Материал: Вагоны-цистерны

Емкость верхнего котла соединена с нижним котлом овальным отверстием. В средней части верхний котел усилен круговыми шпангоутами коробчатого сечения. Для обеспечения максимального использования габаритного пространства шпангоуты расположены как снаружи, так и внутри котла. Для обеспечения безопасности при аварийном пробое днища, цистерны оборудованы специальными защитными щитами.

Анализ рассмотренных конструкций безрамных вагонов-цистерн показывает, что мировой практикой накоплен значительный опыт создания вагонов-цистерн безрамной конструкции. Ведущими вагоностроительными предприятиями мира ведутся поиски новых технических решений по безрамной конструкции вагона-цистерны.

Такие поиски ведутся и на ОАО НПК «Уралвагонзавод». В настоящее время на предприятии ведется проектирование вагонов-цистерн нового поколения с осевой нагрузкой 25 т/ось. Разработана конструкторская документация и изготовлены опытные образцы вагонов-цистерн безрамной конструкции моделей 15-195, 15-565, 15-566.

.4 Неисправности вагонов-цистерн, выявляемые в процессе эксплуатации

В процессе эксплуатации на вагон-цистерну действует множество неблагоприятных факторов: агрессивная среда перевозимого груза, динамические вертикальные и продольные нагрузки, возникающие при движении состава и маневровых работах, интенсивная погрузка и выгрузка груза и т.д. [8]. Наличие данных факторов обуславливает возникновение различных неисправностей вагона-цистерны.

В процессе эксплуатации выявляются следующие основные неисправности:

трещины сварных швов приварки днищ к цилиндрической части котла 1;

трещины по сварным швам в зоне опирания котла на шкворневую балку 2;

трещины в зоне расположения фасонных лап 3;

неисправности сливного прибора 4;

трещины лежневых брусков 5;

вмятины и пробоины днищ 6;

неисправности элементов стяжных хомутов и тарельчатых пружин 6;

- дефекты лестниц (ослабление крепления, деформации, изломы) 8.

Сварные швы. Сварные соединения являются наиболее ответственными конструктивными элементами вагона. Наиболее серьезным повреждением является нарушение целостности сварных швов в зоне соединения хребтовой и шкворневой балок. Чаще всего такие дефекты как трещины возникают по вертикальным сварным швам в зоне соединения зета хребтовой балки с вертикальным листом шкворневой балки и по горизонтальному сварному шву в зоне соединения нижней планки зета хребтовой балки с нижним листом шкворневой балки. Также данные дефекты возникают и в зоне соединения усиливающей косынки с вертикальным листом шкворневой балки. Все обнаруженные трещины заваривают ручной электродуговой сваркой.

Также серьезным дефектом сварных швов является неудовлетворительное качество сварных швов: пористость, непровары и раковины.

При осмотре часто встречаются непровары по сварным швам в месте приварки лобового листа концевой балки с угольником в зоне установки буферного устройства. Швы восстанавливают ручной электродуговой сваркой.

Заклепочные соединения. При осмотре состояния заклепочных соединений задних и передних упорных угольников, а также надпятниковой части упоров выявляются обрывы головок крайних заклепок. При осмотре данная неисправность наблюдается у 50% вагонов-цистерн. В ходе деповского ремонта все оборванные заклепки заменяются на новые.

В ряде случаев наблюдается отрыв заклепок крепления пятника.

Установлено, что трещины и дефекты вертикальных и горизонтальных сварных швов соединения шкворневой и хребтовой балки, а также отрывы головок крайних верхних заклепок крепления задних упоров - наиболее распространенные виды дефектов и имеют место у цистерн различных заводов-изготовителей.

Тарельчатые пружины и стяжные хомуты. К неисправностям тарельчатых пружин относят такие дефекты, как: изломы, трещины. При изломе тарельчатых пружин происходит ослабление стяжных хомутов.

Установлено, что замена на цистерне комплекта серийных тарельчатых пружин на пружины со шлифованными поясками (предназначенными для увеличения площади контакта между пружинами) значительно решает проблему появления изломов и трещин.

К неисправностям стяжных хомутов относят: коррозионные износы, трещины, деформации и срезы резьбы болтов. Зоны хомутов с трещинами или коррозионными повреждениями вырезают и вваривают вставки длиной не менее 200 мм при условии, что число вставок в полосе должно быть не более двух. Дефектные болты хомутов заменяют на новые.

Лежневые опоры. Лежневые деревянные бруски склонны к появлению трещин и гниению. Разрушенные бруски должны заменяться на новые.

Лестницы. Основными неисправностями лестниц, установленных на цистернах, является ослабление болтовых соединений и деформаций нижней части ветвей лестниц, причиной образования которых является небрежное отношение к вагону. Ремонт осуществляется правкой или заменой отдельных элементов лестниц.

Лапы котла. На цистерне может произойти ослабление гаек крепления лап котла. При подтягивании гаек на них могут появиться трещины. Болтовые крепления заменяются на новые. Трещины в фасонной лапе заваривать запрещается независимо от их длины и расположения.

Вмятины и пробоины котла. В эксплуатации на котлах чаще встречаются вмятины и пробоины на днищах, которые возникают при проведении маневровых работ от соударения с автосцепкой соединяемого вагона.

Неисправности сливного прибора, Основной причиной неисправности сливного прибора является порча резиновых уплотнений, обеспечивающих герметичность сливного прибора.

Проблема снижения повреждаемости элементов вагона имеет большое народно-хозяйственное значение. Решение этой проблемы будет способствовать выполнению плана перевозок, повышению безопасности движения поездов и сокращению расходов на ремонт.

