Вагон-цистерна для перевозки сжиженных углеводородных газов

, (2.43)

где - удельный объём пропана, м/т

т,

т,

т.

Среднестатическая нагрузка, т

, (2.44)

где - доля перевозки пропана бутана и углеводородных газов в грузообороте.

т.

Среднединамическая нагрузка, т

, (2.45)

где - дальность перевозки пропана бутана и углеводородных газов, км.

т.

Технический коэффициент тары

, (2.46)

.

Погрузочный коэффициент тары

, (2.47)

.

Средняя погонная нагрузка нетто

, (2.48)

.

3. Краткое описание общего устройства спроектированной цистерны

Цистерна предназначена для общесетевой перевозки энергетических сжиженных углеводородных газов (пропан, бутан и их смеси для коммунально-бытового потребления по стандартам или техническим условиям заводов-изготовителей газовой продукции) и легкого углеводородного сырья для химии и нефтехимии групп СЗ-С6 и их фракций с плотностью 0,5-0,7т/м по магистральным железным дорогам колеи 1520 мм Российской Федерации, по всем железным дорогам стран-участниц ОСЖД, а также железным дорогам Германии, Австрии, Югославии, Греции, Дании, Турции и некоторых других стран Европы и Азии.

Рис. 3.1 Общий вид вагона

У рамной конструкции котел устанавливается на платформу, включающую раму, тормозное, автосцепное оборудование и ходовую часть.

У четырехосной цистерны с расстоянием между осями сцепления автосцепок 12020 мм и базой 7800 мм котел устанавливается на типовую платформу (рисунок 3.2), которая состоит из рамы сварной конструкции, автоматического и стояночного тормозов, автоматических ударно-тяговых приборов и ходовой части. Детали и узлы платформы выполняются из низколегированных и литейных сталей повышенного качества.

Рис. 3.2 Типовая платформа для четырёхосных цистерн

Параметры платформ, соответствуют требованиям, предъявляемым к подвижному составу, обращающемуся по всей сети железных дорог РФ.

Грузоподъемность, т 54,4

Масса тары, т 33,6

Габарит цистерны 02_ВМ

База, мм 9040

Высота оси автосцепки, мм 1040-1080

Сцепное устройство автосцепки

Тип тормоза автотормоз

Длина по осям сцепления автосцепок, мм 14000

Ширина колеи, мм 1520

Диаметр котла внутренний, мм 3042

Конструкционная скорость, км/ч 120

Рабочее давление в котле, кг/см

Рама платформы служит для восприятия тяговых усилий, ударов в автосцепку, а также инерционных сил котла, возникающих при изменении скорости движения. Она представляет собой сварную конструкцию, состоящую из двух шкворневых и хребтовой балок. Крепится котел к раме посредством лапы и хомутов, а укладывается на опоры, располагаемые на шкворневых балках (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Конструкция платформы

Рама представляет собой сварную конструкцию, выполненную из продольных и поперечных балок, изготовленных из стальных прокатных профилей. Она состоит из хребтовой, двух шкворневых и двух концевых балок, соединенных со шкворневыми балками короткими боковыми балками. Хребтовая балка сварена из двух швеллеров № 30, перекрытых накладками (сверху сечением 480 X 8 мм, а снизу 490 X 6 мм). На хребтовой балке имеются кронштейны для подвески тормозного оборудования, планки для крепления котла в средней части, задние и передние упоры автосцепки с розетками и надпятниковыми коробками.

Каждая шкворневая балка коробчатого сечения переменной высоты сварена из двух вертикальных листов толщиной 10 мм и двух горизонтальных листов толщиной 8 мм. На шкворневой балке смонтированы пятник, скользуны и планки для установки домкратов при подъеме вагонов. На верхнем листе шкворневой балки есть штампованные из листа стали диафрагмы - опоры с поверхностями радиальной формы. На каждой такой опоре укреплены желоба, в которые установлены и прикреплены болтами деревянные бруски. Такие бруски есть также над хребтовой балкой. Они радиальной формы и повторяют очертание поперечного сечения котла цистерны. Радиальная поверхность опор должна соответствовать наружному радиусу нижнего листа котла. В верхнем и нижнем листах шкворневых балок есть отверстия для болтов стяжных хомутов, которые крепят котел. Рама оборудуется экранами для зашиты днищ котла от пробоин при аварии. Концевые и короткие боковые балки изготовляют из штамповок Г - образной формы толщиной 6 мм. На концевой балке укреплены кронштейны для установки сигнального фонаря, расцепного рычага автосцепки, поручня сцепщика и т. д.

