Моделирование и выбор рациональной конструкции цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов с учетом новых нормативных требований тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Плотников, Игорь Валентинович

• Плотников, Игорь Валентинович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Плотников, Игорь Валентинович

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

1. СХЕМЫ ПРИЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ НАГРУЗОК ПРИ ОЦЕНКЕ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КУЗОВОВ ВАГОНОВ ПО НОВЫМ НОРМАТИВНЫМ РЕЖИМАМ

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ КОТЛОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ЦИСТЕРН, РЕАЛИЗОВАННЫЕ В ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЕ «АС-ТП ЦИСТЕРН»

3. БИБЛИОТЕКА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «МКЕ»

3.1. Общие формулы определения матрицы жесткости и вектора эквивалентных узловых нагрузок

3.2. Плоскопространственный изопараметрический четырехузловой КЭ

3.3. Пространственный треугольный КЭ

3.4. Пространственный стержень

3.5. Пространственная упругая вставка

3.6. Определение напряжений в КЭ и оценка прочности конструкции

4. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «МКЕ»: ФАЙЛ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ, ЭЛЕМЕНТЫ МЕНЮ, БАЗОВЫЕ АЛГОРИТМЫ

4.1. Файл исходных данных и элементы меню

4.2. Алгоритм ввода расчетных нагрузок

4.3. Метод [ Ь ][В ][ Ь ]т - факторизации, прямая и обратная подстановки

5. ОЦЕНКА ОШИБОК ДИСКРЕТИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ И КАЧЕСТВО ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

-36. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЦИСТЕРН С КОТЛОМ, УСТАНОВЛЕННЫМ НА РАМЕ

6.1. Характеристика расчетной модели и результаты статических исследований

6.2. Некачественная подгонка брусков в опорной зоне котла

6.3. Методика определения частот и форм собственных колебаний груженых цистерн с универсальной и усиленной рамами

7. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

ЦИСТЕРН БЕЗРАМНОЙ КОНСТРУКЦИИ

7.1. Цистерна безрамной конструкции (вариант I)

7.2. Цистерна безрамной конструкции (вариант II)

7.3. Цистерна безрамной конструкции (вариант III)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОСНОВНЫЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ

ЧЕТЫРЕХОСНЫХ ЦИСТЕРН ПРИ УДАРНОМ

ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВАГОНОВ 3.5 МН

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ

ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ «АС-ТП ЦИСТЕРН»

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НДС ЦИСТЕРНЫ БЕЗРАМНОЙ КОНСТРУКЦИИ (ВАРИАНТ I) ПРИ УДАРНОМ

ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВАГОНОВ 3.5 МН

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НДС ЦИСТЕРНЫ БЕЗРАМНОЙ КОНСТРУКЦИИ (ВАРИАНТ II) ПРИ УДАРНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВАГОНОВ 3.5 МН

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и выбор рациональной конструкции цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов с учетом новых нормативных требований»

ВВЕДЕНИЕ

С 1989-1990 годов ввиду начала спада производства в народном хозяйстве объемы перевозок на железных дорогах СССР резко сократились. Распад СССР и экономический спад значительно ухудшили ситуацию с обеспечением железнодорожного транспорта подвижным составом. Так, например, по данным ВНИИЖТ в 1992 г. выпуск грузовых вагонов в странах СНГ уменьшился до 38000 единиц при потребном количестве 61300 вагонов. В связи с ухудшением условий эксплуатации вагонов на сети с 1996 года ужесточены нормативные требования к новым вагонам. В частности, введены новые расчетные режимы, увеличены расчетные нагрузки. Вместе с тем на 10-15% снижен уровень допускаемых напряжений в несущих элементах грузовых вагонов.

