Выбор и обоснование конструкций дуг безопасности котлов цистерн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Черепов, Олег Вячеславович

• Черепов, Олег Вячеславович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Черепов, Олег Вячеславович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ

ТРАНСПОРТИРОВКИ ОПАСНЫХ ГРУЗОВ

1.1. Анализ аварийных ситуаций

1.2. Конструктивные решения по повышению безопасности транспортировки опасных грузов

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

2.1. Обоснование и выбор конечных элементов для идеализации котла цистерны

2.2. Построение разрешающих уравнений метода конечных элементов

' на основе принципа возможных перемещений

2.3. Определение матрицы жесткости плоского конечного элемента треугольной формы

3. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДУГ БЕЗОПАСНОСТИ КОТЛОВ ЦИСТЕРН

3.1. Выбор и обоснование расчетной схемы котла цистерны

3.2. Формирование нагрузок, действующих на котел цистерны, и схемы их приложения

3.3. Результаты расчета котла на действующие нагрузки и сопоставление их с данными теоретических исследований

3.4. Напряженно-деформированное состояние дуг безопасности котлов цистерн

4. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДУГ БЕЗОПАСНОСТИ КОТЛОВ ЦИСТЕРН

4.1. Варианты конструктивного исполнения дуг безопасности и их

расчетные схемы

4.2. Анализ напряженно-деформированного состояния конструкций

дуг безопасности

4.3. Оценка влияния конструкций дуг и способов их крепления на напряженно-деформированное состояние котла цистерны

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор и обоснование конструкций дуг безопасности котлов цистерн»

ВВЕДЕНИЕ

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

После распада СССР, как единого государства, на отдельные (независимые) республики, в России не осталось предприятий, специализирующихся на выпуске многих разновидностей грузовых вагонов (вагонов-цистерн для перевозки нефтяных грузов, кислот, ядохимикатов, сжиженных газов и других)/!/.

' Поскольку до 1992 года все научные исследования, посвященные методикам расчетов котлов цистерн были целенаправленны на конкретные предприятия (как правило, ПО «Азовмаш») и целиком передавались им, то в итоге оказалось, что Российские вагоностроительные заводы, приступившие к изготовлению цистерн, не имеют ни технической, ни методической базы, позволяющей производить прочностные расчеты котлов с последующей оценкой напряженно-деформированного состояния.

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

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

В связи с этим, с момента начала проектирования цистерн на ГПО «Уралвагонзавод» было принято решение об оказании помощи со стороны

кафедры «Вагоны» Уральской академии путей сообщения в разработке соответствующих методик расчетов котлов цистерн и их элементов.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы состоит в том, что :

- разработана и реализована на ПЭВМ конечно-элементная модель и алгоритм проведения расчета котла цистерны предназначенной для перевозки углеводородных газов применительно к ГПО «Уралва-гонзавод»;

разработана методика и проведен многовариантный анализ напряженно-деформированного состояния котла цистерны и дуг безопасности в зависимости от их конструктивного исполнения;

- определены наиболее рациональные конструктивные исполнения дуг безопасности, с точки зрения минимального воздействия на оболочку котла цистерны;

' - исследовано влияние способов крепления дуг безопасности на напряженно-деформированное состояние оболочки котла цистерны. Практическая ценность работы:

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

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

3. Разработанная методика анализа напряженно-деформированного состояния котла цистерны и дуг безопасности при аварийном режиме нагруже-ния позволяет решать вопросы по разработке конструкций дуг, их разме-

щению на котле цистерны, выбору способов соединения с оболочкой котла и другие вопросы возникающие при проектировании цистерн для перевозки опасных грузов. 4. Конструктивные проработки дуг безопасности в значительной мере нашли свое отражение в конструкторско-технологической документации при разработке цистерн для перевозки сжиженных углеводородных газов, моделей: 908Р (производства республика Польша), 15-144 (производства ГПО «Уралвагонзавод») и 15-200 (производства АО «Рузхиммаш») и других моделей цистерн предназначенных для перевозки опасных грузов.