Котел цистерны для углеводородных газов рассчитан на рабочее давление 2,0 МПа и имеет толщину стенки цилиндрической части 24 мм и днищ 24 мм. Люк диаметром 450 мм располагается в средней части котла. Люк-лаз котла закрывается крышкой с помощью болтов. Сливо-наливная, контрольно-измерительная арматура и предохранительный клапан размещаются на крышке люка и закрыты защитным колпаком. Сливо-наливная арматура включает три вентиля с проходным сечением Dy32_Dy40 - два жидкостных и один газовый. Контрольно-измерительная арматура включает два вентиля контроля предварительного и предельного уровня наполнения, вентиль контроля слива, вентиль для зачистки остатков продукта. Котел цистерны оборудован наружными стационарными лестницами, помостом и ограждениями, обеспечивающими безопасный доступ к оборудованию, расположенному наверху котла, приспособлением для присоединения заземления, а также дугами для защиты сливо-наливной и предохранительной арматуры.

Сливо-наливное устройство цистерны для сжиженных газов (рис. 3.4) включает два жидкостных 1 и один газовый 2 (уравнительный) вентиля с условным проходом D_y40 (Dy38, D_y32), к которым присоединены скоростные клапаны 3. К жидкостным вентилям присоединены сливо-наливные трубы 4, концы которых закреплены в воронке 5 и доходят до поддона 6.



Рис. 3.4 Сливо-наливное устройство Рис. 3.5 Скоростной клапан

Скоростной клапан (рис. 3.5) предназначен для автоматического перекрытия сливо-наливных и уравнительного вентилей в случае разрыва внешних сливо-наливных и уравнительных шлангов. Клапан состоит из двух муфт 1, 5, трубы корпуса 2, кольца 4, прокладки 3 и ползуна 6. Ползун обеспечивает автоматическое перекрытие выходного отверстия клапана при достижении критической скорости истечения жидкости и удерживается в верхнем положении за счет внутреннего давления в цистерне.

Контрольно-измерительное устройство (рис. 3.6) включает вентили контроля слива 1, контроля предварительного уровня налива 2, предельного уровня налива 3, дренажа (зачистки) 5 и манометродержатель 4. На вентилях контроля уровня и слива установлены трубки соответствующей длины. Маховики вентилей окрашены в разные цвета: предварительного уровня наполнения - в зеленый, предельного - в красный.



Рис. 3.6 Контрольно-измерительное устройство

Рис. 3.7 Предохранительный клапан

Пружинный предохранительный клапан (рис. 3.7) состоит из корпуса-втулки 1 с присоединительным фланцем, втулки 2, с конусным седлом клапана, запрессованном в корпус, тарельчатого клапана 6, на котором укреплена крышка 4 с резиновой прокладкой 5, обеспечивающей полную герметичность сопряжения конусных поверхностей седла и тарели. Опирание тарели клапана на седло обеспечивает разгрузку от действия запирающей пружины 7 резиновой прокладки и увеличивает срок её службы. Крышка 4 крепится специальной гайкой 3, регулирующей прижатие резиновой прокладки к наружной плоскости тарели клапана. Давление срабатывания (открытия) клапана определяется усилием начальной затяжки пружины 7 и регулируется гайками 9, на которые усилие пружины передается через опорную втулку 8 и сферическую шайбу 10.

У цистерн рамной конструкции для предотвращения смещения котла из-за продольных усилий (рис. 3.8) он крепится к раме в средней части специальными болтами 4, запрессованными в лапы рамы и лапы котла 3. Крепление концевых частей котла, лежащих на деревянных брусках 2, прикрепленных к желобам опор шкворневых балок рамы, осуществляется двумя хомутами 1 с тарельчатыми пружинами.

Рис. 3.8 Крепление котла на раме

Внутри хребтовой балки установлены передний и задний упоры, между которыми монтируются авто сцепные устройства.

На кронштейнах рамы установлено тормозное оборудование цистерны (рис. 3.9), состоящее из тормозного цилиндра 12 № 188 Б или воздухораспределителя 11 № 483М, запасного резервуара 6 Р7-78, автоматического регулятора рычажной передачи 2 усл. № 574Б, рычагов 3, тяг 1, 10, воздухопровода 4, разобщительного крана 5, авторежима 9 модели 265А_1. На раме крепят также поддерживающие 16 и предохранительные скобы 17. Главный воздухопровод оборудован концевыми кранами 7 и соединительными рукавами 8 типа Р17Б. Для регулировки рычажно-тормозной передачи служит рычажный привод бескулисного авторегулятора, включающий в себя рычаг-упор 14, регулирующий винт 15, распорку 13. Отрегулированная рычажно-тормозная передача обеспечивает зазор между тормозной колодкой и колесом в пределах 5-8 мм в расторможенном состоянии и выход штока тормозного цилиндра в пределах 50-125 мм в заторможенном состоянии.