При разработке новых конструкций вагонов необходимо анализировать неисправности, возникающие в эксплуатации с целью выработки технических решений, направленных на снижение их повреждаемости.

В данной дипломной работе применены следующие решения, направленные на снижение вероятности появления перечисленных неисправностей: сливной прибор повышенной надежности с полиуретановой прокладкой, броневая накладка на котел, приварные опоры котла, приварные упоры автосцепного устройства.

2. Разработка технического задания на проектируемый вагон

В настоящее время на ОАО НПК «Уралвагонзавод» разработан ряд вагонов-цистерн нового поколения с увеличенной осевой нагрузкой.

Вагон-цистерна модели 15-566 для перевозки светлых нефтепродуктов выполнена в безрамном варианте с пониженным центром тяжести.

Основные технические характеристики вагона-цистерны модели 15-566 приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Техническая характеристика вагона-цистерны модели 15-566

Показатель	Значение
Грузоподъемность, т	71
Масса тары, т	28,5
Объем котла, м3: полный полезный	100 98
Длина по осям сцепления автосцепок, м	14,400
База цистерны, м	9,130
Высота от уровня головок рельсов максимальная, м	4,756
Максимальная расчетная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы, кН	245
Конструкционная скорость, км/ч	120
Модель тележки	18-194
Габарит ГОСТ 9238-83	1-Т
Назначенный срок службы, лет	32

Цистерна состоит из котла, полурам с защитными экранами, двухосных тележек модели 18-194-01, автоматического и стояночного тормозов, автосцепного устройства с поглощающим аппаратом АПЭ-95-УВЗ и автосцепкой СА-3 полужесткого типа с верхним и нижним ограничителями вертикальных перемещений.

Оценка технического состояния вагона-цистерны может быть осуществлена аналитическим методом, т.е. путем сравнения данного вагона с образцами вагонов-цистерн аналогичной конструкции, эксплуатируемыми в сходных условиях и со сходными технико-экономическими показателями.

Вагоном-аналогом данной цистерны является вагон-цистерна для светлых нефтепродуктов и бензина модели 15-150-04 производства ОАО НПК «Уралвагонзавод»;

Из образцов вагонов-цистерн, спроектированных на ОАО НПК «Уралвагонзавод» наиболее сходными характеристиками обладает вагон-цистерна модели 15-195 для светлых нефтепродуктов;

Из отечественных образцов для сравнения также была отобрана вагон-цистерна для перевозки бензина модели 15-1218 производства АО «Рузхиммаш» с осевой нагрузкой 25 т;

Наибольшее распространение безрамные вагон-цистерны для светлых нефтепродуктов и бензина получили в США, поэтому для сравнения была отобрана вагон-цистерна постройки фирмы Trinity Industries Inc. - ведущего производителя вагонов-цистерн США;

В европейских странах безрамные конструкции вагонов-цистерн не нашли широкого распространения, из имеющихся образцов для сравнения была отобрана вагон-цистерна фирмы KRUPP (Германия).

Таким образом, для сравнения были отобраны следующие вагоны-цистерны:

вагон-цистерна модели 15-150-04 производства ОАО НПК «Уралвагонзавод»;

вагон-цистерна модели 15-195 производства ОАО НПК «Уралвагонзавод»;

вагон-цистерна модели 15-1218 производства АО «Рузхиммаш»;

вагон-цистерна фирмы Trinity Industries Inc., производства США;

вагон-цистерна фирмы KRUPP, производства Германии.

Сравнение образцов осуществляется по следующим технико-экономическим показателям:

грузоподъемность - масса загружаемого груза;

масса тары - масса вагона;

объем котла;

внутренний диаметр котла;

расчетная нагрузка от колесной пары на рельсы (учитывает влияние подвижного состава на железнодорожное полотно);

коэффициент тары - отношение тары к грузоподъемности;

удельный объем - объем, приходящийся на 1 т грузоподъемности;

удельная материалоемкость - отношение массы тары к объему;

длина по осям автосцепок - длина железнодорожного транспортного средства между осями сцепления автосцепных устройств.

конструкционная скорость - максимально допустимая скорость движения груженого вагона;

ширина колеи - ширина железнодорожных путей, принятая в данном государстве.

Технико-экономические показатели сравниваемых вагонов-цистерн приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Технико-экономические показатели (ТЭП) сравниваемых вагонов-цистерн

Наименование ТЭП	15-566	15-150-04	15-195	15-1218, ОА «Рузхиммаш»	Trinity Ind., США	KRUPP, Германия
	ОАО НПК «Уралвагонзавод»
Ширина колеи, мм	1520	1520	1520	1520	1435	1435
Грузоподъемность, т	71	66	72	72,5	75	60
Масса тары, т	28,5	27,5	27,5	27,6	45	30
Нагрузка от оси на рельсы, т	25	23,5	25	25	30	22,5
Объем котла, м3	100	85,6	85,8	90	127	110
Внутренний диаметр котла, мм	3200	3200	3200	3260	2500	3000
Длина по осям автосцепок, мм	14400	12020	12020	12020	20654	18000
Конструкционная скорость, км/ч	120	120	120	120	112	120
Коэффициент тары	0,4	0,42	0,38	0,38	0,6	0,5
Удельный объем, м3/т	1,41	1,29	1,19	1,24	1,69	1,83
Удельная материалоемкость, т/м3	0,29	0,42	0,32	0,31	0,35	0,27

Оценка технического уровня аналитическим методом осуществляется по следующим параметрам:

исследуемый образец превышает высшие мировые достижения, если каждое из значений выбранных для сопоставления показателей превышает более чем на 5%;

исследуемый образец соответствует мировому уровню, если отклонения значений параметров находятся в пределах ± 3%;

исследуемый образец не соответствует высшему мировому уровню, если эти отклонения в худшую сторону превышают 3%.