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

- 91. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ ТРАНСПОРТИРОВКИ ОПАСНЫХ ГРУЗОВ

1.1. Анализ аварийных ситуаций

Перевозка опасных грузов необходима для нормального функционирования экономики любой страны, поскольку существует необходимость доставки сырья производящим предприятиям и конечной продукции в районы ее потребления. Развитие нашей цивилизации приводит к тому, что вредных и опасных веществ становится все больше. Опасные грузы составляют ныне едва ли четверть всего объема перевозок по железным дорогам. Они имеются практически в каждом движущемся составе /2/. Однако необходимо иметь в виду, что перевозка опасных грузов связана со значительным риском при по-грузо-разгрузочных операциях и транспортировке.

За последние годы Министерство путей сообщения, производственные объединения, связанные с производство вагонной техники, институты и другие предприятия накопили богатый опыт создания и безопасной эксплуатации железнодорожных цистерн. В зависимости от особенностей, вагоны-цистерны проектируются, изготавливаются, в соответствии с действующими нормативными документами. Основными, из которых являются: ГОСТы, системы ОСТов и Правил проектирования МПС, «Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)», документы Гостехнадзора РФ («Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», «Правила безопасности для производства, хранения и транспортировки хлора. ПБХ-83», «Типовая инструкция по безопасной эксплуатации железнодорожных цистерн для перевозки жидкого аммиака» и др.), а также требования, предъявляемые заказчиками. Выполнение этих нормативных документов на

всех уровнях должно обеспечить безопасность эксплуатации цистерн и обслуживающего персонала.

Ряд крупных крушений и аварий, имевших место на железнодорожном транспорте в последние годы, послужил серьезным предупреждением для принятия неотложных мер по обеспечению безопасности движения при перевозке опасных грузов 13/. Попадание вагонов-цистерн с опасными грузами в аварийные ситуации усугубляет нарушение безопасности и приводит к тяжелым последствиям. Крушения и аварии, в которые попадают цистерны с опасными грузами, наблюдаются на всех железных дорогах мира и редко обходятся без последствий, связанных с человеческими жертвами, загрязнением окружающей среды и значительными материальными затратами по ликвидации последствий аварий /4, 5, 6, 7, 8/.

С целью обеспечения безопасности перевозки опасных грузов, регулирования правовых отношений рядом международных организаций, в том числе ООН, ОСЖД и другими, разработаны рекомендации и соглашения, регламентирующие перевозку и правовые отношения /9, 10, 11/. Данные документы постоянно корректируются и совершенствуются, отвечая требованиям сложившихся обстоятельств в перевозках опасных грузов.

Основными документами, регламентирующими транспортировку опасных грузов по железным дорогам страны являются ГОСТы, «Грузы опасные. Классификация и маркировка» «Правила перевозки грузов», /12, 13, 14, 15/. Значительный вклад в развитие этих документов и их соответствие международным стандартам внесли ученые и специалисты ВНИИЖТа, МГУПСа (МИИТа), СГАПСа (НИЖТа). Были разработаны новые документы - это «Правила безопасности и порядок ликвидации последствий аварийных ситуаций с опасными грузами при перевозке их по железным дорогам", "Правила перевозок радиоактивных веществ» /15, 16/. Обеспечить абсолютную надежность перевозок опасных грузов невозможно, поэтому во всех документах заложен основной принцип: чем опасней груз, тем строже правила обеспечения безопасности.

Несмотря на значительные усилия, затрачиваемые на обеспечение безопасной перевозки опасных грузов, имеются довольно частые случаи аварий, приводящие к утрате груза, транспортных средств и сооружений, загрязнению окружающей среды, причиняющие ущерб здоровью людей, и приводящие к колоссальным материальным потерям.

Среди таких аварийных ситуаций можно назвать случаи, произошедшие в Свердловске, Арзамасе, Уфе, Сызрани, Чупе, Мге.

Опубликованные за рубежом результаты исследований крупных катастроф, связанных с транспортировкой опасных грузов, произошедших с 1974 по 1995 годы, показывает, что налицо рост аварийных ситуаций с человеческими жертвами.