По прогнозу специалистов ВНИИЖТ [ 1 ] на основе анализа кризисных явлений в ряде стран мира к 2008-2010 годам при увеличении объемов производства потребность вагонов в России может в 2 раза превысить численность вагонного парка. Особенно острый дефицит будет ощущаться в полувагонах и цистернах. В настоящее время производство цистерн в России разворачивается на предприятиях военно-промышленного комплекса, химической промышленности, вагоно- и локомотиворе-монтных предприятиях. Освоение серийного производства цистерн этими предприятиями сопряжено с решением ряда технологических проблем, главной из которых является отсутствие трехвалковых прокатных станов, способных вальцевать обечайки котлов необходимых типоразмеров. Это потребовало возврата к царговым вариантам котлов, то есть цилиндрическая обечайка котла российских цистерн состоит из двух крайних и средней царг. Среди технических проблем следует выделить отсутствие

опыта проектирования цистерн, отсутствие экспериментальной базы. В этих условиях повышается роль расчетной оценки качества проектных решений, технического уровня и надежности поставляемых на рынок котлов новых и модернизированных цистерн. Особую актуальность приобретает комплексный подход, применяемый ранее на стадии проектирования цистерн. В 1986-1990 годах кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство» МИИТ'а была создана автоматизированная система проектирования «САПР-цистерна», позволявшая автоматизировать до 50% проектных работ на Мариупольском заводе «АЗОВМАШ». Для того чтобы избежать диктата завода-монополиста при обосновании параметров цистерн новых моделей, учитывая, что 98% всех цистерн в СССР выпускались этим предприятием, ЦВ МПС также имел свою автоматизированную систему «АС-ТП цистерн», разработанную в 1990-1991 годах тем же научным коллективом. Такой всесторонний анализ проектируемой конструкции на стадии предпроектных исследований, эскизного, технического и рабочего проектов цистерн новых моделей способен приносить значительные выгоды для железных дорог за счет ускорения внедрения вагонов с улучшенными технико-экономическими параметрами.

Цели исследования:

1. Совершенствование действующей автоматизированной системы экспертизы технических проектов цистерн («АС-ТП цистерн») за счет пополнения её современными методами моделирования прочности на основе метода конечных элементов (МКЭ), разработка уточненных расчетных схем для оценки прочности 4-осных цистерн с различной конструкцией несущих элементов при действии комплекса нормативных нагрузок.

2. Изучение и оптимизация механизма передачи нагрузок от котла на другие несущие элементы 4-осных нефтебензиновых цистерн при действии комплекса нормативных расчетных нагрузок и с учетом различных конструктивных решений.

3. На основе направленного поиска разработать конструкцию 4-осной цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов с наименьшей массой тары, отвечающей новым нормативным требованиям прочности и учитывающей технологические возможности заводов-изготовителей РФ. Снижение металлоёмкости (массы тары) позволит уменьшить цену цистерны, повысить её грузоподъёмность.

Научная новизна Автор защищает следующие научные положения:

1. Технологию расчетного моделирования нагруженности цистерн с различной конструкцией несущих элементов и учетом новых нормативных требований, реализованную в виде программного комплекса «МКЕ» автоматизированной экспертной системы «АС-ТП цистерн». При этом в качестве базового предложен плоскопространственный изопараметрический четырехузловой конечный элемент (КЭ). Им могут аппроксимироваться цилиндрическая обечайка котла (прямоугольная форма КЭ), днища (трапецеидальная форма КЭ) и т.п. Предлагаемые расчетные зависимости прошли комплекс проверок на простейших моделях, в расчетах сложных конструкций котлов цистерн со сливными устройствами типа «ЮНИ-ТЕМП», в расчетах конструктивных вариантов котлов конусо-цилиндрической и У-образной форм.

2. Уточненные расчетные схемы 4-осных цистерн с рамами и безрамной конструкции при действии комплекса расчетных нагрузок в соответствии с новыми «Нормами».

-73. Детально проработанный конструктивный вариант 4-осной цистерны безрамной конструкции для перевозки нефти и нефтепродуктов, удовлетворяющий условиям прочности в соответствии с новыми нормативными требованиями и обеспечивающий существенное снижение металлоемкости в сравнении с существующими конструкциями цистерн. 4. Методику на базе программного комплекса "МКЕ" для определения частот и форм собственных колебаний цистерн с различной конструкцией несущих элементов.

