Содержание к диссертации
Введение
Обзор и анализ конструкций контейнеров-цистерн, требований к изготовлению. основные технические неисправности 7
1.1 Обзор конструкций контейнеров для перевозки жидких грузов 7
1.2 Анализ национальных требований предъявляемых к изготовлению контейнеров-цистерн 20
1.3 Основные технические неисправности контейнеров-цистерн в эксплуатации 25
1.4 Постановка задач исследования 29
2. Классификация контейнеров-цистерн и разработка обобщенной модели для исследования напряженно-деформированного состояния 30
2.1 Классификация контейнеров-цистерн 30
2.2 Обзор методов расчета контейнеров-цистерн и схем приложения нагрузок 34
2.3 Разработка обобщенной конечно-элементной модели контейнера-цистерны 39
2.4 Выбор граничных условий для расчета контейнеров-цистерн при продольных ударах 43
Выводы по разделу 53
3. Теоретические исследования напряженно- деформированного состояния контейнеров-цистерн 54
3.1 Исследование напряженно-деформированного состояния контейнера-
цистерны при статических нагрузках 54
3.2 Выбор конструктивного решения люка-лаза котла, соответствующего требованиям прочности 65
3.3 Исследование влияния конструкции креплений котла к каркасу на напряженно-деформированное состояние контейнера-цистерны 72
Выводы по разделу 83
4. Экспериментальные исследования нагруженности контейнеров-цистерн 85
4.1. Статические испытания контейнера-цистерны 85
4.2 Динамические испытания контейнера-цистерны 94
4.3 Гидравлические испытания котла контейнера-цистерны 102
5.2 Выводы по результатам экспериментов 112
Заключение 113
Список использованных источников 115
- Основные технические неисправности контейнеров-цистерн в эксплуатации
- Разработка обобщенной конечно-элементной модели контейнера-цистерны
- Выбор конструктивного решения люка-лаза котла, соответствующего требованиям прочности
- Гидравлические испытания котла контейнера-цистерны
Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие перевозок жидких грузов в контейнерах требует пополнения эксплуатационного парка новыми специализированными контейнерами-цистернами, которые должны обеспечивать сохранность грузов и безопасность перевозок, быть дешевы в изготовлении, обладать максимально возможной грузоподъемностью при минимальной металлоемкости и трудоемкости изготовления.
Особенность контейнеров заключается в необходимости выдерживать эксплуатационные нагрузки при перевозке различными видами транспорта. Условия эксплуатации на железнодорожном, морском и автомобильном транспорте существенно различаются. Наиболее интенсивные продольные нагрузки действуют на контейнеры-цистерны при железнодорожной транспортировке, они и определяют выбор того или иного конструктивного решения. Опыт эксплуатации контейнеров-цистерн показывает, что крепление котла к элементам каркаса и люк-лаз являются основными узлами, влияющими на надежность контейнеров-цистерн при перевозке по железным дорогам.
Планируемое увеличение грузоподъемности контейнеров и интенсификации железнодорожных контейнерных перевозок приведет к увеличению нагрузок на элементы конструкции контейнеров-цистерн. В настоящее время существует большое количество технических решений узлов крепления и люка-лаза котла контейнеров-цистерн, однако комплексной оценки напряженно-деформированного состояния, учитывающей все особенности конструкции, нет. Поэтому актуальной является задача оценки влияния конструктивных решений контейнеров-цистерн на их нагруженность в эксплуатации при перевозке железнодорожным транспортом.
Цель данной работы заключается в выборе научно обоснованных конструктивных решений, направленных на обеспечение повышения прочности основных узлов контейнеров-цистерн.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
Разработать классификацию контейнеров-цистерн по их конструктивным признакам.
Создать уточненную математическую модель для изучения напряженно-деформированного состояния контейнера-цистерны при железнодорожной транспортировке.
Исследовать напряженно-деформированное состояние контейнера-цистерны для различных конструктивных решений.
Разработать рекомендации по проектированию контейнеров-цистерн и определить рациональные конструктивные решения, отвечающие условиям безопасной транспортировки контейнеров-цистерн на подвижном составе железных дорог.
