Материал: Вагоны-цистерны

Вагоны-цистерны

Введение

вагон цистерна неисправность

Вагонный парк, являясь массовым и одним из важнейших технических средств, выполняет основное назначение железнодорожного транспорта - перевозку разнообразных грузов и пассажиров. Его характерная особенность - взаимодействие со всеми подразделениями и техническими средствами железных дорог и многими предприятиями народного хозяйства страны.

Проектирование вагонов является сложной инженерной задачей, обеспечивающей безопасность движения поездов. В значительной мере оно влияет на технико-экономические показатели всех подразделений железных дорог и многих отраслей народного хозяйства и населения страны, пользующихся услугами железнодорожного транспорта. Вагон представляет собой сложную систему, включающую механические, электро-, теплотехнические и другие подсистемы. Поэтому в создании нового типа и конструкции вагона принимают участие специалисты научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций, заводов вагоностроительной, металлургической, электротехнической и других отраслей промышленности.

Создание новых типов и конструкций вагонов включает в себя этапы проектирования, производства и экспериментальных исследований опытных образцов, освоения серийного выпуска с учетом корректировки рабочей документации по результатам испытаний и опытной эксплуатации. На всех этапах проектирования и постройки учитывают требования, предъявляемые к подвижному составу Госстандартами и другими законодательными и нормативными документами.

Нормами установлены расчетные схемы и методы расчетов, допускаемые нагрузки, действующие на элементы вагонов, условия механизированной погрузки и выгрузки грузов, прохода криволинейных участков пути минимального радиуса и сортировочных горок. В нормах также даны рекомендации по использованию основных материалов для изготовления вагонов, характеристики ходовых частей, автосцепного устройства, тормозного оборудования и другие данные, обеспечивающие требуемую надежность в эксплуатации и качество работы оборудования. При этом проектируемые и поставляемые железнодорожному транспорту вагоны должны быть удобными при техническом обслуживании и ремонте, иметь устройства и условия для обеспечения правил техники безопасности, противопожарных требований, отвечать требованиям экологии при изготовлении и в эксплуатации.

Железнодорожный транспорт является основным видом транспорта России. На его долю приходится 43% грузооборота (с учетом трубоповодного транспорта) и 37% пассажирооборота, выполняемого транспортом общего пользования страны. В других развитых странах эта доля значительно меньше, например, в США - 35%, во Франции - 32%, в Англии - 15% общего грузооборота.

Поэтому железнодорожный транспорт в Российской Федерации имеет исключительно важное значение в жизнеобеспечении многоотраслевой экономики.

Современная промышленность, сельское хозяйство, транспорт, городское хозяйство, оборона страны требуют много нефти и нефтепродуктов.

Быстро развивающая нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность ставит перед железнодорожным транспортом важную задачу - обеспечить своевременное выполнение государственных планов нефтеперевозок.

Для обеспечения перевозок нефтепродуктов и других жидких грузов железнодорожный транспорт в своем парке вагонов имеет специальный подвижной состав, называемый цистернами.

Главной стратегической задачей в области вагонного хозяйства согласно основным направлениям развития и социальной политики железнодорожного транспорта, наряду с поддержанием работоспособности существующего парка грузовых вагонов за счет повышения качества их ремонта и модернизации узлов, является создание нового поколения вагонов повышенной надежности и экономичности. Эти направления предусматривают создание конструкции вагонов-цистерн с новой схемой опирания котла на раму и крепления к ней. В цистерностроении других стран довольно широкое распространение получила идея использования котла в качестве несущего элемента, воспринимающего продольные нагрузки. Эта идея воплощена в ряде изготавливаемых четырехосных вагонов-цистерн безрамной конструкции.

Целью данной дипломной работы является анализ имеющихся схем опирания и крепления котла и выбор оптимальной схемы по обобщенному критерию минимума эксплуатационных и капитальных затрат на вагон за срок службы при обеспечении надежности и безремонтности основных узлов, а также с учетом возможностей технологии массового производства отечественных заводов.

1. Анализ отечественных и зарубежных схем опирания котла на раму

.1 Обзор и анализ конструктивных схем отечественных вагонов-цистерн

На отечественных железных дорогах вагоны-цистерны начали эксплуатироваться с 1863 года, и к настоящему времени стали самым массовым после полувагонов типом грузового подвижного состава.

Для вагонов отечественной постройки типична рамная конструкция с трехточечной схемой соединения котла с рамой лежневого типа (рисунок 1.1), в которой вертикальная и боковая нагрузка от котла на раму передается через крайние опоры 1 с деревянными брусками (лежнями) 2.