Рис. 3.9 Схема тормозного оборудования

На платформе установлен стояночный тормоз, предназначенный для затормаживания цистерны на погрузочно-разгрузочных пунктах. Он состоит (рис. ЗЛО) из тяги 5, соединенной с горизонтальными рычагами автотормоза, червячного сектора 4, червячного вала 2 со штурвалом 1 и ручки-фиксатора 3. Стояночный тормоз приводится в рабочее (левое) и нерабочее (правое) положения перемещением червячного вала 2 со штурвалом 1. Фиксирует червячный вал 2 в рабочем или нерабочем положении ручка фиксатора 3, цистерна затормаживается поворотом штурвала 1 по часовой стрелке. Для растормаживания ее ручку-фиксатор необходимо повернуть на 90° в горизонтальное положение. При этом под воздействием возвратной пружины штока тормозного цилиндра червячный вал со штурвалом отбрасывается в нерабочее положение (вправо).

Рис. 3.10 Стояночный тормоз

Ходовая часть цистерны состоит из двух двухосных тележек модели 18-578 УВЗ.

Тележка модели 18-578 УВЗ (рис. 3.11), рассчитанная на конструкционную скорость движения 120 км/ч, состоит из двух колёсных пар 1 с четырьмя буксовыми узлами 4, двух литых рам 2, надрессорной балки 3, двух комплектов центрального подвешивания 5 с фрикционными гасителями колебаний и тормозной рычажной передачи.

Рис. 3.11 Двухосная тележка грузовых вагонов модели 18-578 УВЗ

Одной из конструктивных особенностей тележки 18-578 УВЗ является использование более совершенной схемы опирания кузова - часть нагрузки передается на подпятник, а часть - через скользуны 1 (рис. 3.12).

Рис. 3.12 Тележка модели 18-578 УВЗ

Применяются различные виды скользунов: а) роликовый - уменьшается износ гребней колес и рельсов при вписывании вагона в кривые, б) упругий и в) упруго-роликовый - снижается износ элементов тележки и значительно повышается критическая скорость по вилянию. В подпятнике надрессорной балки имеется съемная износостойкая прокладка и приварные износостойкие полукольца 2. Рессорное подвешивание 3 повышенной гибкости и имеет билинейную характеристику. Это улучшает ходовые качества вагона и уменьшает воздействие на путь.

В конструкции тележки 18-578 УВЗ применяются приварные износостойкие планки на наклонных поверхностях надрессорной балки и промежуточной контактной планки из износостойкого материала установленной между вертикальной поверхностью фрикционного клина и фрикционной планкой 4. Применяются фрикционные клинья различной конструкции: а) из марганцовистой стали 120Г10ФЛ повышенной износостойкости с полиуретановой накладкой, б) из марганцовистой стали 120Г10ФЛ повышенной износостойкости, в) из высокопрочного термоупрочненного чугуна ВЧ 120 с полиуретановой накладкой. Клинья с полиуретановыми накладками применяются с надрессорной балкой без приварных износостойких планок на наклонных поверхностях. Боковая рама тележки имеет коробчатое сечение концевых частей (рис. 3.13) б) со сменной износостойкой накладкой 5, что повышает надежность надбуксового проема. В буксовом узле применяются подшипники (рис. 3.12) а) кассетный подшипник с адаптером, б) с кассетный подшипник в корпусе буксы.

а) тележка модели 18-100 б) тележка модели 18-578 УВЗ

Рис. 3.13 Сечения по консольной части боковых рам

Ударно-тяговые приборы цистерны (рис. 3.14) включают в себя полужесткую автосцепку типа СА-ЗМ, поглощающий аппарат типа 73ZW, тяговый хомут, клин хомута, крепление тягового хомута, балочку центрирующую с двумя маятниками, расцепной рычаг, укрепленный на лобовом листе рамы с помощью кронштейна и державки расцепного рычага.



Рис. 3.14 Автосцепка типа СА-ЗМ

Корпус автосцепки усилен. В нижней части малого зуба расположено направляющее крыло 1 (рис. 3.14), увеличивающее зону улавливания в сторону малого зуба по горизонтали до 240 мм. Крыло предназначено также для ограничения вертикального перемещения сцепленных автосцепок. На корпусе имеется центрирующий прибор 2 маятникового типа с упругой опорой для хвостовика, расцепной привод 3 жёсткого типа с пространственным шарниром, не требующий регулировки в эксплуатации. Торец хвостовика корпуса имеет плоскую форму, а упорная плита 4 выполнена с направляющими, служащими для предупреждения её перекоса при эксцентричном нагружении. Клин 5 тягового хомута имеет большую поверхность контакта с хвостовиком, что исключает смятие металла.