Научная новизна исследований:
Предложена классификация контейнеров-цистерн по конструкционным признакам и формам основных узлов.
Создана обобщенная математическая модель для определения напряженно-деформированного состояния контейнера-цистерны и отдельных элементов, отличающаяся уточненным описанием кинематических граничных условий, учитывающих реальные особенности нагружения контейнеров-цистерн в эксплуатации и особенности конструкции.
Исследовано влияние расположения люка-лаза котла и креплений котла к каркасу на напряженно-деформированное состояние контейнеров-цистерн.
6 Практическая ценность работы:
Научно обоснованы технические решения, позволяющие повысить прочность элементов крепления каркаса к котлу контейнера-цистерны и люка-лаза.
Разработанные автором рекомендации по изменению в конструкции контейнера-цистерны использованы на ПО «Азовмаш» при изготовлении контейнера-цистерны модели 8033-04.
Достоверность результатов. Результаты экспериментальных исследований контейнера-цистерны показали, что максимальные расхождения между теоретическими и экспериментальными данными не превышают 15% - при ударных нагружениях; 7% - при действии статических нагрузок и 11% - при гидростатическом нагружении.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях «Подвижной состав XXI века (идеи, требования, проекты) (ПГУПС, Санкт-Петербург, 2001 г.), «Подвижной состав XXI века (идеи, требования, проекты) (ПГУПС, Санкт-Петербург, 2003 г.), «Подвижной состав XXI века (идеи, требования, проекты) (ПГУПС, Санкт-Петербург, 2005 г.). Результаты работы использованы при разработке новой конструкции контейнера-цистерны на АО "Азовмаш".
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в пяти печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 4 главы, заключение и изложена на 125 страницах машинописного текста, в том числе 30 таблиц, 89 рисунков. Список использованных источников насчитывает 107 наименований.
Основные технические неисправности контейнеров-цистерн в эксплуатации
Российские стандарты: ГОСТ 14249 [17], ГОСТ 24755 [19], ГОСТ 26202 [18], ГОСТ 31232 [23]. Основные различия в стандартах и требованиях, влияющие на безопасность и надежность контейнеров-цистерн, касаются нормативных нагрузок, которые должен выдерживать контейнер-цистерна, требований к величине допускаемых напряжений, толщинам стенок и днищ контейнеров цистерн, механическим характеристикам материалов, используемых для изготовления контейнеров-цистерн, проведению испытаний на статические и динамические нагрузки. Для повышения безопасности и надежности контейнеров-цистерн необходима унификация отечественных национальных требований с международными.
Требования для отечественных производителей к нагрузкам, допускаемым напряжениям и толщинам контейнеров-цистерн изложены в Правилах изготовления контейнеров Российского Морского Регистра Судоходства [58], Международном Кодексе морской перевозки опасных грузов (IMDG Code) [47] и ГОСТ 31232 Контейнеры для перевозки опасных грузов. Требования по эксплуатационной безопасности [23].
Контейнеры-цистерны, изготавливаемые в соответствии с требованиями Российского Морского Регистра судоходства (далее Регистра), должны выдерживать воздействие сил инерции содержащегося в них груза, возникающих при движении транспортного средства. При проектировании цистерн для опасных грузов силы инерции должны быть приняты эквивалентными силам: Rg- в поперечном направлении (R-максимальный вес контейнера брутто, g - ускорение свободного падения); 4Rg - в продольном направлении; 2Rg - в вертикальном направлении. Для неопасных грузов силы инерции должны быть приняты: Rg- в поперечном направлении; 2Rg - в продольном направлении; 2Rg - в вертикальном направлении. [58]
Требования, заложенные в IMDG Code, не предусматривают разделение на опасные и неопасные грузы. Величины же максимальных нагрузок, которые должен выдерживать контейнер соответствуют требованиям Регистра для неопасных грузов. Согласно IMDG Code цистерны и их крепления, при максимальной допустимой загрузке, должны амортизировать следующие динамические силы: 2Rg в направлении движения: удвоенную общую массу; Rg в поперечном направлении: общая масса; Rg вертикально вверх: общая масса; 2Rg вертикально вниз: удвоенная общая масса. [47]. ГОСТ 31232 [23] предусматривает более строгие требования к контейнерам и их крепежным устройствам. Контейнеры, включая