Практическая ценность работы Проведенные исследования использовались в экспертизах технических проектов цистерн с усиленными рамами ПО «Туймазыхиммаш», на Среднеазиатской железной дороге, ЦВ МПС России. Предлагаемый программный комплекс «МКЕ» может поставляться заинтересованным организациям как самостоятельный программный продукт на компакт - диске вместе с подробным описанием меню и базы входных и выходных данных. При необходимости на компакт - диск могут быть перенесены базы данных с наиболее характерными расчетными схемами конструктивных вариантов цистерн, что позволит значительно сократить затраты времени на отладку моделей и отработку конструкций опытных образцов. Предлагаемые расчетные схемы и программный комплекс «МКЕ» могут быть использованы при проектировании предприятиями химической, авиационной, автомобильной промышленности, а также при разработке крупнотоннажных контейнеров.

Некоторые результаты диссертации используются в учебном процессе в виде пособий по курсовому и дипломному проектированию по специальности 150800 (вагоны):

-81. Котуранов В.Н., Азовский А.П., Плотников И.В. Автоматизированная система экспертизы технических проектов цистерн (АС-ТП): Подсистема «Прочность». Программный комплекс для оценки прочности рам цистерн. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по дисциплинам «Автоматические рабочие места и экспертные системы в вагоностроении», «Строительная механика НРПС» для студентов специальности 150800 (вагоны). М.: МИИТ, 1995,68 с.

2. Котуранов В.Н., Азовский А.П., Плотников И.В. Автоматизированная система экспертизы технических проектов цистерн (АС-ТП): Подсистема «Контроль параметров котлов цистерн». Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «Автоматические рабочие места и экспертные системы в вагоностроении» для студентов специальности 150800 (вагоны). М.: МИИТ, 1996,60 с.

3. Азовский А.П., Плотников И.В. Оценка прочности и герметичности загрузочных люков цистерн. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «САПР - вагонов» для студентов специальности 150800 (вагоны). М.: МИИТ, 1998, 52 с.

Реализация результатов работы Разработанный программный комплекс «МКЕ» реализованы в автоматизированной экспертной системе «АС-ТП цистерн», используемой департаментом вагонного хозяйства МПС РФ.

Аппробация работы Основные материалы диссертации доложены и обсуждены:

1. На отраслевой конференции по фундаментальным и поисковым НИР МИИТ'а в 1997 году (тема 37/97) и в июле 1998 года (тема 47/98).

2. На И-ой международной научно-технической конференции «THE URGENT PROBLEMS OF RAILWAY TRANSPORT DEVELOPMENT» в 1996 году.

3. На научно-техническом совете в транспортной компании «СФАТ» в 1997 году.

4. На студенческой научной конференции с международным участием «Проблемы железнодорожного транспорта» в МИИТ'е в 1993 году.

По теме диссертации опубликованы 3 статьи:

1. Азовский АП., Плотников И.В. Исследование напряженно-деформированного состояния конструктивных вариантов котлов рамных цистерн. Тезисы докладов И-ой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы железнодорожного транспорта», М.: МИИТ, 1996, - с. 91.

2. Котуранов В.Н., Азовский АП., Плотников И.В. Технологические основы расчетной экспертизы проектных решений по выбору характеристик элементов ходовых частей вагонов. М.: Труды МИИТ, вып. 916,1997, - с. 106-108.

3. Котуранов В.Н., Азовский АП., Плотников И.В. Предпроектные иссследования по разработке технико-экономических параметров цистерн для перевозки нефтепродуктов с учетом новых нормативных ограничений. М.: Труды МИИТ, вып. 921, 1999,-с. 116-119.

1. СХЕМЫ ПРИЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ НАГРУЗОК ПРИ ОЦЕНКЕ

ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КУЗОВОВ ВАГОНОВ ПО НОВЫМ

НОРМАТИВНЫМ РЕЖИМАМ

В данной главе рассмотрим схемы приложения нагрузок, учет которых необходим при оценках прочности элементов кузовов вагонов по режимам новых "Норм" [2]. Для большей наглядности будем условно представлять кузов вагона как пространственную проекцию вертикальной плоскости, проходящей через пятниковые сечения кузова.

а) Продольная квазистатическая сила сжатия.

Здесь 2Ьзу — расстояние между опорными поверхностями задних упорных угольников.

б) Продольная квазистатическая сила растяжения.

Здесь 2Ьщ - расстояние между опорными поверхностями передних упорных уголь-

ников.

еРЩ

с**а

tie*

U

Afe

"'S*,

**

ÏZ

2g /тфтг

ttpft

щ

4 Ц

Ч,

*****

Ра,

Ъ

tiäff

Ущ

ч

О?