Вагон-цистерна модели 15-566 превосходит вагон-аналог, т.к. имеет повышенную осевую нагрузку, увеличенный на 36% объем, увеличенную на 7% грузоподъемность при меньшем коэффициенте тары.

По сравнению с вагон-цистерной модели 15-195 цистерна модели 15-566 имеет меньшую на 1,5% грузоподъемность и большую на 3,5% массу тары, а, следовательно, и больший коэффициент тары (на 5%), однако, при равном диаметре котла, вагон-цистерна модели 15-566 имеет увеличенный объем котла (на 14,2%), что позволяет полностью использовать заявленную грузоподъемность цистерны в отличие от цистерны модели 15-195, у которой при перевозке легких нефтепродуктов (плотностью менее 827 кг/ м³) невозможно полностью использовать грузоподъемность из-за малого объема котла.

В сравнении с вагон-цистерной модели 15-1218 цистерна 15-566 имеет меньшую на 2% грузоподъемность, тара её больше на 3%, но при этом объем котла вагон-цистерны модели 15-566 больше на 10%, а удельная материалоемкость меньше на 6,5%.

Вагон-цистерна фирмы Trinity Industries Inc. производства США при осевой нагрузке 30 т/ось имеет большие грузоподъемность, массу тары и объем котла, при этом ее коэффициент тары больше на 33%, а удельная материалоемкость на 17% в сравнении с вагон-цистерной 15-566.

Вагон-цистерна фирмы KRUPP, производства Германии при осевой нагрузке 22,5 т/ось в сравнении с вагон-цистерной модели 15-566 имеет меньшую на 18% грузоподъемность, массу тары больше на 5%, однако объем котла вагона-цистерны производства Германии больше на 10%, а удельная материалоемкость меньше на 7%.

Можно сделать вывод, что вагон-цистерна модели 15-566 соответствует мировому уровню, однако при меньшей, чем у остальных образцов, грузоподъемности цистерна имеет большой удельный объем (1,41 м³/т), что привело к увеличению массы тары и снижению погонной нагрузки нетто.

В результате проведенной оценки технического уровня вагона-аналога мы определили направление для модернизации конструкции вагона-цистерны по увеличению грузоподъемности за счет снижения массы тары путем оптимизации конструкции.

Проанализировав конструкцию вагона-аналога, были определены пути снижения массы тары вагона:

количество люков-лазов для загрузки груза принято равным единице, что соответствует стандартной конструкции четырехосных нефтебензиновых вагонов-цистерн;

крышка люка облегченной конструкции;

снижение массы лестниц и помостов за счет сокращения количества люков-лазов, и, как следствие, уменьшения общей длины лестниц и помостов;

исключение из конструкции защитных экранов, что не противоречит правилам перевозки опасных грузов железнодорожным транспортом и соответствует стандартной конструкции нефтебензиновой цистерны.

Масса тары вагона-цистерны, полученная в результате, составит:

,

где,  = 28500 кг - масса тары вагона-цистерны 15-566,

 = 493,2 кг - масса защитного экрана цистерны,

 = 44 кг - разница между массой помоста и лестниц старой и новой конструкции,

 - масса крышки вагона-аналога:

,

где,  - масса обечайки люк-лаза,

 = 64,3 кг - масса крышки люк-лаза.

По формуле:

Масса тары составит:

Масса тары вагона в результате модернизации была снижена на 1,26 т.

Для получения оптимальных параметров вагона был проведен многовариантный анализ возможного изменения технико-экономических показателей вагона, таких как грузоподъемность, масса тары, объем котла цистерны, диаметр котла, длина котла цистерны.

Полученные технико-экономические показатели приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Технико-экономические показатели модернизированной вагон-цистерны

Наименование ТЭП	Вагон-аналог	Модернизированная вагон-цистерна
Грузоподьемность, т	71	72,1
Масса тары, т	28,5	27,4
Масса брутто, т	99,5	99,5
Объем котла, м3	100	102
Длина котла, м	13,038	13,290
Диаметр котла, м	3,2	3,2

3. Габаритные расчеты

.1 Определение вертикальных размеров вагона

Вертикальные размеры габарита подвижного состава поверху являются одновременно и теми максимальными строительными размерами, которые может иметь проектируемый по нему подвижной состав по высоте в ненагруженном состоянии.

Наименьшие допустимые вертикальные строительные размеры проектируемого подвижного состава понизу получаются путем увеличения соответствующих вертикальных размеров габарита подвижного состава на величину возможного в эксплуатации статического параллельного понижения подвижного состава вследствие максимального нормируемого износа ходовых частей, а для обрессоренных деталей - вследствие равномерной осадки рессор.

Максимальные допустимые горизонтальные размеры подвижного состава получаются путем уменьшения поперечных размеров соответствующего габарита подвижного состава с каждой стороны на величины необходимых ограничений Е_о, Е_в, Е_н (поперечных смещений подвижного состава при вписывании в кривую расчетного радиуса с учетом наибольших допускаемых износов деталей его ходовых частей).

