Выбор и обоснование конструкций дуг безопасности котлов цистерн

В Советском Союзе грузовые вагоны выпускали семь заводов России и четыре завода Украины. Суммарная расчетная мощность этих одиннадцати заводов на 1 января 1991 года составляла 73,12 тыс. единиц в год, из которых на долю России приходилось 48,5%, а на Украину 51,5%. При этом действовала широкая внутриотраслевая кооперация вагоностроительных заводов и сложившаяся система поставки комплектующих частей, полуфабрикатов и материалов /1/.

После распада СССР, как единого государства, на отдельные (независимые) республики, в России не осталось предприятий, специализирующихся на выпуске многих разновидностей грузовых вагонов (вагонов-цистерн для перевозки нефтяных грузов, кислот, ядохимикатов, сжиженных газов и других)/!/. Поскольку до 1992 года все научные исследования, посвященные методикам расчетов котлов цистерн были целенаправленны на конкретные предприятия (как правило, ПО «Азовмаш») и целиком передавались им, то в итоге оказалось, что Российские вагоностроительные заводы, приступившие к изготовлению цистерн, не имеют ни технической, ни методической базы, позволяющей производить прочностные расчеты котлов с последующей оценкой напряженно-деформированного состояния.

В настоящее время крупнейший вагоностроительный завод РоссииГПО «Уралвагонзавод» выпускает цистерны для перевозки широкой номенклатуры грузов: нефтеналивные, газовые, кислотные и другие.

В то же время конструкторское бюро по вагоностроению не располагает необходимыми методиками проведения прочностных расчетов котлов цистерн. Так, первые котлы цистерн для перевозки сжиженных газов были рассчитаны и поставлены заводу СП «Простор».

В связи с этим, с момента начала проектирования цистерн на ГПО «Уралвагонзавод» было принято решение об оказании помощи со стороны кафедры «Вагоны» Уральской академии путей сообщения в разработке соответствующих методик расчетов котлов цистерн и их элементов.

Опираясь на технические средства вычислительной техники, на программное обеспечение, которым в настоящее время располагает предприятие, и на опыт накопленный в процессе создания вагонной техники, а также на нормативные документы и акты, в данной работе была поставлена задача, целью которой является разработка расчетных схем, теоретических аспектов расчета оболочек применительно к последним, и выполнение расчетов конкретных объектов с целью создания теоретической и расчетной базы расчета котлов цистерн и оценки их напряженно-деформированного состояния применительно к условиям нового производства.

Полученные результаты в равной степени пригодны как для расчета котлов цистерн для перевозки нефтепродуктов, так и для расчетов котлов для перевозки опасных грузов (в данном случае — сжиженных газов).

Перевозка опасных грузов связана со значительным риском при по-грузо-разгрузочных операциях и транспортировке.

Повышение уровня транспортных технологий связано с защитой условий жизни населения, проживающего вдоль железнодорожных линий, от вредных и опасных производственных факторов, которые сопутствуют транспортным технологиям.

Нарушения, связанные с отказом техническим систем или неправильными действиями человека-оператора в поездной и маневровой работе на железнодорожном транспорте, могут приводить к крушениям и другим нарушениям в работе, которые, в свою очередь, могут приводить к техногенным катастрофам экологического, социального и экономического характера.

Ряд крупных крушений и аварий, имевших место на железнодорожном транспорте в последние годы, послужили серьезным предупреждением для принятия неотложных мер по обеспечению безопасности движения при перевозке опасных грузов.

Решение вопросов о введении в конструкцию цистерны средств физической защиты требует предварительных теоретических исследований по оценке эффективности действия и прочности конструкции котла в целом, и элементов физической защиты в частности.

Основная задача при этом заключается в определении таких вариантов конструктивных решений, которые позволили бы снизить уровень силовых воздействий на оболочку котла, вызванных аварийными режимами.

Для решения данной задачи необходимо разработать методику расчета и оценки напряженно-деформированного состояния средств физической защиты и оболочки котла (как защищаемого объекта), которая позволит решать основные вопросы, возникающие при разработке конструкций защиты.

В связи с вышеизложенным задача исследования напряженно-деформированного состояния котла цистерны для перевозки опасных грузов и его средств физической защиты при аварийных режимах и в последующем, выбор конструкции дуг безопасности и способов их соединения с котлом является актуальной.

Целью настоящей работы является выбор и обоснование конструкций дуг безопасности, установленных на котлах цистерн для перевозки опасных грузов, на основании анализа данных численных экспериментов по исследованию напряженно-деформированного состояния различных конструктивных вариантов и натурных экспериментов. В плане общей постановки задачи в работе решался ряд вопросов:

1) разработка расчетных схем и методики проведения прочностных расчетов с целью создания теоретической и расчетной базы проектирования котлов цистерн применительно к условиям производства на ГПО «Уралвагонзавод»;

2) разработка методики расчета, анализа и выбора средств физической защиты;

3) исследование влияния на напряженно-деформированное состояние оболочки котла цистерны различных конструктивных исполнений защиты и способов ее крепления.

