деформирования материала, модели взаимодействия с агрессивной средой и модели материала. Разработана общая структурная схема модели «Конструкция - агрессивная среда», соответствующая различным условиям взаимодействия элементов вагонов с перевозимыми грузами;
разработана уточненная методика расчета прочности и долговечности элементов вагонов в условиях взаимодействия с коррозионно-активными грузами, основанная на методе конечных элементов и феноменологическом подходе описания кинетики разрушения материалов с учетом нелинейно-упругого деформирования материала конструкции, влияния напряженного состояния на скорость коррозии, работы защитного покрытия и срока эксплуатации вагона;
установлены закономерности и механизм коррозионного разрушения низколегированных сталей, используемых в конструкциях вагонов, от воздействия различных грузов, перевозимых в вагонах-цистернах и вагонах-минераловозах;
изучены особенности работы конструкций вагонов (вагонов-цистерн, вагонов-минераловозов) с учетом коррозионного износа и действия эксплуатационных факторов;
- предложены математические модели для расчета прочности и долговечности двухслойных котлов вагонов-цистерн и кузовов вагонов-минераловозов, учитывающие пространственное расположение коррозионных повре-
ждений, сложное напряженно-деформированное состояние элементов вагонов в зонах коррозионных повреждений, неравномерный коррозионный износ элементов кузова;
разработаны принципы построения системы прочностного мониторинга конструкций вагонов для перевозки коррозионно-активных грузов;
исследовано влияние эксплуатационных факторов на стойкость покрытий, используемых для противокоррозионной защиты вагонов при перевозке минеральных удобрений;
разработана методика прогнозирования срока службы защитных покрытий по первичной информации, получаемой в условиях эксплуатации, основанная на количественной оценке изменения во времени комплексного показателя эффективности защитных покрытий, позволяющая учесть особенности работы защитных покрытий в условиях эксплуатации вагонов для перевозки минеральных удобрений.
Практическая ценность. Разработанный в диссертации метод позволяет на стадии проектирования производить оценку прочности и долговечности элементов конструкций вагонов с учетом коррозионного износа, при минимальных затратах времени и средств на экспериментальную доводку. По результатам проведенных в диссертации исследований даны практические рекомендации по совершенствованию конструкций вагонов, позволяющие повысить их эксплуатационную надежность, обеспечить сохранность перевозимого груза, сократить эксплуатационные расходы на ремонт вагонов. Получены аналитические зависимости, позволяющие определить степень коррозионного износа элементов кузовов вагонов в зависимости от срока их эксплуатации. Предложенная классификация дефектов и эксплуатационных повреждений защитных покрытий позволила визуальным методом производить оценку состояния защитных покрытий, сократить время на техническую диагностику покрытий при ремонте, а также сократить время на разработку новых и доводку существующих материалов для противокоррозионной защиты вагонов. Разработанные в диссертации схемы противокоррозионной защиты
7 позволили обеспечить качество перевозимых продуктов, снизить затраты на
подготовку вагонов, продлить срок службы вагонов. Проведенные исследования позволили сформулировать требования к системам противокоррозионной защиты кузовов вагонов для перевозки минеральных удобрений. Реализация результатов работы.
1. Разработанные мероприятия по повышению работоспособности и
ресурса вагонов использованы при разработке новых конструкций вагонов
для перевозки минеральных удобрений на ГУЛ «ПО Уралвагонзавод» и ОАО
«БМЗ-вагон», рекомендованы секцией Вагонного хозяйства научно-
технического совета МПС РФ как дополнение в технические требования на
разработку и освоение серийного производства вагонов нового поколения
для перевозки минеральных удобрений.
-
Разработанные требования к системам противокоррозионной защиты вагонов-минераловозов использованы разработчиками лакокрасочных покрытий (ЯрНИИ ЛКП, ООО «ТэоХим») при разработке защитных покрытий кузовов вагонов для перевозки коррозионно-активных грузов.
-
Результаты опытных работ и эксплуатационных испытаний вагонов-минераловозов с противокоррозионной защитой кузовов использованы ОАО «Уралкалий», 000 «Экостройресурс» при организации специализированных участков по противокоррозионной защите вагонов-минераловозов и отработке схем защитных покрытий.
-
На основе проведенных исследований разработаны «Типовой технологический процесс противокоррозионной защиты вагонов-минераловозов. ТП-ЦВТР-5/29-2001» и «Типовой технологический процесс противокоррозионной защиты вагонов-зерновозов. ТП-ЦВТР-5/30-2001».