Рисунок 1.1 − Трехточечная схема соединения котла с рамой лежневого типа

Дополнительно, в целях предотвращения вертикальных перемещений котел притянут к раме сдвоенными стяжными хомутами 3, натяжение которых обеспечивается за счет специальных муфт 4. Для предотвращения продольных смещений котел своими фасонными лапами 5, расположенными в средней части, соединен с лапами хребтовой балки 6 призонными (установленными с натягом) болтами 7. При этом концевые части котла не закреплены в продольном направлении, что позволяет им свободно перемещаться относительно рамы при деформациях, вызванных разностью температур или другими факторами.

Особенностью трехточечной лежневой схемы опирания является то, что котел нагружен в основном силами взаимодействия с грузом (статическими, динамическими и инерционными) и практически не воспринимает усилия, возникающие от взаимодействия с соседними вагонами (продольные и боковые). Это позволяет снизить напряжения в оболочке котла, но делает более нагруженной раму вагона-цистерны.

К достоинствам данной схемы можно отнести ее высокую технологичность, поскольку имеется возможность организовать изготовление котлов и платформ на независимых конвейерах и осуществлять окончательную сборку лишь на последней позиции. Это весьма привлекательно для массового производства. Кроме того, наличие деревянных брусков позволяет за счет их индивидуальной подгонки скомпенсировать в широких пределах (до 20 мм) зазоры между котлом и опорой, возникающие из-за наличия технологических допусков. Это обеспечивает более равномерное нагружение котла в опорной зоне и в то же время существенно упрощает сборку.

Другим достоинством лежневой схемы опирания следует считать ее высокую ремонтопригодность, поскольку наличие разъемного соединения позволяет беспрепятственно демонтировать котел и осуществлять ремонт, а при необходимости и замену котла и рамы по отдельности.

Вместе с тем лежневая схема опирания имеет ряд существенных недостатков. Прежде всего, это недостаточное использование потенциала несущей способности котла как замкнутой конструкции, что делает данную схему, как и любую схему рамного типа излишне металлоемкой по сравнению с безрамной конструкцией.

Применяемые в качестве лежней деревянные бруски склонны к старению, растрескиванию и гниению. Все это приводит к просадке и разрушению брусков, появлению зазоров между опорой и котлом, неблагоприятному перераспределению напряжений в опорной зоне котла.

Стяжные хомуты в эксплуатации ослабевают, а иногда скручиваются или обрываются, что также неблагоприятно сказывается на напряженном состоянии котла.

В 80-е - 90-е годы при запуске в серийное производство современных моделей вагонов-цистерн, таких как вагон-цистерна модели 15-5103-07 постройки ОАО НПК «Уралвагонзавод» (рисунок 1.2), лежневая схема опирания котла на раму подверглась значительной модернизации.

Рисунок 1.2 − Вагон-цистерна модели 15-5103-07

В частности, до 106⁰ был увеличен угол охвата опоры, количество боковых лежней увеличилось с шести до десяти. Сдвоенные стяжные хомуты были заменены одинарными увеличенного сечения. В целях обеспечения постоянного натяжения хомута муфты были заменены комплектами тарельчатых пружин.

Все это, несомненно, улучшило условия опирания котла на раму, но до конца не решило проблему надежности лежневой схемы, поскольку не исключило применение деревянных брусков и стяжных хомутов.

Интересное решение исполнения концевой опоры использовано в конструкции вагона-цистерны для нефтепродуктов модели 15-571, разработанной ОАО «НПК «Уралвагонзавод» (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Вагон-цистерна модели 15-571 с безлежневой опорой

В данной цистерне котел опирается на ложемент, охватывающий нижнюю часть котла на угол 120⁰ через упругие прокладки из полиуретана. Причем, прокладки выполнены составными по высоте, что позволяет компенсировать зазоры между котлом и опорой, возникающие из-за технологических допусков на изготовление. В целях снижения напряжений в оболочке котла в его опорной зоне установлен кольцевой шпангоут, который расположен внутри котла, что позволяет максимально увеличить диаметр и объем котла. Данное решение не нашло пока широкого применения при изготовлении вагонов-цистерн колеи 1520 мм.

В бывшем СССР, несмотря на сложившуюся специализацию вагонов-цистерн, когда все четырехосные нефтебензиновые и узкоспециализированные для перевозки химических и пищевых продуктов вагон-цистерны выпускались рамной конструкции, разработчики и исследователи вели поиски путей создания безрамной вагон-цистерны (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 − Первая отечественная безрамная четырехосная цистерна

Характерной особенностью безрамных вагонов-цистерн является то, что котел воспринимает все основные виды нагрузок, поэтому несущая рама такому вагону не требуется. Безрамные цистерны, как правило, оборудуются укороченными полурамами, расположенными в консольных частях и служащими для передачи нагрузок от котла к ходовым частям, а также для расположения ударно-тяговых устройств. Такой подход позволяет уменьшить массу вагона-цистерны и повысить ее грузоподъемность. Однако, поскольку вагоны-цистерны служат в основном для перевозки опасных грузов, к прочности и надежности котла и узлов его опирания на ходовые части предъявляют повышенные требования.