Яр.

еР#0

Pao

■Vetti

-Уел

Щ

К

//

Ъо

> б

ccif

*<>Л/

Ъе „

Величина Ь выбирается по расчетной схеме, соответствующей конкретному вагону. В частности, это может быть расстояние от оси скользуна до оси пятника, з) Удар.

На этой схеме силы инерции, уравновешивающие силу Ы, представлены распределенной нагрузкой и. При расчетах по МКЭ схему необходимо закрепите в одной из точек. Если это точка А (опора на тележку), то в точке В надо приложить силу инерции от второй тележки, то есть N=17 • 2Ьр + щ. Величина С определяется по формуле:

-13£ _ - 21/зу 2

и) Рывок.

Рассмотрев приведенные схемы нагружений, можно сформулировать суммарные нагружения Р^ при оценке прочности элементов кузовов вагонов по режимам "Норм":

1. Оценка прочности по 1-му режиму квазистатического сжатия требует наложения схем:

Р£ = а) + г) + е); Р1-а)±в) + г) + е).

Примечание: первая формула - для центрального приложения продольной силы И, вторая - с учетом понижения или повышения оси автосцепки по отношению к оси автосцепки соседнего вагона.

2. Оценка прочности по 1-му режиму квазистатического растяжения будет получаться наложением схем:

Р1 = б) + д) + е); Р1 = б)±в) + д) + е).

3. Оценка прочности по Ш-му режиму квазистатического сжатия:

Р£ = а) + г) + е*) + ж); Р£ = а) ± в) + г) + е*) + ж). Примечание: е*) предполагает, что вертикальная нагрузка увеличивается в ( 1 + кт + + £Дб ) раз, где кт - коэффициент вертикальной динамики; кф - коэффициент, учитывающий влияние боковых сил инерции (&Дб равен 10% или 12%, то есть 0.1 или 0.125).

4. Оценка прочности по Ш-му режиму квазистатического растяжения:

Р£ = б) + д) + е*) + ж); Р£ = б)± в) + д) + е*) + ж).

5. Оценка прочности по 1-му режиму - удар:

Р£ = е) + з); Р£ = ±в*) + е) + з). Примечание: ± в*) — на схеме учитывается сила Р лишь со стороны удара.

6. Оценка прочности по 1-му режиму - рывок:

Р£ = е) + и); Р£ = ±в*) + е) + и).

7. Оценка прочности по Ш-му режиму - удар:

Р£ = е*) + ж) + з); Р£ = ± в*) + е*) + ж) + з).

8. Оценка прочности по Ш-му режиму — рывок:

Р£ = е*) + ж) + и); Р£ = ±в*) + е*) + ж) + и).

-15В каждой из приведенных схем для каждого конкретного вагона должны быть учтены дополнительно нагрузки, обусловленные спецификой конструкции (внутреннее давление, распор, крепления и т.д.).

Таким образом, чтобы оценить прочность элементов кузова вагона по режимам "Норм", требуется рассмотреть 24 сочетания нагружений и выбрать точки с наибольшими напряжениями, которые должны быть сравнены с допускаемыми для каждого расчетного режима.

Перечислим основные нагрузки, учитываемые в рассмотренных расчетных схемах:

а) Вертикальная статическая нагрузка от массы груза и собственной массы для грузовых вагонов. В расчетах кузовов из этой нагрузки надо исключить массу ходовых частей. Если масса ходовых частей и тормозного оборудования, установленного на них, обозначить 2Р0, то вертикальная статическая нагрузка Рвст на кузов будет определяться как

PbCI=m0q0-2P0. (1.1)

б) Вертикальная динамическая нагрузка, обусловленная силами инерции из-за колебаний элементов вагона при движении по рельсовому пути, учитывается посредством коэффициента вертикальной динамики кт. Среднее вероятное значение этого коэффициента для скоростей движения V< 15 м/с определяется по формуле:

V

а для скоростей V> 15 м/с

£да = а+3.6-1(Г4г>^-^, (1.3)

fes

где а - коэффициент, равный для элементов кузова 0.05, для обрессоренных частей тележки - 0.10, для необрессоренных частей тележки -0.15; Ь - коэффициент, учитывающий влияние числа осей т0 в тележке или группе тележек под одним концом вагона:

2 т0

V— скорость движения в соответствии с принятым расчетным решением, м/с; Уст — статический прогиб рессорного подвешивания, м. Статическое значение кт определяется формулой

В формуле (1.4) /? - параметр распределения и для грузовых вагонов /? = 1.13, для пассажирских/?= 1.0; Р(кт) = 0.097 - значение функции вероятностного распределеНИЯ

Формулы (1.2), (1.3) и (1.4) установлены "Нормами для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)" [ 2 ] для вагонов, ходовые части которых оборудованы рессорным подвешиванием со статическим прогибом Уст £ 15 мм (0.015 м) и демпфирующими устройствами. Эти формулы эмпирические, получены на основе обработай экспериментальных данных.

в) Боковые нагрузки. Они относятся к числу динамических и обусловлены центробежными силами, которые возникают при проходе вагонами кривых участков пути, силами давления ветра на боковую поверхность кузова. Площадь последней

(1.4)

определяется проекцией кузова на продольную вертикальную плоскость. Положение центра тяжести кузова от уровней осей колесных пар в предварительных расчетах для пассажирских вагонов принимается равным 1.6 м, для грузовых - 1.8 м, для рефрижераторных -2.1м.

Давление ветра определяется из расчета 500 Н/м2 нагрузки на боковую проекцию кузова вагона с равнодействующей в его геометрическом центре. Нагрузка от давления ветра учитывается при расчете коэффициентов запаса устойчивости от опрокидывания. Влияние боковых сил (кроме ветровой нагрузки) в расчетах элементов кузовов пассажирских и грузовых вагонов допускается учитывать путем увеличения вертикальных нагрузок или напряжений от них соответственно на 12.5% и 10%.

г) Продольные нагрузки. Согласно "Нормам" продольные силы приводятся к двум видам:

- квазистатическим, уравновешивающимся посредством приложения к передним (растяжение) и задним (сжатие) упорным угольникам;

- динамическим, типа "удар" - "рывок", прикладываемым к соответствующим упорным угольникам одной стороны вагона. Эти силы уравновешиваются силами инерции масс элементов вагона, распределяясь пропорционально их массам.

Величины продольных нагрузок, принимаемых при расчете на прочность, в частности, элементов кузова, представлены в таблице 1.1.

В расчетах должен учитываться конструктивный эксцентриситет между осью автосцепки и осью хребтовой балки. Кроме того, влияние разности высот осей сцепленных автосцепок соседних вагонов учитывается за счет введения дополнительной

Таблица 1.1

ВЕЛИЧИНЫ ПРОДОЛЬНЫХ НАГРУЗОК ПРИ РАСЧЕТЕ ЭЛЕМЕНТОВ КУЗОВА

ВАГОНА НА ПРОЧНОСТЬ

Наименование вагонов Величина продольной нагрузки, МН

Расчетные режимы

I III

квазистат. сила удар-рывок квазистат. сила удар-рывок

Грузовые вагоны основных типов -3.0 + 2.5 -3.5 + 2.5 -1.0 + 1.0 -1.0 + 1.0

(вершкальной) поперечной силы Р. Для её определения рассматривается следующая условная расчетная схема.

/ — - Ы __.8

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Плотников, Игорь Валентинович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ По результатам проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Разработан программный комплекс "МКЕ" для оценки прочности цистерн с различной конструкцией несущих элементов с учетом новых нормативных расчетных режимов. Программный комплекс включен в автоматизированную экспертную систему «АС-ТП цистерн», используемую департаментом вагонного хозяйства МПС РФ.