цистерну, каркас (если он имеется), грузоподъемные и крепежные устройства, должны выдерживать действие собственных сил инерции (каждой в отдельности), возникающих в процессе движения транспортного средства, а также при соударении вагонов во время маневровых операций, в том числе при роспуске с горок, экстренном торможении в поездах на малых скоростях движения, при следующих ускорениях: в направлении движения транспортного средства (продольном направлении) — 2g; в горизонтальном направлении, перпендикулярном движению (поперечном направлении), — lg; в вертикальных направлениях — 2g; при соударениях: для груженого контейнера — 4g; для порожнего контейнера (для проверки арматуры) — 5g. Ускорение 4g соответствует продольной силе соударения 3,5 МН, принятой в «Нормах расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм [56]. Ускорение 5g для порожних КЦ принято исключительно для проверки прочности арматуры [23]. Согласно требованиям Регистра, напряжения, которые возникают в элементах контейнеров-цистерн во время гидравлического испытания, не должны превышать 0,75 Re (0,75 Rpo,2; 0,75Rpi) или 0,5Rm в зависимости от того, что меньше (Re — минимально нормированный предел текучести при растяжении; Rp0,2 —условный предел текучести при относительном остаточном удлинении 0,2 %; Rpi—условный предел текучести при относительном остаточном удлинении 1%, принимается для аустенитных сталей; Rm - минимальный нормированный предел прочности). При соударении с ускорением 4g главное требование Регистра - не допустить видимых остаточных деформаций. Величина допускаемых напряжений по IMDG Code соответствует требованиям Регистра. При расчете или испытаниях на прочность контейнера, согласно ГОСТ 31232 [23], от действия сил инерции (кроме соударения) допускаемые напряжения принимаются равными 0,67Re или 0,67 Rpo,2, 0,67 Rpi. При соударении с ускорением 4g допускаемое напряжение принимается равным пределу текучести Re или Ro,2, Ri,o« При этом на контейнере не должно быть видимых остаточных деформаций. В требованиях Регистра к величине испытательного давления контейнеры-цистерны разделяют на контейнеры-цистерны с максимально допустимым рабочим давлением (далее МДРД) не более 0,7 МПа и на контейнеры-цистерны с МДРД не менее 0,7 МПа. В первом случае величина испытательного давления принимается равной 1,5МДРД, во втором — 1,3-1,5 МДРД. Контейнер-цистерна должен находиться под давлением не более 30 мин.
Разработка обобщенной конечно-элементной модели контейнера-цистерны
При расчете на прочность для режима, имитирующего продольный удар, к днищу контейнера-цистерны прикладывалась сила инерции груза (на рис. 2.4 представлена схема приложения этой нагрузки, при этом равномерно распределенная нагрузка заменена ее равнодействующей). Связи накладывались симметрично относительно продольной оси контейнера в узлах, соответствующих фитингам контейнера: в вертикальной направлении в четырех точках, соответствующих фитингам 1—4 (рис. 2.4), в продольном направлении - в точках, соответствующих фитингам 1 и 2, в поперечном направлении - в точках, соответствующих фитингам 1 и 3.
Схема приложения нагрузок при действии продольной инерционной силы На ведущем Российском предприятии «Уралкриомаш» для оценки напряженно-деформированного состояния контейнеров-цистерн используют пластинчатую конечно-элементная модель. Такая модель учитывает симметрию контейнера-цистерны относительно центральной вертикальной продольной плоскости и описывает 1/2 часть ее конструкции.
«Уралкриомаш» Для расчета нагруженности контейнера-цистерны при статических режимах УГУПС была предложена объемная конечно-элементная модель, для составления которой использовался тетраэдрные объемные конечные элементы с 24 степенями свободы, позволяющая более точно оценить напряженно-деформированное состояние в стойках рамы. нагрузок УГУПС Пример пластинчато-стержневой конечно-элементной модели, разработки Института технической механики НАН Украины, представлен на рис. 2.7. При создании этой модели использовались следующие конечные элементы: для моделирования каркаса и подкрепляющих шпангоутов -балочный элемент с двумя узлам (шесть степеней свободы в каждом узле), для моделирования днища - треугольный элемент тонкой упругой изотропной оболочки с тремя узлами (шесть степеней свободы в каждом узле), для моделирования обечайки - аналогичный треугольному четырехугольный элемент [4].