Максимально допускаемая ширина подвижного состава 2В на некоторой высоте H над уровнем верха головки рельса определяется по формуле:

В = 2 (В₀ - Е),

где, В₀ - полуширина соответствующего габарита подвижного состава на рассматриваемой высоте;

Е - одно из указанных ограничений.

Указанные выше ограничения определяются по формулам:

для направляющих поперечных сечений:

,

для поперечных сечений подвижного состава, расположенных между его направляющими сечениями:

,

для поперечных сечений подвижного состава, расположенных снаружи его направляющих сечений:

,

где, S - максимальная ширина колеи в кривой расчетного радиуса;

d - минимальное расстояние между наружными гранями предельно изношенных гребней колесной пары;

g - суммарное наибольшее поперечное перемещение в направляющем сечении в одну сторону из центрального положения рамы тележки относительно колесной пары;

w - суммарное наибольшее поперечное перемещение в направляющем сечении в одну сторону из центрального положения кузова относительно надрессорной балки тележки вследствие износов;

n - расстояние от рассматриваемого сечения вагона до его ближайшего направляющего сечения;

k - величина, на которую допускается выход вагона за очертание габарита в кривой радиусом 250 м;

k₁ - величина дополнительного поперечного смещения в кривой расчетного радиуса;

k₃ - уширение габарита приближения строений в расчетной кривой,

α и β - дополнительные ограничения внутренних и наружных сечений подвижного состава, имеющие место только у очень длинного подвижного состава и определяемые из условия вписывания в кривую радиусом 150 м. У обычного подвижного состава массовой постройки α и β равны нулю.

Согласно [15], раздел 4, при проектировании подвижного состава в приведенных выше формулах для определения ограничений Е₀, Е_в и Е_н отдельно взятая величина в скобках (k₁-k₂), [(k₂(L-n) n+k₁-k₃] или [(k₂(L+n) n-k₁-k₃] не учитывается, если эта величина окажется отрицательной. Но поскольку отрицательное значение указанной величины свидетельствует о недоиспользовании имеющихся уширений в кривых участках пути, расчет ограничений Е₀, Е_в и Е_н производится, исходя из ширины колеи в прямой по следующим формулам:

,

,

где,  - максимальная ширина колеи в прямой.

Определение размеров проектных очертаний вагона. Размеры проектных очертаний вагона получаются путем уменьшения размеров строительных очертаний на величины технологических отклонений, принятых при изготовлении.

Возможные отклонения в вертикальных размерах вагона:

в сторону повышения верхних частей вагона из допуска на положение оси автосцепки и допуска на высоту вагона;

в сторону понижения нижних частей вагона из допуска на высоту оси автосцепки.

Возможные отклонения в горизонтальных размерах вагона слагаются из:

плюсового конструктивного допуска на котел;

технологического допуска на величину возможного смещения пятника относительно оси хребтовой балки;

кривизны хребтовой балки на консоли.

Исходные данные для расчета габарита приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Исходные данные для расчета габарита

№ п/п	Расчетная характеристика	Величина
1	Длина консоли рамы, м	2,025
2	Прогиб рессор под нагрузкой, мм	73,70
3	Допуск на высоту автосцепки, мм	20,00
4	Конструктивный допуск по котлу, мм	11,00
5	Технологический допуск на величину возможного смещения пятника, мм	6,00
6	Минимальная высота нижних частей оборудования, мм	460,00
7	База вагона, м	9,13
8	Ограничение по вертикали верхней части вагона, мм	30,00
9	Ограничение по вертикали нижней части вагона, мм	20,00
10	Ширина колеи без контррельсов, мм	1512,00
11	Минимально допустимое расстояние между внутренними гранями колес, мм	1440,00
12	Технологическое отклонение для обрессоренных частей, мм	15,00
13	Технологическое отклонение для корпуса буксы, мм	5,00
14	Технологическое отклонение для необрессоренных частей, мм	10,00
15	База двухосной тележки, м	1,85
16	Толщина реборды колеса, мм	34,00
17	Высота центра бокового наклона на рессорах, равная радиусу колеса, мм	475,00
18	Перемещение подвижного состава вследствие зазоров между колесом и рельсом, мм	4,00
19	Смещение в за счет зазоров в челюсти буксы, мм	8,00
20	Смещение буксы относительно шейки оси, мм	1,00
21	Внутренний диаметр внутренней пружины рессорного комплекта, мм	90,00
22	Диаметр бонки на боковой раме, мм	80,00
23	Диаметр бонки на надрессорной балке, мм	80,00
24	Диаметр опорной поверхности подпятника на тележке, мм	302,00
25	Диаметр опорной поверхности пятника на кузове, мм	300,00
26	Возвышение одного рельса над другим, мм	1,00
27	Разница диаметров колес по кругу катания, мм	1,00
28	Расстояние между кругами катания колес, мм	1580,00
29	Допускаемая разность высот рессорных комплектов тележки, мм	3,00
30	Расстояние между центрами рессорных комплектов, мм	2036,00
31	Номинальный диаметр нового колеса, мм	950,00
32	Номинальный диаметр изношенного колеса, мм	852,00
33	Высота реборды колеса, мм	28,00
34	Габарит	1-Т

Результаты расчета габарита. Результаты расчета точек верхнего очертания габарита для направляющего (по шкворням), среднего (по середине вагона) и наружного (по консоли) сечений приведены в таблицах 5, 6, 7.