Поглощающий аппарат 73ZW (рис. 3.15) оборудован высокоэффективными эластомерными амортизаторами, установленными в мощном корпусе.



Рис. 3.15 Эластомерный поглощающий аппарат типа 73ZW

Аппарат состоит из корпуса 2 (рис. 3.15), упорной плиты с болтами 3, монтажных планок 4, и эластомерного амортизатора 1. Для предварительного поджатая аппарата с целью облегчения монтажа при постановке на вагон, между монтажными планками 4 и приливами корпуса закладываются дистанционные вкладыши 5, которые выпадают при первом сжатии аппарата в процессе маневровых работ. Эластомерный амортизатор 1 типа KZE_5_R2-1 представляет собой цилиндрический корпус из высокопрочной стали, заполненный высоковязким упруго сжимаемым рабочим материалом (эластомером) KAMAXIL. При сжатии амортизатора шток входит в корпус и сжимает эластомер, создавая высокое внутреннее давление. При ударном (динамическом) сжатии амортизатора поглощение энергии происходит за перетекания (дросселирования) рабочего материала через калиброванный зазор между корпусом амортизатора и поршнем, установленным на штоке.

4. Оценка эластомерного поглощающего аппарата

Эластомерные поглощающие аппараты в 2…3 раза превосходят серийные пружинно-фрикционные аппараты по энергоёмкости и обеспечивают благодаря этому лучшую защиту вагона и перевозимого груза от повреждающего воздействия продольных сил в поездном маневровом режиме эксплуатации. Кроме того, эти аппараты обладают высокой стабильностью силовой характеристики, надежностью, большим сроком службы. Имея достоинства, эластомерные аппараты, несмотря на высокую стоимость, перспективны для массового применения на грузовых вагонах и локомотивах.

Конструктивный ход, мм - 90 Динамическая емкость, кДж -130 Сила начальной затяжки, кН - 200

В связи с повышением требований безопасности, предъявляемых к вагонам для перевозки опасных грузов, МПС приняло решение о замене пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов на современные эластомерные поглощающие аппараты с более высокой энергоёмкостью. На сегодняшний день МПС разрешает установку на вагоны трех моделей эластомерных поглощающих аппаратов: 73ZW, АПЭ_120_И и АПЭ_95_УВЗ (рис. 4.1).

Конструктивный ход, мм - 90

Динамическая ёмкость, кДж - 130

Сила начальной затяжки, кН - 200

Статическая сила сопротивления, кН -1000

Номинальная скорость соударения вагонов, м/сек - 3

Диапазон рабочих температур - от -60 до +50

Установочные габариты - по ГОСТ 3475-81, Масса в сборе, кг - 214

Рис. 4.1 Эластомерные поглощающие аппараты 73ZW, АПЭ_95_УВЗ, АПЭ_120_УВЗ

Таблица 4.1. Эксплуатационные показатели эластомерных поглощающих аппаратов

Тип аппарата	Ход, мм	Скорость соударения , км/ч	Энергоёмкость , кДж	Состояние разработки
73 ZW	90	13	130	Серийное производство с 1996 г
АПЭ_120_И	120	13,5	157	Испытания
АПЭ_95_УВЗ	95	10	110	Испытания

Принцип действия эластомерного аппарата основан на свойстве объёмной сжимаемости эластомерного материала (эластомера) - композиции на основе высокомолекулярных элементоорганических каучуков. При сжатии аппарата подвижный шток вдавливается в рабочую камеру, заполненную эластомером. Объём рабочей камеры и заполняющего эластомера уменьшается, а давление внутри камеры и усилие сопротивления на штоке увеличиваются. Величины давления и усилия определяются объёмом рабочей камеры и относительным изменением этого объёма в результате перемещения штока и упругими характеристиками эластомера.

Рис. 4.2 Характеристики поглащающих аппаратов

На рис. 4.2 приведены характеристики поглощающих аппаратов. На группе графиков видно, что применение эластомерных поглощающих аппаратов на обоих сталкивающихся вагонах (голубая кривая) при скорости соударения около 9 км/час снижает силу удара вдвое, по сравнению (зеленая кривая) с фрикционными поглощающими аппаратами (1350 против 2900 kN). Что же касается чисто фрикционных пар, то кривая сил удара вообще уходит в запрещенное поле (кривая желтого цвета). Распределение скоростей соударения вагонов на сортировочных горках сети дорог и расчетно-эмпирическая функция распределения энергии соударения показывает, что применение эластомерных аппаратов позволяет снизить вероятность возникновения сверхнормативных сил, действующих на вагоны в эксплуатации на 85 %. То есть, 85 % всех сверхнормативных продольных сил, действующих в настоящее время на вагоны в эксплуатации и вызывающих повреждения элементов конструкции вагонов, будут снижены до уровня не превышающего нормативных сил, и, следовательно, не вызовут повреждений. Из этого можно сделать вывод, что число отцепок вагонов «по причине автосцепки» сократиться на 85 %, а также уменьшится общая трудоемкость отцепочного ремонта в процессе эксплуатации цистерны.

