Напряженно-деформированное состояние несущих кузов грузовых вагонов из анизотропных материалов

Одной из основных задач, стоящих перед железнодорожным транспортом, является сохранение стабильной работы всех его технических составляющих с учетом насыщения их новыми средствами, учитывающими внедрения последних достижений науки и техники, чтобы при росте общественного производства в полной мере и на современном уровне обеспечивались транспортные услуги. В этой связи важное значение приобретает совершенствование парка грузовых вагонов, в частности и вагонов-цистерн для транспортировки жидких продуктов.

Современные несущие кузова грузовых и пассажирских вагонов в основном изготавливаются из металлических материалов — сталей различных марок и алюминиевых сплавов. Несмотря на различие механических характеристик, эти материалы обладают одним свойством — они являются изотропными. Однако в последние годы в различных отраслях машиностроения значительно возрос интерес к применению анизотропных материалов. Это связано с появлением нового класса композиционных материалов, обладающих исключительно высокими механическими характеристиками. Композиционные материалы образованы из двух составляющих — тонких волокон, обеспечивающих высокую прочность и жесткость материала, и связующего, обеспечивающего монолитность материала и совместную работу волокон. В качестве таких волокон применяются стеклянные, органические, углеродные и борные волокна с диаметром от 0,01 до 0,20 мм, модулем упругости от 90 до 400 ГПа, пределом прочности от 2,0 до 3,5 ГПа и плотностью от 1450 до 2500 кг/м. В качестве связующих материалов применяются полимерные смолы и металлические (в основном алюминиевые) сплавы.

Необходимость обновления парка вагонов-цистерн неразрывно связана с требованиями и нуждами промышленности. Несмотря на спад в развитии многих отраслей промышленности наблюдается рост производства и потребле7 ния продуктов нефтяной, газовой и химической промышленности, что диктует необходимость существования массовых и хорошо организованных доставок их от предприятий — производителей к потребителям. При этом большую роль играет железнодорожный транспорт, так как значительная часть перевозок указанных грузов приходится на вагоны-цистерны. Именно поэтому возникает необходимость в постоянном совершенствовании вагонов-цистерн, улучшении их технико-экономических показателей с учетом обеспечения сохранности перевозимого продукта и безопасности движения.

На сети железных дорог РФ эксплуатируется большое количество разнотипных специализированных цистерн, предназначенных для перевозки разнообразных кислот, щелочей и других агрессивных химических продуктов, использующихся в народнохозяйственном комплексе страны и эксплуатируемых за рубежом.

Постоянно повышается интерес к применению специализированных цистерн, позволяющих сохранять качество перевозимого груза при доставке потребителям, ускоряющих погрузку и выгрузку груза, представляющих возможность широко использовать механизацию погрузо-разгрузочных работ, что обеспечивает ускорение оборота вагона.

Как было сказано выше, при перевозке агрессивных продуктов необходимо обеспечить сохранность и качество груза, а также стенок котла от коррозии и разрушения. Поэтому, для решения этой проблемы, в настоящее время используют два способа [52]:

1. Котлы цистерн имеют внутреннее покрытие (никель, резина, свинец и др-);

2. Котлы цистерн изготавливаются из нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и других материалов.

Все цистерны, предназначенные для перевозки агрессивных химических продуктов, имеют раму. Ходовой частью служат две типовые тележки модели 18−100 с роликовыми подшипниками [49]. 8.

Котел укладывается на лежневые элементы (ложементы) и укрепляется на раме в средней части при помощи лап и презонных болтов, а над лежневыми элементами — хомутов и стяжек. Рама и все оборудование типовые, как у четырехосных цистерн для перевозки нефтепродуктов.

Для удобства обслуживания в середине цистерны расположены двусторонняя наружная лестница и помосты у верхних сливо-наливных устройств.

К конструктивным особенностям специализированных цистерн относится, как отмечалось выше, то, что котлы имеют внутреннее покрытие или изготавливаются из нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и других материалов, а также то, что котлы оборудованы приборами для верхнего слива и налива продукта.

В верхней части котла находятся два люка: один с откидной крышкой служит для доступа в котёл при осмотрах и ремонте, на крышке другого смонтировано сливно-наливное устройство и предохранительный клапан.

В частности, применяемые в настоящее время для перевозки железнодорожным транспортом жидких агрессивных химических продуктов котлы вагонов-цистерн имеют недостаточную эксплуатационную надежность и их технико-экономические показатели еще далеки от совершенства.