Научная новизна работы состоит в том, что :

— разработана и реализована на ПЭВМ конечно-элементная модель и алгоритм проведения расчета котла цистерны предназначенной для перевозки углеводородных газов применительно к ГПО «Уралва-гонзавод" — разработана методика и проведен многовариантный анализ напряженно-деформированного состояния котла цистерны и дуг безопасности в зависимости от их конструктивного исполнения;

— определены наиболее рациональные конструктивные исполнения дуг безопасности, с точки зрения минимального воздействия на оболочку котла цистерны- - исследовано влияние способов крепления дуг безопасности на напряженно-деформированное состояние оболочки котла цистерны. Практическая ценность работы:

1. Диссертационная работа соответствует основным направлениям научных исследований МПС и других организаций по повышению безопасности перевозок опасных грузов, являясь частью Федеральной программы «Разработка и производство в России грузового подвижного состава нового поколения».

2. Разработанная конечно-элементная модель и алгоритм проведения прочностных расчетов котла цистерны позволяет с высокой степенью точности выполнять инженерные расчеты на базе программного комплекса «18С11А» применительно к условиям производства на ГПО «Уралвагонза-вод».

3. Разработанная методика анализа напряженно-деформированного состояния котла цистерны и дуг безопасности при аварийном режиме нагруже-ния позволяет решать вопросы по разработке конструкций дуг, их размещению на котле цистерны, выбору способов соединения с оболочкой котла и другие вопросы возникающие при проектировании цистерн для перевозки опасных грузов. 4. Конструктивные проработки дуг безопасности в значительной мере нашли свое отражение в конструкторско-технологической документации при разработке цистерн для перевозки сжиженных углеводородных газов, моделей: 908Р (производства республика Польша), 15−144 (производства ГПО «Уралвагонзавод») и 15−200 (производства АО «Рузхиммаш») и других моделей цистерн предназначенных для перевозки опасных грузов.

В заключении считаю необходимым, выразить искреннюю благодарность и глубокую признательность научному руководителю профессору А. В. Смольянинову, профессору В. Н. Филиппову, профессору В. А. Ивашову, а также сотрудникам кафедры «Вагоны» УрГАПС и научно-производственного предприятия «Мониторвагонтранс» за содействие и внимание к моей работе, за консультации и обсуждение результатов исследований, представленных в диссертации.

1. Долматов А. А., Кузьмич Л. Д., Каменомост М. Л., Кулик Н. Ф., Ратникова Т. А. Развитие парка грузовых вагонов и вагоностроительной промышленности // Железнодорожный транспорт. — 1994, — № 7. — С. 32−42.

2. Лендов В. На подступах к опасности // Гудок, 1998, — 1 октября. — № 185 (26 251).

3. Крыжановский Г. В. Безопасность движения поездов управляемый процесс //Железнодорожный транспорт. — 1989, — № 9. — С. 18−24.

4. Юрасов В. Крушение //Гудок,-1997, — 3 июля. № 115 (2594).

5. Железнодорожный транспорт за рубежом. // ЦНИИТЭИ МПС, — Сер.1. -1997, — Вып. 4, — С. 27−29.

6. Ничепорук Л. С горки бегут неуправляемые вагоны с опасными грузами на Люблинской станции // Моск. правда, — 1989. 7 мая.

7. Дмитриев В. В., Филиппов В. Н., Канивец Р. Ф., Смольянинов А. В. Совершенствование цистерн для сжиженного газа // Железнодорожный транспорт. 1991, — № 8. — С. 46−48.

8. Кузнецов К. Б. Основы безопасности жизнедеятельности (на железнодорожном транспорте): Учебное пособие. / УрГАПС. Екатеринбург, 1997.234 с.

9. Международные правила перевозки опасных грузов железнодорожным транспортом (МПОГ).- Женева: ООН, 1976 350 с.

10. Перевозка опасных грузов: Рекомендации, подготовленные Комитетом экспертов ООН по перевозке опасных грузов. Экономический и Социальный Совет. Нью-Йорк.: ООН, 1983, — 453 с.

11. Соглашение о международном грузовом сообщении (СМГС). М.: Транспорт, 1974; 191 с.

12. Правила перевозки грузов. В 2-х частях. Ч. 2.-М.: Транспорт, 1976 189 с.

13. Правила перевозки опасных грузов. М.: Транспорт, 1997. — 252 с.