Проведенный обзор и анализ методов расчетов контейнеров-цистерн показал, что при расчете их на прочность методом конечных элементов для аппроксимации конструкции используются пластинчато-стержневые или пластинчатые конечно-элементные модели. По таким моделям с достаточной степенью точности можно оценить глобальные напряжения в конструкции, но при этом нерешенной или решённой недостаточно точно остается задача определения напряжений в зонах их локальной концентрации: люк-лаз котла, фитинги, крепление каркаса к котлу. Особенности геометрии обечайки люка-лаза не позволяют с достаточной степенью точности описать эту зону пластинчатым конечным элементом, поэтому в рассмотренных пластинчатых конечно-элементных моделях контейнеров-цистерн люк-лаз не учитывался. конечно-элементной модели контейнера-цистерны, во всех приведенных расчетных схемах не принималось во внимание возможное несимметричное нагружение контейнера-цистерны при продольных ударах, возникающих за счет неравномерной выборки зазоров между фитингами контейнера и упорами транспортного средства.
Поэтому в данной работе для качественной оценки напряженно-деформированного состояния конструкции контейнера-цистерны предложена разработка новых расчетных схем, в которых учитывается возможная несимметричность реального нагружения в эксплуатации и более точно описаны зоны локальной концентрации напряжений.
Основная концепция метода конечных элементов состоит в построении дискретной конечно-элементной модели области и непрерывной функции. Построение конечно-элементной модели заключается в аппроксимации области конечным числом непересекающихся подобластей, называемых конечными элементами и имеющих общие узловые точки. Вектор-функция интерполируется на каждом конечном элементе полиномом, который определяется с помощью узловых значений искомой вектор-функции.
Основную сложность при использовании метода конечных элементов представляет создание модели наиболее адекватно отражающей реальное состояние конструкции. Выбор типа элемента и функции формы определяет точность решения.
Из-за специфики конструкции контейнеров-цистерн сложно подобрать универсальный конечный элемент, позволяющий с достаточной степенью точности оценить их напряженно-деформированное состояние. С применением объемных конечных элементов возможно получение более точного результата в зоне концентрации напряжений контейнеров-цистерн. Однако их использование для описания обечайки контейнеров-цистерн осложняется тем, что наличие трех степеней свободы в каждом узле приводит к большим коэффициентам жесткости для перемещений по толщине обечайки, что может явиться причиной плохой обусловленности системы уравнений метода конечных элементов. Поэтому для расчета контейнеров-цистерн необходимо применить два типа конечных элементов: объемный (для описания люка-лаза, каркаса и элементов крепления) и пластинчатый (для описания обечайки).
Выбор конструктивного решения люка-лаза котла, соответствующего требованиям прочности
Исходные данные для расчета и конечно-элементная модель контейнера-цистерны модель приведены в разделе 2. Допускаемые напряжения для статических режимов нагружения (за исключением гидростатического режима) для торцевых рам и элементов крепления, изготовленных из стали 09Г2С по ГОСТ 19281 [20] с пределом текучести 345 МПа, составляют 230 МПа. Для гидростатического режима нагружения допускаемые напряжения для элементов котла контейнера-цистерны при нагружении испытательным давлением в соответствии с требованием Регистра [58] принимаются равными 0,5Rm (Rm - минимальное гарантированное временное сопротивление металла, принимается 490 МПа по ГОСТ 14249 [17]).