Учитывая, что текущий отцепочный ремонт отражает общий механизм возникновения повреждений элементов конструкции вагонов в эксплуатации, можно считать, что снижение числа действующих на вагон сверхнормативных сил обеспечит сокращение объема работ и трудоемкости планового деповского ремонта вагонов на такую же величину, как и при текущем ремонте.

Таким образом, применение эластомерных поглощающих аппаратов на вагонах-цистернах обеспечит снижение частоты поступления вагонов в текущий отцепочный ремонт и сокращение объема и трудоемкости текущего отцепочного и планового деповского ремонта.

Помимо приведенной оценки снижения повреждаемости вагонов, необходимо иметь в виду, что применение эластомерных поглощающих аппаратов обеспечит значительное снижение степени повреждений при действии остальных 15 % сверхнормативных сил, которые не будут снижены до уровня нормативных. Доля энергии удара, приходящаяся на повреждение конструкции, будет значительно снижена за счет увеличения количества энергии воспринятой поглощающим аппаратом, будет снижена тяжесть последствий воздействия сверхнормативных сил и их уровень, а также вероятность возникновения и тяжесть последствий чрезвычайных ситуаций, в том числе экологических.

Эксплуатационные испытания эластомерных поглощающих аппаратов на газовых цистернах, проводившиеся на сети дорог СНГ в течение двух лет, подтвердили высокую эксплуатационную надежность этих аппаратов. Цистерны с опытными аппаратами эксплуатировались в широком спектре климатических условий, в том числе, в зимнее время в зонах низких температур. За время испытаний не было ни единого случая отказа опытных аппаратов. Контрольные статические испытания показали, что аппараты сохранили свои характеристики.

Итак, по сравнению с фрикционно-пружинными и гидравлическими аппаратами, эластомерные поглощающие аппараты характеризуются следующими преимуществами:

- большая энергоемкость при низкой концевой силе, переносимой на конструкцию вагона, положительно влияет на живучесть конструкции и защиту перевозимого груза;

- большая стабильность характеристики в широком диапазоне рабочих температур с -60 °С до +60 °С;

- отсутствие заклинивания, характерного для пружинно-фрикционных аппаратов, а также запозданий в возвращении в исходное положение, после прекращения действия наружной силовой энергии (нагрузки) появляющейся в гидравлических аппаратах;

- лёгкий монтаж и демонтаж при использовании до сих пор применяемых приборов;

- лёгкая консервация и уход.

Проведенный комплекс испытаний эластомерных поглощающих аппаратов подтвердил высокие технические и эксплуатационные характеристики этих аппаратов и позволяет рекомендовать их для широкого применения на вагонах-цистернах с укороченной розеткой и, в первую очередь, на цистернах для перевозки опасных и экологически вредных грузов.

5. Расчёт котла цистерны от внутреннего давления

При расчёте котлов цистерн необходимо учитывать влияние внутреннего давления. Значение давления паров перевозимого продукта принимается в соответствии с техническими требованиями к цистерне. Кроме того, сила инерции жидкости, воздействующая на днище при переходных режимах, приводится к давлению, которое принято условно считать линейно убывающим от максимума на днище со стороны удара (или с противоположной - при рывке) до нуля у противоположного днища.

Максимум этого давления определяется по формуле

, (5.1)

где , - соответственно масса жидкости и масса вагона;

- продольная сила «удара-рывка», приложенная к автосцепке, или тормозная сила вагона.

В зонах оболочки, отстоящих на небольшом расстоянии от каких-либо зон, нарушающих регулярность в геометрии срединной поверхности (зоны краевого эффекта), внутреннее давление вызывает безмоментное напряжённое состояние, поэтому расчет производится по безмоментной теории. В основе формул лежит уравнение Лапласа.

Внутреннее давление в котле цистерны, предназначенной для перевозки пропана, бутана и углеводородных газов составляет р=20 кг/см.

Нормальные напряжения в цилиндрической оболочке котла цистерны

1. Продольные напряжения, кг/см

, (5.2)

где - радиус внутреннего диаметра котла цистерны, см;

- толщина оболочки котла цистерны, см;

- давление внутри котла цистерны, кг/см.

кг/см.

2. Окружные напряжения, кг/см

, (5.3)

кг/см

Нормальные напряжения в эллиптическом днище котла цистерны

1. Продольные напряжения, кг/см

, (5.4)

где - номер сечения, ;

- коэффициент

, (5.5)

где - малая полуось эллиптического днища (его высота)

, (5.6)

где - внутренний диаметр котла цистерны, см.