14. Правила перевозки радиоактивных веществ. М.: Транспорт, 1985. — 20 с.

15. Смольянинов А. В., Филиппов В. Н. Транспортировка опасных грузов // Железнодорожный транспорт, 1990, — № 7, — С. 31−33.

16. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных).: Взамен издания 1983 г. М.: Издательство ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. 319с.

17. Железнодорожный транспорт за рубежом. Серия II. Подвижной состав. Локомотивное и вагонное хозяйство. / ЦНИИТЭИ МПС.-М., 1981, — Вып. З.-ЗОс.

18. Стали для котлов новых специализированных цистерн за рубежом // Железнодорожный транспорт за рубежом. Серия И. Подвижной состав. Локомотивное и вагонное хозяйство. / ЦНИИТЭИ МПС.-М., 1980, — Вып. 2. -С. 16−27.

19. Филиппов В. Н., Радзиховский Е. А. / Исследование поведения вагонов при аварийном соударении //Железнодорожный транспорт, 1996. № 5. с. 9−12.

20. Филиппов В. Н., Дмитриев В. В., Шебенко Ю. Б., Крыжановский Г. Б. Об эффективности технических средств защиты котлов цистерн для сжиженных углеводородных газов при аварийных ситуациях: Тезисы доклада НТС/МПС.-М., 1992.

21. Черепов О. В. Система контроля за заполнением цистерны, предназначенной для транспортировки сжиженных газов // УрГАПС. 1994. — Вып. 1(83): Актуальные проблемы безопасности на железнодорожном транспорте. — С. 52−58.

22. Колкунов Н. В., Основы расчета упругих оболочек. М.: Высшая школа, 1987,.

23. Власов В. 3. Общая теория оболочек и ее применение в технике. М.: Гостехиздат, 1949. — 784 с.

24. Вольмир А. С. Устойчивость упругих систем. М.: Физматгиз, 1963. -312с.

25. Гольденвейзер А. Л. Теория тонких упругих оболочек. М.: Наука, 1976. -512 с.

26. Новожилов В. В. Теория тонких оболочек. Л.: Судпромгиз, 1962 — 344 с.

27. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле / Пер. с англ. М.: Наука, — 1967. — 439 с.

28. Флин А. П. Матрицы в статике стержневых систем. Л.: Стройиздат, 1966.

29. Смольянинов А. В. Основы метода конечных элементов и его применение к расчету вагонных конструкций. Часть 1: Учебное пособие / Екатеринбург, 1996.-37 с.

30. Котуранов В. Н. Об определении напряженного состояния котла цистерны от опорного и гидростатического давления // Сб. науч. тр. МИИТ-1964, — Вып. 185: Вопросы вагоностроения и вагонного хозяйства С. 5−11.

31. Котуранов В. Н. Влияние начальных неровностей на напряженное состояние котла цистерны при нагружении внутренним давлением // Сб. науч. тр. / МИИТ. 1966. — Вып. 194: Строительная механика. — С. 228 — 234.

32. Котуранов В. Н., Глазкова Р. С. Исследование местных напряжений в зоне установки шпангоутов при нагружении оболочки внутренним давлением // Сб. науч. тр. МИИТ. 1971. — Вып. 368: Колебания и прочность большегрузных вагонов. — С. 82−101.

33. Котуранов В. И., Чудинов Г. Ф, Алгоритмы прочностных расчетов котлов цистерн, подкрепленных шпангоутами // Сб. науч. тр. МИИТ. 1971,-Вып. 368: Колебания и прочность большегрузных вагонов. — С. 102−107.

34. Котуранов В. Н., Пашарин С. И. Исследование напряжений в котлах железнодорожных цистерн с учетом ступенчатого изменения толщины их оболочек // Сб. науч. тр. МИИТ. 1971. — Вып. 368: Колебания и прочность большегрузных вагонов. — С. 128−142.

35. Мяченков В. И., Григорьев И. В. Расчет составных оболочечных конструкций на ЭВМ. Справочник. М.: Машиностроение, 1981. — 216 с.

36. Мяченков В. И., Мальцев В. П. Методы и алгоритмы расчетв пространственных конструкций на ЭВМ ЕС. — М.: Машиностроение, 1984. 280 с.

37. Варвак П. М., Бузун И. М., Городецкий А. С., Пискунов В. Г., Толокнов Ю. Н. Метод конечных элементов. Киев: Вища школа, 1981. 176 с.

38. Секулович М. Метод конечных элементов / Пер. с сербскогоПод ред. Барбакадзе В. М. М.: Стойиздат, 1993. — 664 с.

39. Руководство пользователя ISCRA.