Имеется крупная проблема совершенствования вагонов-цистерн, предназначенных для транспортировки соляной кислоты, из-за необходимости частого ремонта или полной замены гуммировочного покрытия внутренней поверхности котла. Эта операция приводит к значительным эксплуатационным затратам и простою вагонов. Кроме этого, негативным моментом является загрязнение транспортируемой жидкости продуктами разрушения гуммировки.

Так, по имеющимся данным эксплуатация стандартных цистерн, модели 15−1554 с котлами из низколегированной стали и последующей гуммировкой внутренней поверхности, предназначенных для перевозки соляной кислоты, требует значительных материальных затрат. 9.

Срок службы металлического котла составляет около 15−18 лет.

В тоже время известны полимерные материалы, использование которых позволит решить проблему.

Применение стеклопластиков для изготовления котлов цистерн может существенно снизить эксплуатационные расходы за счет стойкости стеклопластиков к воздействию агрессивных грузов, более низкой теплопроводности по сравнению со сталью и достаточно высокой механической прочностью при значительно меньшей собственной массе. В свою очередь, экономия массы котла за счет использования в его конструкции стеклопластика может позволить увеличить полезную грузоподъемность каждой подвижной единицы на 35%.

Необходимо также отметить, что котлы из стеклопластика вследствие высокой чистоты и гладкости, а также плохой смачиваемости внутренней поверхности стенок меньше загрязняются перевозимыми грузами.

За последние 10−20 лет на отечественном железнодорожном транспорте также, как и на железных дорогах других экономически развитых стран, использование полимерных материалов было особенно интенсивным. Применение их в разнообразном оборудовании железнодорожной техники, в устройствах и аппаратуре автоматики, телемеханики и связи, во всех типах локомотивов, пассажирских и грузовых вагонов, в верхнем строении пути, в железнодорожных сооружениях и контактной сети дает значительный технико-экономический эффект. Во многих случаях применение пластических масс, резин и других полимерных материалов способствует решению таких актуальных проблем эксплуатационной работы железнодорожного транспорта, как повышение безопасности и скорости движения поездов, увеличению производительности транспортных средств, снижение массы тары подвижного состава, повышение надежности и срока службы железнодорожного оборудования. Широкому применению стеклопластиков способствует также факт их увеличивающегося производства и снижения цен на них.

По имеющимся в известной литературе небольшим сведениям, первые попытки создания стеклопластиковых котлов железнодорожных цистерн за рубежом приходятся на 60-е годы. Так, в США в 1963 году были сданы в эксплуатацию цистерны облегченного типа ХР-1, емкостью 85 м³, массой тары 23,6 т, с котлами из стеклопластика на основе эпоксидной смолы [55, 56].

Такая цистерна на 9 т легче стальной подобной емкости.

Диаметр котла цистерны составляет 2,6 м в центре и 2,54 м у днищ. Общая длина котла вместе с днищами составляет 17 м. Котел цистерны изготовлялся способом намотки стеклонитью. Содержание наполнителя — стекловолокна в материале котла составляет 60%, связующего — 40%. Цилиндрическая часть котла наматывалась с толщиной стенок 9,5 мм и подвергалась термообработке для полимеризации в печи при температуре 135 °C. Днища котла изготовлялись формованием под давлением также из стеклопластика.

Последующая замотка обечайки с пристыкованными днищами производилась на специальной машине с программным управлением, обеспечивающей точность выполняемых операций и высокое качество намотки стеклопластика. Детали переходного мостика цистерны и приспособления для слива-налива монтировались встроенными в отформованные стенки стеклопластико-вого котла. Цистерна рассчитана на общую грузоподъемность 100 т и предназначена для перевозки химикатов и нефтепродуктов. Она смонтирована на стандартных тележках и имеет стальную стандартную раму. За шесть лет эксплуатации не было обнаружено никаких повреждений.

На английских железных дорогах успешно эксплуатировались в 1966 году опытные железнодорожные цистерны с котлами из стеклопластика [55, 54, л.

58]. Котлы имели объем 82 м. Стоимость опытных цистерн составила около 34 тыс. фунтов стерлингов. Ожидалось, что затраты окупятся через 6 лет эксплуатации. Отмечено важное преимущество стеклопластиков — их низкая теплопроводность, примерно в 400 раз меньше, чем у алюминия. Это весьма важно при перевозке быстро твердеющих продуктов, которые перевозятся обычно в горя.

11 чем состоянии. Предполагалась постройка новой партии таких цистерн, котлы которых будут изготавливаться методом намотки.