Таблица 5 - Расчет точек верхнего очертания габарита для направляющего сечения

№ точки	Bi	Ei	Bстрi		eпрi	Bпрi		Hi	Hi	Hстрi		eпрi	Hпрi
1	700	51	649		17	632		5300	0	5300		30	5270
2	1400	51	1349		17	1332		4500	0	4500		30	4470
3	1600	51	1549		17	1532		4250	0	4250		30	4220
4	1700	51		1649	17		1632	4000	0	4000	30		3970
5	1750	51		1699	17		1682	4000	0	4000	30		3970
6	1700	51		1649	17		1632	2600	0	2600	20		2620
7	1750	51		1699	17		1682	2600	0	2600	20		2620
8	1700	51		1649	17		1632	1270	144	1414	20		1434
9	1800	51		1749	17		1732	1270	144	1414	20		1434
10	1700	51		1649	17		1632	340	144	484	20		504

Таблица 6 - Расчет точек верхнего очертания габарита для среднего сечения

№ точки	Bi	Ei	Bстрi	eпрi	Bпрi	Hi	Hi	Hстрi	eпрi	Hпрi
1	700	51	649	17	632	5300	0	5300	30	5270
2	1400	51	1349	17	1332	4500	0	4500	30	4470
3	1600	51	1549	17	1532	4250	0	4250	30	4220
4	1700	51	1649	17	1632	4000	0	4000	30	3970
5	1750	51	1699	17	1682	4000	0	4000	30	3970
6	1700	51	1649	17	1632	2600	0	2600	20	2620
7	1750	51	1699	17	1682	2600	0	2600	20	2620
8	1700	51	1649	17	1632	1270	144	1414	20	1434
9	1800	51	1749	17	1732	144	1414	20	1434
10	1700	51	1649	17	1632	340	144	484	20	504

Таблица 7 - Расчет точек верхнего очертания габарита для наружного сечения

№ точки	Bi	Ei	Bстрi	eпрi	Bпрi	Hi	Hi	Hстрi	eпрi	Hпрi
1	700	74	626	17	609	5300	0	5300	30	5270
2	1400	74	1326	17	1309	4500	0	4500	30	4470
3	1600	74	1526	17	1509	4250	0	4250	30	4220
4	1700	74	1626	17	1609	4000	0	4000	30	3970
5	1750	74	1676	17	1659	4000	0	4000	30	3970
6	1700	74	1626	17	1609	2600	0	2600	20	2620
7	1750	74	1676	17	1659	2600	0	2600	20	2620
8	1700	74	1626	17	1609	1270	144	1414	20	1434
9	1800	74	1726	17	1709	1270	144	1414	20	1434
10	1700	74	1626	17	1609	340	144	484	20	504

Результаты расчета точек нижнего очертания габарита приведены в таблицах 8, 9, 10.

Таблица 8 - Расчет точек нижнего очертания габарита для направляющего сечения

№ точек	Bi	Ei	Bстрi	eпрi	Bпрi	Hi	Hi	Hстрi	eпрi	Hпрi
1	1440	51	1389	17	1372	330	144	474	20	494
2	1380	51	1329	17	1312	270	144	414	20	434
3	1380	51	1329	17	1312	115	144	259	20	279
4	960	17	977	17	994	115	144	259	20	279
5	960	17	977	17	994	130	144	274	20	294
6	871,5	134,5	737	17	720	130	144	274	20	294
7	871,5	134,5	737	17	720	0	0	0	0	0
8	718,5	18,5	737	17	720	0	0	0	0	0
9	718,5	18,5	737	17	720	140	144	284	20	304
10	540	17	523	17	506	140	144	284	20	304
11	540	17	523	17	506	115	144	259	20	279
12	115	17	98	17	81	115	144	259	20	279
13	115	17	98	17	81	100	144	244	20	264
14	0	0	0	0	0	100	144	244	20	264

Таблица 9 - Расчет точек нижнего очертания габарита для среднего сечения

№ точек	Bi	Ei	Bстрi	eпрi	Bпрi	Hi	Hi	Hстрi	eпрi	Hпрi
1	1440	51	1389	17	1372	330	144	474	20	494
2	1380	51	1329	17	1312	270	144	414	20	434
3	1380	51	1329	17	1312	115	144	259	20	279
4	17	977	17	994	115	144	259	20	279
5	960	17	977	17	994	130	144	274	20	294
6	871,5	134,5	737	17	720	130	144	274	20	294
7	871,5	134,5	737	17	720	0	0	0	0	0
8	718,5	18,5	737	17	720	0	0	0	0	0
9	718,5	18,5	737	17	720	140	144	284	20	304
10	540	17	523	17	506	140	144	284	20	304
11	540	17	523	17	506	115	144	259	20	279
12	115	17	98	17	81	115	144	259	20	279
13	115	17	98	17	81	100	144	244	20	264
14	0	0	0	0	0	100	144	244	20	234

Таблица 10 - Расчет точек нижнего очертания габарита для наружного сечения

№ точек	Bi	Ei	Bстрi	eпрi	Bпрi	Hi	Hi	Hстрi	eпрi	Hпрi
1	1440	71	1369	17	1352	330	144	474	20	494
2	1380	71	1309	17	1292	270	144	414	20	434
3	1380	71	1309	17	1292	115	144	259	20	279
4	960	37,5	997,5	17	1014,5	115	144	259	20	279
5	960	37,5	997,5	17	1014,5	130	144	274	20	294
6	871,5	114	757,5	17	740,5	130	144	274	20	294
7	871,5	114	757,5	17	740,5	0	0	0	0	0
8	718,5	39	757,5	17	740,5	0	0	0	0	0
9	718,5	39	757,5	17	740,5	140	144	284	20	304
10	540	37	503	17	486	140	144	284	20	304
11	540	37	503	17	486	115	144	259	20	279
12	115	37	78	17	61	115	144	259	20	279
13	115	37	78	17	61	100	144	244	20	264
14	0	0	0	0	0	100	144	244	20	264

Для проектируемого вагона, вписанного в габарит 1-Т, были рассчитаны строительные и проектные очертания для характерных сечений. Координаты точек строительного и проектного очертаний вагона приведены в таблицах 5-10. Все части вагона вписываются в соответствующие проектные очертания.