40. Александров А. В., Лащенков Б. Я., Шапошников Н. Н., Смирнов В. А. Методы расчета стержневых систем, пластин и оболочек с использованием ЭВМ. Часть 2.-М.: Стройиздат, 1976. 237 с.

41. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений ив строительной механике сплошных сред. М.: Наука, 1974,.

42. Кантин Г., Клаф Р. В. Искривленный дискретный элемент цилиндрической оболочки. // Ракетная техника и космонавтика. 1968, — № в.- Т. 6.

43. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.

44. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. / Пер. с англ. М.: Мир, 1984.-428 с.

45. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов / Пер. с англ. М.: Мир, 1979.-391 с.

46. Александров А. В., Лащенков Б. Я., Шапошников Н. Н., Смирнов В. А. Методы расчета стержневых систем, пластин и оболочек с использованием ЭВМ. Часть 1.-М.: Стройиздат, 1976. 237 с.

47. Соколов В. М., Хусидов В. Д., Минкин Ю. Г. Динамическая нагружен-ность вагона. М.: Транспорт, 1981. — 207 с.

48. Блохин Е. П. Барбас Е. Г., Манашкин Л. А. И др. Расчет грузовых вагонов на прочность при ударах: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. М. Транспорт, 1989.-230 с.

49. Александров А. В., Потапов В. Д. основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа., 1990. — 400 с.

50. Александров А. В., Лащенков Б. Я., Шапошников Н. Н. Строительная механика. Тонкостенные пространственные системы.% Учебник для вузов / Под. ред Смирнова А. Ф. М.: Стройиздат, 1983. — 488 с.

51. Шапошников А. Н., Тарабасов В. Б., Петров В. Б., Мяченков В. И. Расчет машиностроительных конструкций на прочность и жесткость. М.: Машиностроение, 1981. 333 с.

52. Admi A., Analysis of Shell Structures by the Finite Element Method. Ph, D, Dissert, Department of Civil Engineering, Univ. of California, Berceley, 1961.

53. Tocher J. L., Analysis of Plate Bending Using Triangular Elements Pn. D, Dissert, Department of Civil Engineering, Univ. of California, Berceley, 1962.

54. Мяченков В. П., Мальцев В. П., и др. Расчет машиностроительных конструкций методом конечных элементов М.: Машиностроение, 1989.-520 с.

55. Мальцев В. П., Смольянинов А. В., Филиппов В. Н. Расчет на прочность котлов цистерн для перевозки сжиженных газов // Газовая промышленность. 1990 — № 5. — С. 56−59.

56. Котел для вагона-цистерны. Расчет на прочность. СП 0056.00.00.000 РР, СП 0056.00.00.000 РР1.

57. Черепов О. В. Обоснование и выбор расчетной схемы котла цистерны для перевозки опасных грузов // Фундаментальные и прикладные исследования транспорту. Тезисы докладов. Часть 1- Екатеринбург, 1995. — С. 8283.

58. Канторович 3. Б. Основы расчета химических машин и аппаратов. М.: Машгиз, 1952.-571 с.

59. Канивец Р. Ф., Филиппов В. Н., Шмыров Ю. А. Результаты эксплуатационных испытаний цистерн для перевозки сжиженных газов / МИИТ М.: 1981. — 15 е.- Деп. В ЦНИИ ТЭИ тяжмаш. 07.07.87, № 1981;ТМ87.

60. Повышение надежности специализированных вагонов-цистерн для перевозки опасных сжиженных газов: Отчет о НИР (промежуточный) / МИИТ: руководители темы: Филиппов В. Н., Канивец Р. Ф. 219/88- № TP 1 890 000 514- Инв. № 2 900 026 867. — М., 1989. 153 с.

61. Дмитриев В. В., Филиппов В. В., Канивец Р. Ф., Смольянинов А. В. Совершенствование цистерн для сжиженного газа // Железнодорожный транспорт. 1991. — № 8. — С. 46−48.

62. Смольянинов А. В., Филиппов В. Н., Черепов О. В. Напряженно-деформированное состояние дуг безопасности котлов цистерн // УрГАПС. 1996. — Вып. 4(86): Повышение надежности, совершенствования ремонта и технического обслуживания вагонов. — С. 49−55.

63. Черепов О. В. Конструкции дуг безопасности и их влияние на прочность котла цистерны // УрГАПС. 1996. — Вып. 4 (86): Повышение надежности, совершенствование ремонта и технического обслуживания вагонов. — С. 115−121.

64. Черепов О. В. Влияние способов крепления дуг безопасности на напряженно-деформированное состояние котла цистерны // УрГАПС. 1998. -Вып. 9 (91): Перспективы и состояние автотормозов подвижного состава. -С. 114−119.