Вагоностроительным заводом ФРГ в Расштате выпущен вагон-цистерна, котел которого выполнен из стеклопластика на основе полиэфирной смолы [56, 98]. Опытная эксплуатация этого вагона показала удовлетворительные результаты. Корпус цистерны изготовлен в виде трехслойной конструкции типа «СЭНДВИЧ» ,.

Внутренняя и наружная оболочки толщиной 4 мм изготовлены из стеклопластика. Внутренняя поверхность котла цистерны покрыта эластичным стерилизационным покрытием, не допускающим передачи запаха полиэфира перевозимому грузу. Снижение массы тары, полученное благодаря примене-шло пластмасс, позволило увеличить полезный объем цистерны на 2,5 м .

Во Франции в 1963 году построена цистерна с котлом из стеклопластика на основе полиэфирной смолы [56, 99]. Она сконструирована для перевозки химических продуктов. Емкость ее 18 м³, масса тары 9,2 т, грузоподъемность 30,8 т, длина цистерны 6,14 м, высота 3,88 м. В соответствии с правилами эксплуатации Французских железных дорог, котел цистерны установлен на металлической раме. Котел цистерны имеет диаметр 2 м, облицован внутри жестким поливинилхлоридным пластиком, включая систему трубопроводов и крышки люков. Сливо-наливные устройства и клапаны обеспечивают безопасную работу. Внутри котла имеется проверочный клапан и приспособления, обеспечивающие возможность очистки котла цистерны при необходимости перевозки различных жидкостей.

В Канаде [54, 100] в 1967 году разработана конструкция цистерн с котлами, имеющими три слоя, емкостью от 30 до 75 мЗ, оборудованными термоизоляцией из пенополиуретана. Пространство между наружным и внутренним резервуарами (оболочками) котла заполнено слоем изоляции толщиной 125−130 мм. Цистерны предназначены для перевозки нагретых и охлажденных жидкостей (смол, химикатов, эмульсий, соков и т. п.).

В Чехословакии на заводе концерна «Шкода» в городе Эйповине наЛ лажено производство цистерн объемом 50 м [101]. Для этого используется станок фирмы «Байер» с программным управлением. В качестве армирующих материалов используется ровинг собственного производства и преимущественно изофталевая смола, также производства ЧССР.

В Польше [102] изготовлена железнодорожная цистерна с котлом из стеклопластика для узкой колеи. Котел был изготовлен методом намотки итальянской фирмой «Ветрорезина», объем его составляет 15 м. Опирание котла на раму осуществляется с помощью двух шпангоутов трапециидального сечения, входящих в соответствующие ложементы опор. Котел к раме притягивается с помощью двух хомутов.

В Советском Союзе в 1964 году Калининским заводом пластмасс была предпринята попытка изготовления опытной цистерны с котлом из стеклол пластика, имеющим объем 25 м и толщину стенок до 10 мм.

Применение стеклопластика в конструкциях подвижного состава позволяет решить задачу увеличения грузоподъемности за счет снижения массы тары лучшим образом.

Проведенные оценки и опытные испытания для специализированных стеклопластиковых вагонов выявили ряд преимуществ по сравнению с существующими конструкциями. Высокая удельная прочность стеклопластиков позволяет обеспечить снижение тары вагона и при этом не только не снизить прочностные характеристики кузова, но и добиться существенно более высоких показателей по сравнению с эксплуатируемыми в данное время конструкциями. Так, использование этого материала при изготовлении крыши грузового крытого вагона мод. 11−270 постройки АВЗ привела к снижению массы тары вагона приблизительно на 700 кг.

Накопленный за последние годы в нашей стране и за рубежом опыт разработки и изготовления крупногабаритных, высоконагруженных и коррози-онностойких стеклопластиковых конструкций, а также расширяющиеся объемы.

13 производства этого материала, позволяют приступить к активной разработке железнодорожной цистерны нового поколения, а также созданию отдельных несущих узлов из перспективных материалов. Основой создания таких конструкций должно быть математическое моделирование проектируемых объектов и оценка их работоспособности на основе анализа моделей. В предлагаемой работе решается эта проблема.

ВЫВОДЫ.

1 При изготовлении элементов кузовов грузовых вагонов использование композитных материалов обеспечивает получение значительных преимуществ по сравнению со сталями. Эти материалы обладают высокой механической прочностью, способностью поглощать энергию вибрации. Они хорошо противостоят действию ударных и динамических нагрузок и обладают большой демпфирующей способностью. При этом продлевается срок службы вагона за счет исключения повреждений коррозией, уменьшается трудоемкость работ при изготовлении вагона и его эксплуатации.