2. Разработаны и реализованы уточненные расчетные модели четырехосных цистерн, имеющих раму, при действии комплекса расчетных нагрузок в соответствии с новыми "Нормами". В результате исследований НДС узла крепления котла к раме при ударном взаимодействии вагонов по 1-му расчетному режиму установлено: а) Наиболее загруженными из болтов, запрессованных в лапы, являются первые два со стороны ударного взаимодействия. Они воспринимают как максимальные продольные (129.0 кН), так и максимальные поперечные (71.4 кН) относительно котла и рамы усилия. Последние усилия вызывают высокий уровень изгибных напряжений (> сгт ) по краю лапы. Максимальные усилия среза в этих болтах равны 131.0 кН. б) Напряжения в хребтовой балке, превышающие ¿7 , зафиксированы на верхней и вертикальной полках зета по краю лапы. Уровень напряжений в указанных зонах снижается с увеличением жесткости хребтовой балки (профиль последней под лапами рекомендуется замкнуть листом толщиной 12 мм). в) В оболочке котла наибольшие напряжения (295.1 МПа) зафиксированы в броневом листе по краю лапы со стороны ударного взаимодействия. Изменения конструкции лапы, увеличивающие жесткость последней, приводят к повышению напряжений в броневом листе. г) Установка дополнительных продольных и поперечных балок, реализуемая в различных конструкциях усиленных рам, не приводит к существенной разгрузке зоны лап крепления котла к раме.

В результате моделирования возможных зазоров между опорными брусками и обечайкой котла установлено, что при величине зазора более 2 мм в нижней части опорной зоны и толщине броневого листа менее 12 мм в ряде случаев опирания напряжения в обечайке котла превосходят (ут материала при ударном взаимодействии вагонов по 1-му расчетному режиму.

3. Разработаны уточненные расчетные модели четырехосных цистерн безрамной конструкции при действии комплекса расчетных нагрузок в соответствии с новыми "Нормами". Установлено, что при ударном взаимодействии вагонов по 1-му расчетному режиму наиболее существенными недостатками четырехосных безрамных цистерн являются: а) передача больших радиальных перерезывающих усилий с лап на оболочку котла; б) передача больших продольных усилий с котла на опорные диафрагмы в нижней часто опорной зоны.

Направленный поиск оптимальной конструктивной схемы передачи нагрузок между полурамами и котлом четырехосной безрамной цистерны потребовал проведения многовариантных расчетов ряда моделей безрамных цистерн с различной конструкцией несущих элементов при ударном взаимодействии вагонов по 1-му расчетному режиму, учета технологических возможностей потенциальных заводовизготовителей. В результате разработан конструктивный вариант четырехосной безрамной цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, удовлетворяющий условиям прочности в соответствии с новыми нормативными требованиями и обеспечивающий значительное снижение металлоемкости в сравнении с существующими конструкциями цистерн. Реализация данного конструктивного варианта предполагает изменение профиля сечения хребтовой балки, подкрепление котла кольцевыми шпангоутами. Проработан вариант конструкции с опиранием кузова цистерны на скользуны тележек (см. вариант III). В сравнении с цистернами модели 15-1443, составляющими основу парка цистерн России для перевозки нефти и нефтепродуктов, уменьшение массы тары цистерны составляет 2450 кг. Эффект от экономии металла составит 980 у.е. на один вагон (по данным «СФАТ» стоимость 1 т металлопроката цистерны равна 400 у.е. с учетом налога на добавленную стоимость). 4. Разработана методика и расчетные модели для определения частот и форм собственных колебаний различных конструктивных вариантов цистерн. Выполненные расчеты показали, что в спектре частот собственных колебаний низшие частоты для цистерн с универсальной (1,904-7,4 Гц) и усиленной (1,909-7,342 Гц) рамами близки и лежат в диапазоне вынужденных частот. В указанном диапазоне собственных частот имеют место вертикальные и продольные формы колебаний котла относительно лап и рамы, что является возможной причиной усталостных повреждений последних.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Плотников, Игорь Валентинович, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Программа обновления парка грузовых вагонов и развитие вагоностроительной промышленности России: Сб. науч. тр. / Под ред. А.А. Долматова. М.: Транспорт, 1994. -59 с.

2. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). М.: ГосВНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. -320 с.

3. Расчет вагонов на прочность. Под редакцией д.т.н., профессора Шадура Л.А,, М.: Транспорт, 1971. -432 с.

4. Вагоны (конструкция, теория и расчет). Под редакцией д.т.н., профессора Шадура Л.А., М.: Транспорт, 1980. -440 с.

5. Котуранов В.Н., Овечников М.Н. Расчет котла цистерны с нерегулярными подкреплениями. Труды МИИТ, вып. 780,1986. -с. 60-65.

