№ 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	1270	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	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	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

4.1 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;

4.2 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;

3. 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
1	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;

_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.

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

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

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

5 Л.А. Шадур «Вагоны», М., 1973.

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

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

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

9 М.В. Винокуров «Вагоны», М., 1953.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

19 Release 11.0 Documentation for ANSYS.

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

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

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

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

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

25 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.

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

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

28 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).

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

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

Размещено на Allbest.ru