Величины нагрузок для статических режимов нагружения приведены в табл. 3.1. Кинематические и силовые граничные условия для испытательного режима нагружения контейнера-цистерны представлены на рис. 3.1. Сочетание нагрузок и их величины по испытательному режиму приведены в табл. 3.1. Испытательное давление прикладывалось как равномерно распределенная нагрузка по внутренней поверхности котла. Сила тяжести груза задавалась как нагрузка, линейно изменяющаяся от максимума в нижней части котла до нуля в верхней. где R - вес одного контейнера в штабеле брутто, R=24 т; п - число контейнеров в штабеле; g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с . Численные значения сил приведены в таблице 3.1. Нижние фитинги закреплялись от вертикальных, продольных и поперечных перемещений. Для имитации эксцентриситета при штабелировании в расчетную модель вводился элемент, имитирующий поверхность фитинга контейнера, установленного сверху и смещенного на 3,8 см в продольном направлении и 2,5 см в поперечном (рис. 3.2 б). Режим подъема за верхние угловые фитинги имитировался путем закрепления верхних фитингов контейнера от продольных, поперечных и вертикальных перемещений. В качестве нагрузок учитывались сила тяжести контейнера и гидростатическое давление груза (рис. 3.2 в). Аналогично подъему за верхние угловые фитинги задавались силовые граничные условия для режима подъема за нижние угловые фитинги. Кинематические граничные условия задавались путем закрепления нижних фитингов контейнера от продольных, поперечных и вертикальных перемещений (рис. 3.2 г). Режимы поперечного перекоса (схема 1) и поперечного перекоса (схема 2), учитывают боковые нагрузки, возникающие в эксплуатации. Внешние силы прикладывались к верхним угловым фитингам - сначала в направлении к фитингам, а затем - в противоположном. Нижние фитинги контейнера при этом закреплялись от всех перемещений (рис. 3.2 д, е). Продольный перекос - расчетный режим для проверки способности порожнего контейнера-цистерны выдерживать продольные нагрузки, возникающие в эксплуатации. При таком режиме кинематические граничные условия, аналогичны режиму поперечного перекоса. Внешние силы прикладывались к верхним угловым фитингам — сначала в направлении к фитингам, а затем - в противоположном, вдоль продольной оси контейнера (рис. 3.3 а, б). Закрепление в продольном направлении или продольное растяжение-сжатие - режим, необходимый для проверки способности груженого контейнера-цистерны выдерживать сжатие в условиях эксплуатации. При расчете на этот режим вводилось жесткое закрепление пары нижних угловых фитингов с одного торца контейнера, с другого торца фитинги закреплялись только от вертикальных перемещений. К паре нежестко закрепленных нижних угловых фитингов в продольном направлении прикладывались горизонтально две внешние силы, согласно табл. 3.1. Для всех описанных статический режимов нагружения были определенны перемещения в конструкции и напряженно-деформированное состояние контейнера-цистерны, представленное на рис. 3.4-3.14, при этом было установлено: - для гидростатического режима нагружения максимальные напряжения возникают в зоне люка-лаза котла и составляют 495 МПа, что превышает допускаемые 245 МПа на 102 %; - для режима штабелирования без учета эксцентриситета максимальные напряжения возникают в верхней части угловых стоек и составляют 289 МПа, максимальные перемещения верхней части угловых стоек составляют 2,7 мм; - для режима штабелирования с учетом эксцентриситета максимальные напряжения возникают в верхней части угловых стоек и составляют 312 МПа, максимальные перемещения верхней части угловых стоек - 3,6 мм; - для режима подъема за верхние фитинги максимальные напряжения возникают в элементах крепления, соединяющих котел с торцевой рамой, и составляют 187 МПа, максимальные перемещения в средней части обечайки - 1,68 мм; - для режима подъема за нижние угловые фитинги напряженно-деформированное состояние и перемещения представлены на рис. 3.6. Максимальные напряжения возникают в нижней части угловых стоек и составляют 212 МПа, максимальные перемещения нижней поперечины торцевой рамы - 1,68 мм; - для режима поперечного перекоса, (схема 1), максимальные напряжения возникают в двухгранниках и составляют 102 МПа, максимальные перемещения верхней части стоек - 0,94 мм; - для режима поперечного перекоса (схема 2) максимальные напряжения возникают в двухгранниках и составляют 109 МПа, максимальные перемещения верхней части стоек -1,06 мм.
Гидравлические испытания котла контейнера-цистерны
Для проверки прочности и герметичности котла контейнера-цистерны модели 8033-04, с люком-лазом расположенным на днище котла, при гидростатических нагрузках в ИЦ НВЦ «Вагоны» были проведены гидравлические испытания с тензометрированием напряженного состояния.