4. Разработка проектной документации на вагон-цистерну

.1 Проектирование котла цистерны

Котел выполнен с ломаной осью и стыком посередине, что обеспечивает полный слив груза и понижает центр тяжести вагон-цистерны. Такая технология изготовления котла исключает трещины, часто возникающие на штампованном сливном уклоне, являющемся концентратором напряжений;

.2 Проектирование полурамы

Каждая полурама состоит из короткой хребтовой балки, концевой, шкворневой и двух боковых балок.

Основные несущие элементы котла и полурам изготовлены из низколегированной стали марок: 12Г2ФД, 12Г2Ф по ТУ 14-1-5391-99 и 09Г2СД, 09Г2С 14 категории по ГОСТ 5520-79, обеспечивающей работоспособность конструкции при температуре до -60°С.

4.3 Сливо-наливная и контрольная арматура

Данный сливной прибор представляет собой три последовательно установленных запорных устройства. В качестве первого устройства используется шаровой кран; промежуточное устройство представляет собой дисковый затвор, и нижнее устройство аналогично ранее применяемому;

котел цистерны (рисунок 30) оборудован тремя загрузочными люками для удобства

5. Прочностные расчеты

5.1 Расчет на прочность котла цистерны

Определение величин нагрузок и схем их приложения. Оценка напряженно-деформированного состояния котла цистерны для перевозки нефтепродуктов, производится на основе метода конечных элементов МКЭ в программной среде ANSYS.

Для определения напряжений возникающих в котле цистерны в программном комплексе ANSYS необходимо представить геометрическую модель котла в виде математической модели.

Для создания математической модели котла цистерны используются конечные элементы типа SHELL63.

Элемент SHELL63 имеет возможности учета мембранного растяжения - сжатия и изгиба. Элемент имеет шесть степеней свободы в каждом узле: перемещения в направлении осей X, Y и Z узловой системы координат и повороты вокруг осей X, Y и Z узловой системы координат. Элемент имеет возможность работы с изменением жесткости при приложении нагрузок и большими перемещениями. Имеется возможность при больших перемещениях и малых поворотах применять согласованную касательную матрицу жесткости.

Геометрия, расположение узлов и координатная система элемента показаны на рисунке 37. Элемент определяется четырьмя узлами, четырьмя значениями толщины, жесткостью упругого основания и свойствами ортотропного материала. Направление ориентации ортотропного материала связано с системой координат элемента. Ось X системы координат элемента может быть повернута на угол  (в градусах).

Элемент может иметь переменную толщину. Толщина предполагается гладко изменяющейся по площади элемента и указывается в четырех узлах.

При расчете котла цистерны на рабочее давление принимаем следующие допущения:

1.           Примем днища цистерны сферической формы, т.к. сферическая форма может выдержать меньшее давление, чем эллиптическое днище;

2.      Толщину листов обечайки 10 мм;

.        Места крепления котла к лежневым опорам закрепим шарнирно-неподвижными опорами;

Нагрузка - рабочее давление, (0,25 МПа) т.е. равномерно-распределенная нагрузка по поверхности котла цистерны.

Величина давления Р₂ определяется

где    Т_ц - продольная сила инерции груза.

R - радиус цилиндрической части котла

где    N - продольная нагрузка для I и III расчетных режимов;

Р_гр - вес груза в котле;

Р_бр - вес брутто цистерны.

В качестве допущения, для дальнейших расчетов принимаем, что масса груза в котле составит 70 тонн.

Для I расчетного режима

Для III расчетного режима

Котел безрамной цистерны воспринимает также продольные усилия, передаваемые ударно-тяговыми устройствами. Приближенный расчет на эти усилия сводится к рассмотрению котла в качестве бруса, эксцентрично растянутого силой Т_р или сжатого силой Т_с.

Величина продольных сил Т_р и Т_с определяется нормами расчета вагонов на прочность, а направление сил совпадает с продольной осью автосцепки. Местами приложения растягивающих сил Т_р являются передние упоры, а сжимающих сил Т_с - задние упоры автосцепного устройства.

Продольная нагрузка попервому расчетному режиму составляет 2,5 МН, по третьему расчетному режиму 1МН.

Сравним возникающие напряжения в котле с допускаемыми значениями напряжений для материала (сталь 09Г2С), из которого сделан котел цистерны. Условие прочности элементов вагона выражается по формуле:

Допускаемые напряжения для котлов цистерн составляют для марки стали 09Г2С

=

где  - предел текучести материала, для марки стали 09Г2С =345 МПа.

== 310,5 МПа

Условие прочности выполняется, следовательно, проектируемый котел цистерны выдержит приложенные нагрузки.