Так, во Франции ежегодно происходит от 200 до 300, а в Германии от 400 до 700 несчастных случаев, связанных с транспортировкой опасных грузов, из которых до 36 % происходит на железнодорожном транспорте /17/.

•Большой объем перевозок опасных грузов, перевозимых ежегодно в США, дает основание опасаться риска аварий и нанесения ущерба окружающей среде. По этой причине правительственные органы США стараются регулировать транспортировку опасных грузов и контролировать их утечки. По опубликованным материалам, количество происшествий и аварий возросло с 6000 в 1985 году до 16092 в 1994 году. Причем на железнодорожный транспорт приходится 1157 аварий и происшествий. При этом 52 случая - по причине схода вагонов с рельс. Общая сумма убытков по вине железнодорожного транспорта составила 18673000 долларов США /5/.

При анализе аварийных ситуаций, связанных с перевозкой опасных грузов по железным дорогам, следует учитывать такие факторы, как необходимость эвакуации людей из зоны аварии, возможность возникновения очагов заражения на местности, отрицательно влияющих на окружающую среду. Так, за 1994 год в США по причине аварий на железнодорожном транспорте, связанных с перевозкой опасных грузов было произведена 31 эвакуация людей, при этом было эвакуировано 10015 человек. Во время железнодорожной

аварии в Торонто (Канада, 1979 год) произошла утечка большего количества хлора, в связи с этим пришлось эвакуировать 250000 человек. При крушении поезда, перевозившего фосфорную кислоту, в 1986 году в США было эвакуировано 40000 жителей г. Майямисбурга.

На данный момент положение с обеспечением безопасности при перевозках опасных грузов железнодорожным транспортом остается крайне острым. В большинстве случаев острота положения кроется в нарушениях правил перевозки, отсутствии средств защиты на подвижном составе, используемом для транспортировки данных грузов, а также в техническом состоянии путей. Так, из-за технического состояния путей в мае 1997 года на перегоне Чупа - Кереть (Октябрьской ж. д.) при следовании грузового поезда произошел сход 11 цистерн. При этом был нанесен материальный ущерб, составивший 63,5 млн. рублей. В июне того же года на перегоне Мга-Назия (Октябрьской ж. д.), при следовании грузового поезда по главному магистральному пути, произошел сход 17 вагонов. Материальный ущерб составил 232,3 млн. рублей /4/.

В течение последних 10 лет из-за нарушения правил грузоотправителями произошел рад катастроф: выброс хлора из цистерны на ст. Аннау, утечка топливного продукта из цистерны под Ярославлем, пожары со взрывами разрядных грузов в Арзамасе и Свердловске.

Одним из основных факторов, приводящих к подобного родам ситуациям, является нарушение правил производства маневровых работ на станциях и подъездных путях. Нарушение правил заключается в превышении допускаемых скоростей соударения при объединении поездов групп вагонов, или подхода локомотива к поезду, при роспуске с горок вагонов, с которыми данная операция запрещена. Примером подобных случаев являются случаи в Сызрани и на ст. Минск-товарный в 1982 году 161.

При имевших место нарушениях правил перевозки, аварийная ситуация усугубляется недостатком конструктивного исполнения ряда узлов вагонов. Требуется значительное совершенствование конструкций:

- повышение надежности сливо-наливной, предохранительной и контрольной арматуры цистерн для перевозки высокотоксичных жидкостей углеводородного сырья и способов ее защиты;

- изготовление котлов повышенной прочности и применение конструкционных материалов, устойчивых к агрессивным средам;

- оборудование вагонов физической защитой и термоизоляцией, и другие конструктивные решения/17/.

Исходя из вышесказанного, формируется научная проблема, а именно -повышение безопасности движения путем снижения риска возникновения аварийной ситуации при транспортировке опасных грузов в вагонах-цистернах.