см,

.

- угол, отсчитываемый от центра эллиптического сечения в сторону стыка с цилиндрической частью котла;

, (5.7)

где с интервалом 15 см;

,

,

,

,

,

.

кг/см,

кг/см,

кг/см,

кг/см

, кг/см,

, кг/см.

2. Окружные напряжения, кг/см

, (5.8)

кг/см,

кг/см,

кг/см,

кг/см,

кг/см,

кг/см.

Эквивалентные напряжения в цилиндрической оболочке котла цистерны кг/см

кг/см, (5.9)

кг/см.

Эквивалентные напряжения в эллиптическом днище котла цистерны кг/см

 кг/см, (5.10)

кг/см,

кг/см,

кг/см,

кг/см,

кг/см,

кг/см.

Строим эпюры нормальных напряжений.

1. Эпюра продольных напряжений , кг/см

2. Эпюра окружных напряжений , кг/см

Эпюра эквивалентных напряжений , кг/см

Проверяем устойчивость оболочки цистерны от вакуума.

В котлах цистерн может образовываться разряжение, и их оболочки оказываются под воздействием сжимающей нагрузки из-за внешнего избыточного давления. Такое нагружение способно вызвать потерю устойчивости цилиндрической части котла. Хлопок при потере устойчивости сопряжён с катастрофическими последствиями. Поэтому оболочки котлов должны обладать определённым запасом устойчивости.

Для расчёта устойчивости оболочки от вакуума используем формулу Папковича

, (5.11)

где - критическое давление для цилиндрической оболочки, кг/см;

- модуль упругости второго рода, кг/см;

- толщина оболочки котла цистерны, равная 2,4 см;

- длина цилиндрической части котла цистерны;

, (5.12)

 см,

- средний радиус внутреннего диаметра котла, см.

кг/см.

Оболочка цистерны может потерять устойчивость, если её продольные напряжения

, (5.13)

.

Вывод: Так как , то оболочка цистерны устойчивость не потеряет.

6. Оценка соответствия ходовых качеств вагона требованиям «Норм»

6.1 Расчёт двухрядных витых пружин

Необходимая жёсткость двухрядной пружины:

, (6.1)

где - масса тележки 18-100 вагона, =4500 кг;

- тара вагона, кг;

- грузоподъёмность вагона, кг;

- масса надрессорной балки, кг;

- статический прогиб по «Нормам», для грузовой тележки модели 18-578 УВЗ см;

- количество двухрядных пружин под вагоном, .

кг/см.

Максимальный прогиб:

, (6.2)

где - коэффициент запаса прогиба, .

см.

Наибольшая сила, действующая на двухрядную пружину:

, (6.3)

 кг.

Коэффициент, учитывающий кривизну витков:

, (6.4)

где - индекс пружины, .

.

Расчёт двухрядной пружины приводят к расчёту эквивалентной однорядной.

- диаметр прутка эквивалентной однорядной пружины:

, (6.5)

где - допускаемые касательные напряжения, кг/см.

см.

- средний диаметр эквивалентной однорядной пружины:

, (6.6)

см.

- число рабочих витков эквивалентной однорядной пружины:

, (6.7)

где - модуль упругости второго рода, кг/см.

.

Расчёт наружной пружины.

- диаметр прутка наружной пружины:

, (6.8)

где - зазор между витками внутренней и наружной пружинами, см.

см

Принимаем см.

- средний диаметр наружной пружины:

, (6.9)

см.

- число рабочих витков наружной пружины:

, (6.10)

.

Принимаем .

- высота наружной пружины:

, (6.11)

см.

- вертикальная жёсткость наружной пружины:

, (6.12)

кг/см.

Расчёт внутренней пружины.

- диаметр прутка внутренней пружины:

, (6.13)

см

Принимаем см.

- средний диаметр внутренней пружины:

, (6.14)

см.

- число рабочих витков внутренней пружины:

, (6.15)



Принимаем .

- высота внутренней пружины:

, (6.16)

см.

Для выравнивания высот пружин, под внутреннюю пружину необходимо подложить металлическую шайбу толщиной 1 см.

- вертикальная жёсткость внутренней пружины:

, (6.17)

кг/см.

- суммарная вертикальная жёсткость рессорного комплекта вагона:

, (6.18)

кг/см

Принимаем Н/м.

Статический прогиб от вертикальной нагрузки.

, (6.19)

 см.

Расчёт горизонтальной жёсткости.

- жёсткость наружной пружины:

, (6.20)

где - модуль упругости первого рода, кг/см;

- коэффициент Пуассона, .

кг/см.