6. Выбор унифицированных частей вагона

6.1 Ходовые части вагона и их параметры

В качестве ходовых частей в вагонах нового поколения используется тележка модели 18-194-01 (рисунок 33) массой 4,9 т, базой - 1850 мм, с нагрузкой от оси на рельс 245 кН (25 тс) и конструкционной скоростью 120 км/ч, разработанная на ОАО НПК «Уралвагонзавод». Несмотря на традиционную схему, данная тележка существенно отличается от серийной тележки модели 18-100. Новая тележка имеет центральное подвешивание, выполненное из витых цилиндрических двухрядных пружин повышенной гибкости с билинейной характеристикой, что позволяет улучшить динамические качества вагона. Клиновой гаситель колебаний, встроенный в узел рессорного подвешивания, оборудован износостойкими элементами, что позволяет уменьшить износы в данном узле и обеспечивает условия для поддержания стабильных параметров тележки в эксплуатации.

Тележка оборудована устройством для параллельного отвода колодок торсионного типа. Конструкция крепления тормозных башмаков на триангеле выполнена без применения резьбовых соединений, что упрощает их замену в эксплуатации. В шарнирных соединениях использованы износостойкие втулки. Буксовый узел включает в себя двухрядный конический роликовый подшипник кассетного типа. Их применение в тележке с повышенными осевыми нагрузками позволяет исключить ремонт в условиях депо, при этом межремонтный пробег составляет не менее 8 лет. Передача нагрузки от рамы тележки на буксовый узел происходит через адаптер. Узел передачи нагрузки от боковой рамы на адаптер оснащен сменной износостойкой накладкой, расположенной между боковой рамой и адаптером. Для предотвращения износа подпятникового узла и упрощения ремонта в нем установлены износостойкая пластина и приварное кольцо внутри бурта подпятника, а диаметр подпятника увеличен до 354 мм. В целях улучшения динамических качеств экипажа, уменьшения износа колес и рельсов на тележке установлены упруго-катковые скользуны.

6.2 Ударно-тяговые приборы вагона

В качестве ударно-тягового устройства в вагонах нового поколения использовано автосцепное устройство конструкции УВЗ-ВНИИЖТ, существенно улучшенное по сравнению с автосцепкой СА-3.

Новое автосцепное устройство имеет полужесткую автосцепку, усовершенствованный механизм сцепления, подпружиненную опору хвостовика автосцепки, усовершенствованное соединение клина с тяговым хомутом, усовершенствованный расцепной привод, приварные упоры.

6.3 Автотормозное оборудование

Вагон-цистерна оборудуется раздельной системой торможения с применением новых тормозных приборов с улучшенными характеристиками;

7. Расчет экономической эффективности проекта

Целью расчета является определение экономического эффекта при изготовлении безрамной вагон-цистерны для перевозки бензина (экономический эффект производителя), а также получаемого в ходе эксплуатации пользователем, вызванного увеличением грузоподъемности и снижением массы тары.

7.1 Экономический эффект производителя

В данном дипломном проекте предложены конструктивные изменения отдельных узлов вагона-цистерны, в результате чего было достигнуто снижение металлоемкости его конструкции. Для расчета экономического эффекта производителя необходимо составить ведомость изменяемых в конструкции вагона-цистерны узлов с указанием их массы на один вагон (таблица 17).

Таблица 17 - Ведомость изменяемых узлов

№ п/п	Наименование узла	Масса узла, кг
		на единицу	на вагон	Обечайка котла	7745,84 7918,58	7745,84 7918,58
2	Экран защитный	493,2 0	986,4 0
3	Лестницы и помосты	406 362	406 362
4	Крышка люка серийная	113,6 0	227,2 0
Итого:			9365,44 8280,58
Примечание: Данные в числителе приведены по базовому вагону модели 15-566, в знаменателе - по проектируемому вагону.

Все изменяемые узлы вагон-цистерны выполнены из низколегированной стали 09Г2С - 14-Н ГОСТ 5520-79. Стоимость одной тонны данной стали (от 18.03.2015) составляет С_ст= 21510 руб./т.

Экономия производителя от снижения металлоемкости вагон-цистерны определяется разностью затрат на изменяемые узлы по базовому и по проектируемому образцу:

,

где,  - затраты на изменяемые узлы, рассчитанные по базовому образцу;

 - затраты на изменяемые узлы, рассчитанные по проектируемому образцу.

Затраты на изменяемые узлы определяются стоимостью материала, израсходованного на эти узлы:

,

где,  - масса изменяемых узлов:

;

По формуле:

Экономия производителя составит:

7.2 Экономический эффект потребителя

Экономический эффект потребителя складываетя из экономии материальных средств в результате повышения производительности вагона-цистерны, обусловленного увеличением его грузоподъемности, а также снижения эксплуатационных расходов.

Эксплуатационные расходы складываются из затрат на ремонт и содержание подвижного состава. Расходы на текущий и плановый ремонт, амортизацию грузовых вагонов и их капитальный ремонт относятся на вагоно-час. Расходная ставка на вагоно-час рассчитывается по данным о цене, стоимости ремонтов и нормах амортизации, зависящих от типа вагона. При перевозке наливных грузов в нефтебензиновых цистернах в расходной ставке дополнительно учитываются расходы по промывке и пропарке цистерны. В дипломном проекте данные расходы не учитываются, т.к. определение экплуатационных расходов на этапе конструирования носит весьма приблизительный характер. Однако, исходя из того, что в проектируемой вагон-цистерне применены узлы, позволившие повысить общую надежность вагона-цистерны в эксплуатации, можно сделать вывод, что эксплуатационные расходы на содержание и ремонт спроектированной вагон-цистерны снизятся.