Гидравлические испытания проводятся после динамических испытаний в соответствии с [58], [94] и по «Программе и методике ...» [75].
В качестве внутренней нагрузки при гидравлических испытаниях используется вода. Испытания проводятся в специальном помещении, в котором поддерживается постоянная температура воздуха (не менее +5С). Условия окружающей среды, в которой проводились испытания, не повлияли на результаты испытаний и погрешность измерений.
Перед началом испытаний предохранительные и вакуумные клапаны и другая предохранительная арматура демонтировалась, а на их места устанавливались технологические заглушки.
Испытательное давление в заполненном водой котле контейнера создавалось ступенями до достижения величины давления, в 1,5 раза превышающего рабочее, и составляло 2,7 МПа [58]. При первом нагружении контейнер-цистерна находился под давлением не менее 30 минут. Величина давления контролировалась манометрами, находящимися в верхней части контейнера-цистерны. При испытаниях контейнер устанавливался в рабочее положение.
При проведении гидростатических испытаний контейнера-цистерны определялись и регистрировались: относительные деформации в контрольных точках котла, величина внутреннего давления в котле, интервал времени с момента установления в котле испытательного давления. Для этого использовалась тензометрическая аппаратура 8АНЧ-23, манометр типа МТИ 1246 и другие приборы.
Перед началом гидравлических испытаний контейнеров-цистерн производилась наклейка датчиков деформации (тензорезисторов) на опытные образцы по схеме представленной на рис. 4.14. В местах установки линейных датчиков измерялись деформации, а напряжения вычислялись по формулам 4.5 — 4.8 пункта 4.2. Напряжения в местах наклейки датчиков приведены в табл. 4.10. 1. При сравнении перемещений полученных в результате теоретических и экспериментальных исследований при статических режимах нагружения расхождение не превысило 5%. 2. Максимальное расхождение между результатами исследований при гидростатическом режиме нагружения составило 11%. 3. Результаты гидростатических испытаний различных конструктивных исполнений люка-лаза котла, подтвердили теоретическое заключение о том, что за исключением установки люка-лаза на обечайке и усилении его наружной накладкой, ни один другой из рассмотренных вариантов исполнения не удовлетворяет условиям прочности, предусмотренных требованиями Российского Морского Регистра Судоходства. Расхождение между теоретическими и экспериментальными данными составило 11%. 4. При испытаниях на продольные соударения в ИЦ НВЦ «Вагоны» максимальные усилия удара восприняли фитинги, расположенные с одной стороны, относительно продольной оси контейнера-цистерны; расхождение с теоретическими данными составило 15%. В ИЦ «Азовмаштест» максимальный продольный удар восприняли фитинги расположенные по диагонали, расхождение составило 14%. В диссертационной работе решены задачи, заключающиеся в научном обосновании и разработке конструктивных решений, направленных на повышение прочности основных элементов контейнера-цистерны. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы и рекомендации: 1. Предложена классификация контейнеров-цистерн по конструктивным признакам и показано, что все конструкции контейнеров-цистерн можно разделить на четыре основных типа: бескаркасные, цельнонесущие, рамные и каркасные. 2. Проведен анализ повреждаемости контейнеров-цистерн в эксплуатации. Установлено, что основными неисправностями, влияющими на безопасность движения и перевозок грузов, являются трещины в зоне люка-лаза и в местах соединения элементов крепления котла с каркасом. 3. Создана обобщенная конечно-элементная модель контейнера-цистерны, отличающаяся уточненным описанием зон концентрации напряжений контейнера-цистерны: люка-лаза и элементов соединения каркаса с котлом. Для расчета напряженно-деформированного состояния контейнеров-цистерн предложена объемно-пластинчатая конечно-элементная модель с использованием объемных и пластинчатых конечных элементов и сгущением сетки в опасных зонах. 4. Разработаны граничные условия для расчета напряженно-деформированного состояния контейнера-цистерны при продольных ударах в процессе железнодорожной транспортировки, учитывающие несимметричность нагруженности контейнера за счет зазоров между фитингами контейнера и упорами транспортного средства.