6. Азовский А.П., Овечников М.Н. Методика выбора параметров оболочки облегченного котла железнодорожной цистерны. Труды МИИТ, вып.780, 1986. -с. 116-121.

7. Котуранов В.Н., Азовский А.П., Овечников М.Н. Выбор рациональных параметров оболочки и подкрепляющих элементов котла железнодорожной цистерны. М.: МИИТ, Деп. в ЦНИИТЭИ 06.04.86, № 1639-тм.

8. Власов В.З. Общая теория оболочек. Москва, Гостехтеориздат, 1949. -784 с.

9. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления, том III. М.: Физматиздат, 1960. -656 с.

10. Осипов Т.А., Котуранов В.Н. Напряженное состояние котлов цистерн типа подкрепленных цилиндрических оболочек. М.: Вестник ВНИНЖТ, №3,1968. -с. 36-39.

-14911. Котуранов В.Н., Осипов Т.А., Болотин М.М. и др. Исследование напряжений в оболочке котла цистерны, подкрепленной набором шпангоутов и одним продольным элементом. М.: Межвузов, сб. науч. тр., вып. 328, МИИТ, 1970. -с. 17-34.

12. Котуранов В.Н.,Болотин М.М., Медведев В.П. Исследование упругого взаимодействия шкворневых балок опор и оболочек котлов безрамных цистерн. М.: Межвузов, сб. науч. тр., вып. 368, МИИТ, 1971. -с. 167-188.

13. Водянников Ю.Я. Оценка динамической нагруженности элементов вагонов-цистерн при воздействии случайных возмущений со стороны рельсового пути на колесные пары: Автореферат дис... канд. техн. наук, 1988. -24 с.

14. Котуранов В.Н., Медведев В.П. Исследование напряженного состояния оболочек котлов железнодорожных цистерн с учетом упругости днищ. М.: Межвузов, сб. науч. тр., вып. 368, МИИТ, 1971. -с. 143-166.

15. Бидерман B.JI. Механика тонкостенных конструкций. Статика. М.: Машиностроение, 1977. -488 с.

16. Шаринов И.Л., Каменомост М.Л. Расчет цилиндрических оболочек котлов на устойчивость от внешнего давления. М.: Вестник ВНИИЖТ, №3,1984. -с. 36-38.

17. Шаринов И.Л. Расчет устойчивости оболочки котла восьмиосной цистерны. М.: Вестник ВНИИЖТ, №6,1968. -с. 17-20.

18. Кан С.Н. Строительная Механика оболочек: М.: Машиностроение, 1966. -508 с.

19. Вольмир Е.А, Мамедов Э.К. Задачи статики и динамики оболочек котлов большегрузных железнодорожных цистерн: МВПХУ-ЦНИИТЭИ ТЯЖМАШ №1817, М.: 1986. -16 с.

-15020. Котуранов В.Н., Болотин М.М., Медведев В.П., Бубнов В.М. Оценка взаимодействия котлов цистерн с крестообразными опорами. М.: Межвузов, сб. науч. тр., вып. №453, МИИТ, 1974. -с. 13-20.

21. Бубнов В.М., Котюк А.П., Азовский А.П. Алгоритм исследования напряженного состояния котла железнодорожной цистерны на основе стержневой аппроксимации континуальной системы. Тула:-Труды тульского политехнического института, 1976. -с. 66-75.

22. Азовский А.П., Овечников М.Н., Мурадян Л.А Универсальная программа по определению напряженно-деформированного состояния котлов железнодорожных цистерн от действия продольных ударных нагрузок. Тезисы докладов, ДИИТ, Днепропетровск, 1988. -с. 86-92.

23. Мурадян Л.А. Особенности напряженно-деформированного состояния несущих элементов котлов железнодорожных цистерн при продольных нагрузках: Автореферат дис... канд. техн. наук. -М.: 1989. -24 с.

24. Бруякин И.В. Особенности расчета напряженно-деформированного состояния и герметичности крышек люков железнодорожных цистерн, работающих под давлением. - Моск. ин-тинж. ж.д. трансп. им. Ф.Э. Дзержинского. -М.: 1990, -16 с. -Деп. в ЦНИИ МПС №5212 от 24.04.90 г.

25. Секулович М. Метод конечных элементов: Пер. с серб. М.: Стройиздат, 1993. -664 с.

26. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. М.: Мир, 1975. -544 с,

28. Рикардс Р.Б. Метод конечных элементов в теории оболочек и пластан. Рига: Зинатне, 1988. -284 с.

29. В.И. Мяченков, В.П. Мальцев, В.П. Майборода и др. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник, М.: Машиностроение, 1989. -520 с.

30. Метод конечных элементов в строительной механике: Сборник статей. Горький. Труды Горьковского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 1975. -с. 118-130.

31. Расчеты элементов конструкций на прочность и жесткость. Интегрированная система автоматизации конструирования и прочностных расчетов изделий машиностроения КИПР-ЕС: Межвуз. сб. науч. тр./Под ред. В.И. Мяченкова. М.: Изд. Мосстанкин, 1987. -188 с.

32. Киселев С.Н., Смирнов В.Ю., Воронин H.H., Аксенов Ю.Н. Программный комплекс для расчетов напряженно-деформированного состояния сварных конструкций. // Материалы науч.-техн. семинара «Применение мат. методов и ЭВМ в сварке», Л.: 1987, —с. 69-72.

33. Мяченков В.И., Мальцев В.П. Методы и алгоритмы расчета пространственных конструкций на ЭВМ ЕС. М.: Машиностроение, 1984. -280 с.

34. Джордж А., Лю Дж. Численное решение больших разряженных систем уравнений: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. -334 с.

35. Форсайт Дж., Молер К. Численное решение систем линейных алгебраических уравнений: Пер. с англ. М.: Мир, 1969. -280 с.

-15237. Райе Дж. Матричные вычисления и математическое обеспечение: Пер. с англ. М.: Мир, 1984.-264 с.

38. Уилкинсон, Райнш. Справочник алгоритмов на языке Алгол. Линейная алгебра: Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1976. -390 с.

39. Цвелих А.В. О программной реализации метода Холецкого для конечноэлемент-ных матриц // Расчеты элементов конструкций на прочность и жесткость. Под ред. В.И. Мяченкова. М.: Мосстанкин, 1985. -с. 72-80,

40. Расчеты и испытания на прочность. Метод расчета колебаний сложных пространственных конструкций в области низших форм колебаний. М.: ВНИИНМАШ, 1982. -144 с.

41. Анисимов П.С., Вершинский С.В. и др. Результаты комплексных испытаний восьмиосной цистерны с опиранием на скользуны. М.: Вестник ВНИИЖТ, №7, 1979. -с. 27-30.

42. Данилов В.Н., Хусидов В.Д., Филиппов В.Н., Козлов И.В. Исследование некоторых вопросов динамики восьмиосных вагонов с опиранием кузова на скользуны двухосных тележек. М.: Межвузов, сб. науч. тр., вып. 530, МИИТ, 1976. -с.29-37.

43. Грачева Л.О., Евстафьев Б.С., Козлов И.В., Львов А.А.,Певзнер В.О., Филиппов В.Н., Шамаков А.Н. Динамические особенности восьмиосной цистерны с опиранием котла на скользуны тележек. М.: Межвузов, сб. науч. тр., вып. 677, МИИТ, 1980. -с.61-69.

44. Плотников И.В. Определение частот и форм собственных колебаний железнодорожных цистерн. // Тез. Докл. студ. научн. конф. (с межд. уч.) «Проблемы транспортной механики», 26-28 окт. 1993 г. - М.: МИИТ, 1993. -с. 4-5.

45. Опыт эксплуатации и пути дальнейшего снижения металлоемкости восьмиосных цистерн. Сб. науч. тр. / Под ред. В.К. Терехова. М.: Транспорт, 1988. -56 с.

46. Большегрузные восьмиосные вагоны / Л.А. Шадур, В.Н. Котуранов, В.В. Лукин и др.; Под ред. Л. А Шадура. М.: Транспорт, 1968. -288 с.

47. Котуранов В.Н. Методы исследования напряженно-деформированного состояния котлов железнодорожных цистерн: Автореферат дис... докт. техн. наук. МИИТ, М.: 1973. -43 с.

48. Медведев В.П. Исследование прочностных характеристик сложных оболочек вращения, применяемых в цистерностроении: Автореферат дис... канд. техн. наук. МИИТ, М.: 1972. -24 с.