Типовые технологические процессы внедрены на 18 предприятиях: вагоностроительных заводах; научно-исследовательских институтах; предприятиях", имеющих в собственности вагоны; предприятиях, производящих противокоррозионную защиту кузовов вагонов; организациях лакокрасочной промышленности.
5. Разработанная методика расчета прочности вагонов-минераловозов
использовалась в ГУЛ «Уральское отделение ВНИИЖТ» при выполнении научно-исследовательских работ по оценке напряженно-деформированного состояния их кузовов.
6. Теоретическая часть диссертации написана по результатам выполне
ния Программы фундаментальных и поисковых НИР МПС РФ, тема 37.02.61
(2000 г.), 19.1.17 (2001 г.), 19.10.00 (2002 г.) раздел 8 «Исследования по со
вершенствованию узлов грузового подвижного состава, направленные на по
вышение безопасности движения и увеличения срока службы вагонов (полу
вагоны, цистерны, вагоны типа хоппер, ходовые части)»
Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях, семинарах, совещениях: науч.-техн. конференции «Современные вопросы динамики и прочности в машиностроении», г. Пермь, ППИ, 1986; XXXVI науч.-техн. конференции, посвященной 50-летию ХабИИЖТа, г. Хабаровск, 1989; науч.- практич. конференциях «Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту», г. Екатеринбург, УрГАПС, 1994, 1996; науч.-практич. конференции "Современные проблемы хозяйствования на железнодорожном транспорте", г. Челябинск, ЧИПС, 1998; юбилейной науч.-техн. конференции посвящ. 120-летию Свердловской ж.д., УрГАПС, г. Екатеринбург, 1998; Первой, Второй науч.-технич. конференциях «Подвижной состав 21 века (идеи, требования, проекты)», г. С.-Петербург, ПГУПС, 1999, 2001; науч.-технич. семинаре «Виброакустические процессы в технологиях, оборудовании и сооружениях отраслей лесопромышленного комплекса», г. Екатеринбург, УГЛТА, 1998; заседании науч.-технич. совета УКБВ ГУП «ПО Уралвагонзавод», 1999, 2003; Международной науч.-технич. конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта России», г. Ульяновск, УВАУГА, 1999; межвузовском семинаре «Системы конечно-элементного анализа конструкций и моделирова-
ния процессов и механизмов», г. Екатеринбург, 2000; науч.-технич. семинаре
кафедры «Вагоны» УрГУПС, 2000; заседании секции вагонного хозяйства науч.-технич. совета МПС РФ,"2000; Международной науч.-практич. конференции «Информацибнные технологии в моделировании и управлении», г. С.-Петербург, СПбГТУ, 2000; Второй, Третьей, Четвертой науч.-практич. конференциях «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», г. Москва, МИИТ, 1999, 2000, 2001; Международной науч.-практич. конференции «Проблемы безопасности на транспорте», г. Гомель, БелГУТ, 2000; Первой'Второй, Третьей науч.-практич. конференциях «Безопасность движения поездов», г. Москва, МИИТ, 1999, 2000, 2002; Всероссийской науч.-технич. конференции «Фундаментальные и прикладные исследования транспорту - 2000», г. Екатеринбург, УрГУПС, 2000; науч.-практич. конференции «Транссибвуз - 2000», г. Омск, ОмГУПС, 2000; заседании кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» МИИТ, 2002; заседании кафедры «Вагоны» УрГУПС, 2002.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в журнале «Железнодорожный транспорт», «Вестнике Российской Академии Транспорта», сборниках научных трудов (ДИИТ, СамИИТ, ДВГУПС, ОмГУПС, УГЛТА, БГИТА, УрГУПС), трудах конференций (БелГУТ, МИИТ, ПГУПС, УВАУГА, СПбГТУ, ЧИПС, УрГУПС), изданиях ЦНИИТЭИ МПС. Основные материалы диссертации изложены в 45 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Общий объем диссертации 421 стр., из них 340 стр. основного текста. Диссертация содержит 54 таблицы, 85 рисунков и состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе, списка литературы из 330 наименований на 34 стр. и 5 приложений на 47 стр.
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту Н.С. Бачурину, а также, В.А. Ивашову , А.В. Смольянинову, М.Г. Буткину, В.Ю. Шувалову за многолетнюю поддержку при выполнении работы и высказанные предложения и советы при обсуждении ее результатов.