Наиболее активно проектирование вагонов-цистерн безрамной конструкции велось в 60-е -80-е годы ХХ века. В эти годы было предложено значительное количество решений по реализации безрамной схемы. А в 1969 году в серийное производство был запущен восьмиосный вагон-цистерна модели 15-871 безрамной конструкции разработанный АО «Азовмаш» в содружестве с учеными МИИТ (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Вагон-цистерна модели 15-871

С 1988 года на АО «Азовмаш» был освоен серийный выпуск восьмиосной безрамной цистерны для нефтепродуктов модели 15-1500 (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Вагон-цистерна модели 15-1500

От своей предшественницы данная цистерна отличается увеличенными грузоподъемностью и объемом котла. Внутренний диаметр котла увеличен с 3000 мм до 3200 мм. При этом, в целях вписывания в тот же габарит подвижного состава (1-Т), шпангоуты, подкрепляющие оболочку котла выполнены переменного сечения.

К сожалению, вследствие сложности конструкции четырехосных тележек, а также по ряду других причин, восьмиосные вагоны-цистерны безрамной конструкции не нашли широкого применения. Их доля в общем парке цистерн незначительна. В настоящее время в России безрамные цистерны серийно не изготавливаются, хотя опытные работы в данном направлении продолжают вестись.

.2 Анализ конструкций зарубежных вагонов-цистерн

Мировой практикой накоплен значительный опыт в создании транспортных средств, предназначенных для перевозки жидких грузов (в том числе нефтепродуктов) по железным дорогам.

Ведущими в области железнодорожного цистерностроения являются Соединенные Штаты Америки (США) и западноевропейские страны: Германия, Франция, Великобритания [3].

В настоящее время в США изготовлением вагонов-цистерн занимаются такие фирмы, как GATX, Union Tank Car Company, ACF Industries, American Railcar Industries и ряд других. В США, как и на других железных дорогах мира, длительное время использовалась рамная конструкция вагонов-цистерн.

Однако в настоящее время безрамная конструктивная схема является весьма распространенной на железных дорогах США.

В США безрамные вагоны-цистерны широко используются для перевозки целого ряда продуктов: для наливных грузов плотностью около 1,0 т/м³ (производства фирмы GATX), легких грузов имеющих плотность не более 0,8 т/м³ (производства фирмы ACF), сжиженного хлора (производства фирмы ACF), серной кислоты (тип DOT-111A100W-2 производства фирмы GATX), сжиженных пропана, аммиака, бутана и их производных (тип DOT-112 производства GATX)

Вагоны-цистерны для европейских железных дорог производятся такими фирмами, как Orval, Franco-Belge, Fauvet-Girel, Arbel Industrie (Франция), MEVA S.A. (Румыния), Tatravagonka (Словакия), Swidnica (Польша) и рядом других.

На европейских железных дорогах используются, в основном, рамные конструкции вагонов-цистерн.

Интересное решение по опорной конструкции использовано при разработке вагона-цистерны производства фабрики вагонов Swidnica (Польша).

В данной конструкции котел 1 через кольцевой шпангоут 3 опирается на ложемент 2. Между ложементом и шпангоутом находятся упругие прокладки из эластомерного материала 4. Для предотвращения вертикальных перемещений котел притянут к ложементу стяжными болтами 5.

Такое решение исключает применение деревянных брусков и стяжных хомутов, а опирание через шпангоут снижает напряжения в опорной зоне котла, несмотря на уменьшение площади опоры.

Наряду с традиционной, трехточечной схемой соединения котла с рамой, в конструкции вагонов европейских железных дорог используется двухточечная схема

Данная схема предполагает, что котел соединяется с рамой в ее консольных частях при помощи лап сложной конфигурации, воспринимающих как вертикальную, так и продольную нагрузки. Причем лапы соединяются не с хребтовой балкой, как это принято на железных дорогах колеи 1520 мм, а с боковыми балками рамы. Это связано с тем, что европейские вагоны оборудуются буферами, передающими основную долю продольных нагрузок, и подобная схема позволяет наилучшим образом осуществлять восприятие продольных нагрузок.

Кроме рассмотренных, на европейских железных дорогах нашли распространение вагоны-цистерны со схемой, при которой котел соединяется с рамой при помощи сплошных продольных лап. Например, вагон-цистерна для перевозки сжиженного газа производства фирмы Arbel Fauvet Rail.

Безрамные конструкции вагонов-цистерн не нашли широкого распространения на европейских железных дорогах.

1.3 Обзор известных технических решений по безрамным конструкциям вагонов-цистерн

Идея создания и совершенствования безрамных конструкций вагонов-цистерн привлекает внимание исследователей и разработчиков на протяжении последних 20 лет.