2 Разработаны математические модели и методики оценки НДС анизотропного многослойного фрагмента кузова вагона типа стеклопластиковой цилиндрической оболочки, подкрепленной продольными и поперечными элементами, и имеющей ступенчато-переменную жесткость в осевом и окружном направлениях.

3 В общем случае предлагается рассчитывать кузова вагонов на основе МКЭ с применением специализированных суперэлементов, разработанных с учетом конструктивных особенностей несущих кузовов грузовых вагонов. В качестве суперэлемента принята анизотропная панель круговой цилиндрической оболочки длиной, равной длине кузова вагона с расположением узлов по продольным кромкам. Предполагается, что панель имеет поперечные, произвольно расположенные подкрепления, и продольные, совпадающие с продольными кромками панели.

4 Построена матрица жесткости КЭ типа панели анизотропной круговой цилиндрической оболочки со ступенчато-переменной в осевом направлении жесткостью. При построении использовалась кинематическая модель Тимошенко и уравнения моментной теории оболочек с конечной сдвиговой жесткостью. КЭ может иметь подкрепляющие элементы в виде ортогонально расположенных шпангоутов и стрингеров.

5 Для аппроксимации поля перемещений суперэлемента вдоль образующей приняты гиперболотригонометрические полиномы. Аппроксимация по криволинейной координате произведена при помощи функций, являющихся точным решением задачи об изгибе слоистого кольца.

6. Рассмотрена возможность применения полиномов Эрмита и функций, полученных на основании решения дифференциального уравнения деформации элемента кругового кольца для моделирования поля перемещений по направляющей линии поверхности суперэлемента. Показано, что применение функций Эрмита для круговых стержней и панелей оболочки возможно при небольшой ширине конечного элемента (для конструкций типа котлов железнодорожных цистерн 3−5 см.

7 Для частного случая разработана методика расчета НДС анизотропной многослойной оболочки типа котла железнодорожной цистерны, имеющей ступенчато-переменную толщину в осевом направлении При этом использовалась кинематическая модель Тимошенко, моментная теория оболочек с конечной сдвиговой жесткостью и принцип возможных перемещений с решением системы дифференциальных уравнений в двойных тригонометрических рядах при заданных граничных условиях.

8 Методики реализованы на ЭВМ в разработанном программном вычислительном комплексе, позволяющем определять НДС стеклопластиковых котлов железнодорожных цистерн с учетом основных видов эксплуатационных нагрузок, произвольной конфигурации опорной зоны, величины заполнения цистерны грузом и разнородности структуры материала оболочки котла.

9 Проведенные численные эксперименты по анализу влияния распределения внешних нагрузок в окружном и осевом направлениях и величины утолщения опорного бандажа на сходимость решения. Показано, что для получения достаточной в инженерной практике точности вычислений, необходимо удерживать при расчете на вертикальную нагрузку 7ч-9 гармоник по окружной.

223 координате и 15ч-19 по осевой, а при расчете на продольную нагрузку — 15ч-19 и 19ч-25 гармоник соответственно.

10 Исследовано влияние координат центра изгиба поверхности оболочки на точность оценки НДС стеклопластикового котла по видам деформаций от действия вертикальной и продольной нагрузок в различных по нагру-женности зонах.

11 Достоверность разработанных методик проверялась сопоставлением результатов расчетов с результатами экспериментов, проведенных на макете стеклопластикового котла железнодорожной цистерны, а также, а также с результатами расчетов по другим известным методам. Это сопоставление показало во всех случаях достаточно высокое для инженерных расчетов совпадение результатов.

12 Разработанная методика была использована при расчете несущих элементов крыши весоповерочного вагона на базе полувагона модели 12−295.

13 На основании разработанной методики были проведены исследования по оценке НДС котла цистерны, выполненной с целью определения возможности перевозки пропилена в цистернах для аммиака моделей 15−1408 и 151 597 собственности АО «Ангарская нефтехимическая компания», прошедших модернизацию по проекту М-1408 «Переоборудование цистерн для аммиака моделей 15−1408 и 15−1597 под перевозку пропилена».

14 В диссертации осуществлено решение научной проблемы по внедрению новых перспективных материалов для изготовления несущих элементов кузовов грузовых вагонов и имеющей важное значение для отраслей вагоностроения и вагонного хозяйства.