Но поскольку достичь полной надежности техники, а с ней и исключить вероятность возникновения аварии невозможно, то необходимо стремиться к минимизации последствий аварийных ситуаций. Это может быть достигнуто путем комплекса организационных и технических мер, заключающихся в:

1) разработке и совершенствовании правил перевозок опасных грузов.

2) совершенствовании вагонной техники, предназначенной для перевозки опасных грузов.

Поскольку большинство вагонов-цистерн для перевозки опасных грузов, принадлежат организациям и предприятиям, не входящим в структуру МПС, то конструкции этих вагонов разрабатывались на основании «Норм для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» /18/ и согласовывались с МПС.

«Нормы для расчета ...» определяют весь спектр нагрузок, обусловленных условиями эксплуатации подвижного состава и являются основой для обеспечения прочности на стадии проектирования, а так же надежности и динамических качеств вагонных конструкций с точки зрения безопасности . движения. Но они не предусматривают нагрузок, вызванных аварийными ситуациями.

Аварийные ситуации характерны тем, что при них возникают силы, значительно превышающие расчетные, и силы, возникающие при нормальной эксплуатации. Поэтому действующие нормативные документы не позволяют наметить пути по совершенствованию вагонной техники, и оценить «живучесть» цистерн, находящихся в эксплуатации на действие нештатных нагрузок.

Наиболее эффективным средством предупреждения возникновения тяжелых последствий аварийной ситуации является совершенствование самого вагона, предназначенного для транспортировки опасного груза. Это понятие включает наличие на вагоне специальных приспособлений, предназначенных для защиты кузова или котла от нарушения герметичности.

Поэтому для реализации данного решения необходимо провести ряд теоретических и экспериментальных исследований. Важным моментом в стимулировании работ данного направления явилось заседание Коллегии Министерства путей сообщения, а также принятые ею решения (Указания МПС № 153у от 03.03.88 г. и № Г-2965у от 31.08.88 г.).

С привлечением широкого круга ученых были разработаны основные направления совершенствования правил перевозок опасных грузов и правил безопасности проведения разработок и исследований для кардинального решения проблемы повышения безопасности при транспортировке опасных грузов и аварийных ситуаций с ними. Данные направления легли в основу для разработки целевой программы проведения научно-исследовательских и экспериментальных работ по совершенствованию перевозок опасных грузов железнодорожным транспортом. Основными этапами программы являются:

1. Разработка и совершенствование правил перевозки грузов.

2. Создание нового поколения специализированных вагонов для перевозки опасных грузов и транспортной тары.

3. Комплексное исследование транспортных нагрузок.

4. Разработка, пересмотр и корректировка государственных, отраслевых стандартов и нормативно-технической документации.

5. Разработка мер техники безопасности, охраны труда и производственной санитарии при перевозке опасных грузов.

6. Разработка мероприятий по предотвращению загрязнения внешней среды при перевозке опасных грузов.

7. Совершенствование технологии перевозок опасных грузов.

8. Исследование и совершенствование транспортного права, регулирующего перевозки опасных грузов.

С позиции конструктивного исполнения технические требования предусматривают введение в конструкцию вагона следующих элементов:

- автосцепки полужесткого типа с ограничителями вертикального относительного перемещения сцепленных автосцепок;

- демпферы ударных нагрузок в виде разрезных (плавающих) хребтовых балок и поглощающих аппаратов повышенной энергоемкости;

- предохранительные устройства для предотвращения течи, выплесков, выброса продуктов при неисправности сливо-наливной и предохранительной арматуры;

- секционирование емкостей;

- быстродействующие запорные вентили;

- средства физической защиты котлов цистерн от ударов и опрокидывания.

Внедрение в конструкцию того или иного предложения требует как минимум натурных испытаний. А решение вопросов о введении в конструкцию средств физической защиты требуют предварительных теоретических исследований по оценке эффективности действия и прочности в целом, и элементов защиты в частности. Основная задача при этом заключается в определении таких вариантов конструктивных решений, которые позволили бы снизить уровень силовых воздействий на оболочку котла цистерны.