- жёсткость внутренней пружины:

, (6.21)

кг/см.

- суммарная горизонтальная жёсткость рессорного комплекта вагона

, (6.22)

кг/см

Принимаем Н/м.

6.2 Расчёт коэффициентов динамики, амплитуд колебаний и ускорений узлов вагона

Расчёт вертикальных колебаний

- частота вынужденных колебаний рессорного комплекта

, (6.23)

где V - скорость движения цистерны, м/с;

- длина рельсового звена, м.

рад/с.

- вертикальная жёсткость рессорного комплекта (см. п. 1).

кг/см Н/м

- частота собственных колебаний рессорного комплекта

, (6.24)

где - обрессоренная масса

, (6.25)

кг,

рад/с.

- значение коэффициента вязкого трения

, (6.26)

где - коэффициент сухого трения между клином и фрикционной планкой в тележке, ;

- ускорение свободного падения, м/с;

- амплитуда колебаний, м.

кг/с.

- критическое значение коэффициента вязкого трения

, (6.27)

кг/с.

- степень демпфирования

, (6.28)

.

- амплитуда вертикальных колебаний кузова (колебаний подпрыгивания)

, (6.29)

 м.

- коэффициент вертикальной динамики

, (6.30)

.

Вывод: Так как , то оценка хода вагона «отлично».

- вертикальные ускорения вагона

, (6.31)

.

Вывод: Так как , то оценка хода вагона «отлично».

Расчёт горизонтальных колебаний

- частота вынужденных колебаний рессорного комплекта

, (6.32)

- коничность колеса, ;

- радиус колеса вагона, м;

- середина между кругами катания колёс, м.

рад/с.

- горизонтальная жёсткость рессорного комплекта (см. п. 1).

кг/см Н/м

- частота собственных колебаний рессорного комплекта

, (6.33)

рад/с.

- значение коэффициента вязкого трения

, (6.34)

где , - количество горизонтальных и вертикальных гасителей соответственно, .

кг/с.

- критическое значение коэффициента вязкого трения

, (6.35)

кг/с.

- степень демпфирования

, (6.36)

.

- амплитуда горизонтальных колебаний кузова

, (6.37)

где - амплитуда виляния кузова. Принимается равной половине разбега колёсной пары в рельсовой колее

, (6.38)

где А - ширина колеи, А=1520 мм;

Б - расстояние между внутренними гранями колёс, Б=1440 мм;

С - толщина гребня колеса, С=33 мм.

мм м.

м.

- коэффициент горизонтальной динамики для упруго-фрикционной связи с сухим трением

, (6.39)

.

- горизонтальные ускорения кузова

, (6.40)

.

Вывод: Так как , то оценка хода вагона «хорошо».

6.3 Оценка плавности хода вагона

Показатель плавности хода вагона устанавливает связь между изменением интенсивности возбуждения колебательного процесса и внутренними ощущениями человека. Для грузовых вагонов показатель плавности хода рассчитывается как для пассажирского вагона.

Оценка показателей качества хода вагона с точки зрения вертикальных колебаний

Техническая частота вертикальных колебаний. Она должна быть в пределах 1-2 Гц

, (6.41)

Гц.

Показатель плавности хода. Его величина должна быть меньше допускаемого значения показателя плавности хода для грузового вагона

, (6.42)

где - коэффициент, учитывающий влияние частоты и направление колебаний на утомляемость пассажиров определяем из графика зависимости , .

.

Вывод: Полученная величина показателя плавности хода грузового вагона удовлетворяет заданным условиям.

Оценка показателей качества хода вагона с точки зрения горизонтальных колебаний

Техническая частота горизонтальных колебаний. Она должна быть в пределах 1-2 Гц

, (6.43)

Гц.

Показатель плавности хода. Его величина должна быть меньше допускаемого значения показателя плавности хода для грузового вагона

, (6.44)

где - коэффициент, учитывающий влияние частоты и направление колебаний на утомляемость пассажиров определяем из графика зависимости , .

.

Вывод: Полученная величина показателя плавности хода грузового вагона не удовлетворяет заданным условиям. Для улучшения плавности хода необходимо уменьшить частоту и амплитуду вынужденных колебаний.

6.4 Расчёт коэффициента запаса устойчивости колеса от вкатывания на головку рельса

Определяем коэффициента запаса устойчивости колеса от вкатывания на головку рельса для порожнего вагона, так как это самый неблагоприятный случай.

- сила тяжести обрессоренных узлов

, (6.45)

т.

- средне-вероятностное значение коэффициента вертикальной динамики

, (6.46)

где - коэффициента запаса устойчивости колеса, ;

- коэффициент, зависящий от числа осей в тележке;

, (6.47)

- число осей в тележке, ;

.

- статический прогиб порожнего вагона.