По данным «Сборника основных технико-экономических показателей, характеризующих эксплуатацию грузовых, пассажирских вагонов и крупнотоннажных контейнеров 1986-1990 гг.» годовая сумма экономии эксплуатационных расходов на железной дороге при снижении массы тары, увеличении полезной нагрузки на 1 тонну составляет:

для уменьшения массы тары - U₁ = 37,29 руб./т;

для повышения полезной нагрузки - U₂ = 67,69 рублей/т.

Экономический эффект потребителя определяется по формуле:

,

где, - годовая сумма экономии эксплуатационных расходов при снижении массы тары и увеличении полезной нагрузки:

где, К=50 - коэффициент пересчета цен;

 - нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений, для железнодорожного транспорта Е_н=0,1;

r_р - коэффициент реновации, определяется по формуле:

,

где, t =32 года - установленный срок службы вагона.

По формуле:

Экономический эффект потребителя составит:

Заключение

При выполнении дипломного проекта был произведен анализ существующих схем опирания котла на раму отечественных и зарубежных вагонов-цистерн. Были выявлены преимущества и возможности применения безрамной схемы вагона-цистерны.

В качестве вагона-аналога была выбрана вагон-цистерна для светлых нефтепродуктов с увеличенной осевой нагрузкой модели 15-566. В ходе выполнения дипломного проекта были улучшены технико-экономические показатели вагона: увеличены грузоподъемность на 1,1 т и объем котла на 2 м³, масса тары снижена на 1,1 т.

В конструкции использованы узлы, повышающие безопасность и надежность эксплуатации вагона-цистерны: сливной прибор повышенной надежности с полиуретановой прокладкой, броневая накладка на котел, модернизированное автосцепное устройство с приварными упорами, тележки модели 18-194-01 с увеличенным межремонтным пробегом, раздельная система торможения с применением новых тормозных приборов с улучшенными характеристиками.

Для спроектированной вагон-цистерны было проведено вписывание в габарит 1-Т. Все элементы конструкции спроектированной вагон-цистерны вписываются в установленный габарит.

Проведена оценка напряженного состояния крышки люка вагона-цистерны и определена ее необходимая толщина.

Также в дипломном проекте проведена экспертиза безопасности и экологичности проекта, в которой описаны мероприятия по обеспечению безопасности при проектировании вагона-цистерны и определены мероприятия по повышению экологической безопасности производства.

В экономической части дипломного проекта рассчитана экономическая эффективность внедрения новой конструкции вагона-цистерны производителя и потребителя. Суммарный экономический эффект на вагон-цистерну составил  рублей.

Таким образом, спроектированная вагон-цистерна имеет улучшенные технико-экономические показатели, повышенную надежность и может быть внедрена в серийное производство.

На основе проведенных исследований и анализа возможно дальнейшее проектирование и усовершенствование вагона-цистерны безрамной конструкции.

Список использованных источников

1 Е.И. Мокршицкий «История вагонного парка железных дорог СССР», М., 1946.

А.Н. Григорьев, Г.М. Асламазов, С.П. Кузьмин «Железнодорожные цистерны», Трансжелдориздат, 1959.

Данченко А.В, Лагута В.С «Новые конструкции вагон-цистерн за рубежом», ЦНИИТЭИТяжмаш, 1988.

К.В. Казимиров «Вагоны-цистерны», Трансжелдориздат, 1950.

Л.А. Шадур «Вагоны», М., 1973.

«Отчет о патентно-информационных исследованиях», Кременчуг, 1987.

Отчет о научно-исследовательской работе «Исходные требования на цистерну для нефтепродуктов с новой схемой опирания котла на раму и крепления к ней», ВНИИЖТ, 1998.

К.В. Мотовилов «Технология производства и ремонта вагонов», Маршрут, М., 2003.

М.В. Винокуров «Вагоны», М., 1953.

Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных), ГосНИИВ - ВНИИЖТ, М., 1996.

Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных), ГосНИИВ - ВНИИЖТ, М., 1996. Изменения и дополнения.

Справочное пособие «Специализированные цистерны для перевозки опасных грузов», М., 1993.

ГОСТ 5520-79. Сталь листовая углеродистая низколегированная и легированная для котлов и сосудов, работающих под давлением.

ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

ГОСТ 9238 - 83. Габариты приближения строений и подвижного состава, железных дорог колеи 1520 (1524) мм, М., 1983.

Указание по применению габаритов подвижного состава ГОСТ 9238 - 83, М., «Транспорт», 1988.

Методика расчета габаритной рамки для контроля размеров вновь построенного подвижного состава.

М. Секулович «Метод конечных элементов», М, 1993.

Release 11.0 Documentation for ANSYS.

Н.А. Шамина «Справочник по конструкционным сталям», М, 1946.

Санитарные правила и нормы, СанПиН 2.2.2.542-96, М., 1996.

Санитарные нормы и правила, СНиП 23-05-95, М., 1995.

Санитарные нормы и правила, СНиП 2.09.04-87, М., 1987.

Государственный доклад о состоянии окружающей среды и влиянии факторов среды обитания на здоровье населения Свердловской области в 2008 году.

Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.673-97 «2.1.6. Атмосферный воздух и воздух закрытых помещений. Санитарная охрана воздуха. Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.

ГОСТ 14771-76. Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные.

ГОСТ 5264-80. Ручная дуговая сварка. Соединения сварные.

ГОСТ 25199-82 (СТ СЭВ 2145-80) Оборудование пылеулавливающее. Термины и определения (утв. постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 31 марта 1982 г. №1388).

«Методические рекомендации по определению экономической эффективности мероприятий научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте», М., 1994.

«Вагоны и вагонное хозяйство» Методическое руководство к дипломному проектированию, Екатеринбург, 2005.