1.2. Конструктивные решения по повышению безопасности транспортировки опасных грузов

Одним из основных вопросов повышения безопасности движения при транспортировке опасных грузов по железным дорогам страны является модернизация существующего парка вагонов с последующей разработкой и изготовлением нового поколения подвижного состава для перевозки опасных грузов, значительную часть из которых составляют грузы второго класса -газы сжиженные и растворенные под давлением, сжатые газы. Решение этих вопросов требует проведения научно - исследовательских работ. Немаловажное значение должен иметь и международный опыт конструктивного исполнения цистерн. Поэтому для определения путей и средств по повышению безопасности вагонов-цистерн отечественного производства перевозящих сжиженные газы при аварийных ситуациях, был проведен анализ конструкций аналогичных вагонов-цистерн, эксплуатирующихся за рубежом /19, 20, 21/.

Различие условий эксплуатации цистерн для перевозки опасных грузов отражается в конструктивном исполнении котлов цистерн, в расположении органов сливоналивной арматуры. У большинства безрамных цистерн сливо-наливная арматура расположена вверху, нижнее расположение, как правило, встречается у цистерн, имеющих несущую раму. Выбор месторасположения арматуры и ее устройство является важным моментом в обеспечении герметичности котла при попадании цистерны в аварию. Цистерны, эксплуатируемые в Англии и перевозящие сжиженные газы, имеют верхнее расположение органов сливоналивной арматуры. Колпак с органами арматуры устанавливается внутри котла, и ничто не выступает за его наружную поверхность. Такое расположение обеспечивает сохранность органов управления от повреждения при опрокидывании цистерны.

В ряде стран Западной Европы котлы цистерн для перевозки сжиженных газов имеют загрузочные и разгрузочные устройства, расположенные

внизу. В таких конструкциях загрузка и выгрузка производится с компенсацией давления в котле. Устройство для загрузки и выгрузки имеет расположенный внутри быстродействующий донный клапан, боковые распределительные трубы, два запарных вентиля с обеих сторон с глухими заглушками. Донный вентиль с помощью трубы связан с газовой зоной котла. Особенностью конструктивного исполнения донного вентиля является возможность управления вентилем с безопасного расстояния при возникновении аварийной ситуации, осуществляется автоматическое закрывание его в случае непредвиденного перемещения цистерны, находящейся под разгрузкой.

Цистерны, предназначенные для перевозки хлора в Австрии, имеют двойной вентиль, состоящий из внутреннего обратного шарового клапана, удерживаемого в закрытом состоянии пружиной, и внешнего пневматического клапана углового типа. В случае тяжелых аварий (опрокидывание цистерны) быстродействующий запорный клапан имеет специально предусмотренное ослабленное место, по которому он должен срезаться. При этом обратный шаровой клапан не повреждается, чем обеспечивается герметичность котла. На этих цистернах в случае опасности имеется возможность закрывания вентиля с безопасного расстояния.

По мнению большинства железных дорог и компаний, подтвержденному многолетним опытом эксплуатации, закрытый котел является самым надежным. При отсутствии предохранительного клапана на котле предъявляются требования к соблюдению правил наполнения котла (исключение возможности наполнения выше установленного для данной конструкции объема). При наличии на котле предохранительного клапана, последовательно с ним располагается предохранительная (разрушаемая) мембрана.

Абсолютное большинство конструкций цистерн для перевозки опасных (легковоспламеняющихся) грузов имеют верхний налив и нижний слив груза с управлением сверху. Верхнее управление сливом затрудняет быстрое закрытие слива при аварийных ситуациях. Поэтому цистерны последних годов выпуска имеют донные вентили с управлением снизу, что позволяет выпол-

нять быстрое перекрытие вентиля. Конструкция сливного прибора выполнена так, что если в результате аварии будут повреждены или срезаны наружные органы управления, герметичность котла не нарушится. У некоторых цистерн осуществляется блокирование сливного прибора с предохранительным клапаном, что исключает потерю устойчивости оболочки при ее опрокидывании с закрытой крышкой люка.