.

- средне-вероятностное значение коэффициента вертикальной динамики

, (6.48)

.

- средне-вероятностное значение коэффициента динамики боковой качки

, (6.49)

.

- средне-вероятностное значение рамной силы

, (6.50)

где - расчётное значение статической осевой нагрузки;

, (6.51)

где - число осей в вагоне, ;

т.

- коэффициент, зависящий от типа ходовых частей, .

т.

- нагрузка, приходящаяся на шейку оси от обрессоренных масс вагона

, (6.52)

т.

- вертикальная реакция набегающего колеса, т

, (6.53)

где - половина расстояния между серединами шеек оси, м;

- расстояние от точки контакта набегающего колеса до середины шейки оси, м;

- расстояние между точками контакта колёс с рельсом, ;

- радиус колеса, м;

- масса необрессоренных частей вагона, приходящаяся на колёсную пару

, (6.54)

т.

- вертикальная реакция ненабегающего колеса, т

, (6.55)

где - расстояние от точки контакта набегающего колеса до середины шейки оси, м.

- горизонтальная реакция набегающего колеса

, (6.56)

т.

- коэффициент запаса устойчивости колеса от вкатывания на головку рельса. Он должен быть больше допускаемого значения коэффициента запаса устойчивости колеса от вкатывания на головку рельса для грузового вагона

, (6.57)

где - угол наклона образующей гребня, ;

- коэффициент трения колеса по рельсу, .

.

6.5 Оценка показателя валкости кузова

Статический прогиб проектируемого вагона

, (6.58)

где - тара кузова;

, (6.59)

где - масса тележки 18-100 вагона, =4500 кг;

- тара вагона, кг;

кг.

- грузоподъёмность вагона, кг;

- масса надрессорной балки, кг;

- вертикальная жёсткость рессорного комплекта, кг/см.

кг/см.

Для того чтобы не было валкости кузова должно обеспечиваться следующее условие

, (6.60)

где - половина расстояния между серединами рессорных комплектов, м;

- расстояние от уровня головок рельсов до центра тяжести вагона;

, (6.61)

где - расстояние от шейки оси до центра тяжести вагона, м;

- радиус колеса вагона, м;

- расстояние от уровня головок рельса до опорных поверхностей рессорного подвешивания, м.

м,

.

Вывод: Устойчивость от валкости кузова обеспечена.

Заключение

В проекте решалась задача по выбору линейных размеров 4_х осной цистерны для перевозки сжиженных газов. В результате расчётов были определены линейные размеры вагона, при которых обеспечивается получение максимальной погонной нагрузки нетто, для принятых в расчёте грузов. Определены напряжения в элементах котла от эксплуатационных нагрузок, выполнена оценка эффективности применения эластомерных поглощающих аппаратов и их расчет, оценка соответствия ходовых качеств вагона и элементов ударно-тяговых устройств требованиям «Норм», а также произведен расчёт прочности элементов ходовых частей вагона, расчёт устойчивости от выжимания вагона продольными силами и от опрокидывания наружу кривой.

Экономический эффект за счёт снижения эксплутационных расходов и единовременных затрат.

В данном дипломном проекте также отражены мероприятия по охране труда, при сварочных работах, а также приведены классификация и меры по ликвидации аварийных ситуаций с опасными грузами.

Список использованной литературы

1. Конструирование и расчет вагонов. Лукин В.В., Шадур Л.А., Котуранов В.Н., Хохлов А.А., Анисимов П.С., М.: УМК МПС России, 2000.

2. Основы проектирования грузовых вагонов. Методические указания. Жданов В.Н., М: МИИТ, 2000.

3. Специализированные цистерны для перевозки опасных грузов. Справочное пособие. М.: Издательство стандартов, 1993.

4. Инструкция по безопасной эксплуатации вагонов-цистерн для перевозки сжиженных углеводородных газов и легкого углеводородного сырья. Вагоностроительный завод «Свидница», 1989.

5. Пути повышения безопасности перевозки опасных грузов. Филиппов В.Н., 2000.

6. Автоматические тормоза подвижного состава. Крылов В.И., Крылов В.В., М., «Транспорт», 1977.

7. Расчет экономического эффекта. Методические указания. Канивец Р.Ф., Гиричева В.А., М.: МИИТ, 2004.

8. Охрана труда на железнодорожном транспорте. Справочная книга. Крутяков B.C., M.: Транспорт, 1987.

9. Гражданская оборона на железнодорожном транспорте. Юрпольский Ю.В.

10. Справочные материалы по оценке обстановки в чрезвычайных ситуациях. Методические указания. Ботоев Б.Б., Романов В.Г., Рубцов Б.Н., М.: МИИТ, 1996.

Размещено на Allbest.ru