Для большинства цистерн отечественного парка характерно отсутствие специальных защитных устройств у сливо-наливной арматуры на случай аварийных ситуаций. У цистерн, предназначенных для перевозки сжиженных газов, имеются скоростные клапаны для перекрытия выхода газа из котла при внезапном обрыве подводящих магистралей в процессе сливо-наливных операций, однако угловые и контрольные вентили, как правило, расположены на крышке люка-лаза в верхней части цистерны и практически не защищены при аварийном опрокидывании цистерны. По существу, у большинства отечественных цистерн для перевозки опасных грузов вся «защита» сводится только к нанесению соответствующих надписей на котле.

В большинстве аварийных ситуаций, происшедших на железных дорогах с цистернами для перевозки опасных грузов, происходила потеря герметичности котла в связи с опрокидыванием котла при сходе с рельсов или при воздействии на котел автосцепки соседнего вагона, либо длинномерного груза, находящегося в следующем вагоне. Для предотвращения утечек продукта, при подобных ситуациях, котел должен быть защищен надлежащим образом. В качестве защиты могут быть использованы щиты, кожухи, дуги и другие технические средства.

Вопрос о технических средствах повышения безопасности транспортировки опасных грузов в вагонах-цистернах рассматривался на заседании секции вагонного хозяйства и безопасности движения НТС МПС в 1991 году.

Для обеспечения защиты котла цистерны при перевозках опасных грузов возможны несколько вариантов применения средств защиты:

1. Более энергоемкие поглощающие аппараты (Ш6-ТО-4, в перспективе -эластомерные поглощающие аппараты);

2. Для обеспечения предотвращения саморасцепа при аварийных ситуациях - установка предохранительных устройств от саморасцепов, ограничивающих взаимное смещение автосцепок в вертикальной плоскости

(рис. 1.1)*;

3. Щиты и экраны, устанавливаемые над автосцепкой, для защиты нижней зоны днища котла;

4. Защитные устройства колпака со сливо-наливной арматурой, включая их нижнее расположение с укрытием элементами рамы;

5. Модернизация крепления сливо-наливных, дренажных и контрольных труб.

Все вышеперечисленные средства защиты широко применяются на ряде железных дорог мира и некоторые из них уже реализованы на цистернах отечественного парка /7, 22, 23, 24/.

Под руководством д. т. н., профессора В. Н. Филиппова и к. т. н., доцента А. В. Смольянинова был разработан и испытан экран-щит, предназначенный для снижения вероятности повреждения днища цистерны автосцепкой соседнего вагона. Щит был установлен на цистерну модели 903Я (рис. 1.2) и прошел испытания предусматривающих экспериментальное моделирование аварийной ситуации /7/.

Первый этап испытаний (1991 год), предусматривал соударение отцепа из нескольких груженых цистерн и головной порожней цистерны со стоящей груженой цистерной модели 90311, оборудованной щитом. При этом варианте испытаний произошло вертикальное выжимание порожней цистерны при скорости 20 км/ч и удар ее автосцепкой по щиту стоящей цистерны.

* Весь фотоматериал, представленный в диссертационной работе, был получен путем оцифровки видеоизображения.

Предохранительные устройства от саморасцепов

Рис. 1.1

Экран-шит для защиты нижней зоны днища котла

Рис. 1.2

В результате соударения защитный щит был деформирован, но деформации днища не произошло.

Второй этап испытаний (1992 год) предусматривал соударение накатывающейся с высокой скоростью цистерны, оборудованной щитом, со стоящим вагоном, автосцепка которого находилась на уровне щита. При соударении с таким препятствием при скорости 54 км/ч щит на опытной цистерне был существенно деформирован, однако повреждения днища котла с нарушением герметичности не произошло (остаточная вмятина на днище глубиной 15 мм и длиной 250 мм). Результаты испытания такого варианта защиты, установленного на раме цистерны, позволил рекомендовать его для установки на всех типах цистерн для перевозки опасных грузов.

Защищенность сливо-наливной арматуры при аварийных режимах, как это отмечалось выше, подразумевает обеспечение герметичности котла как при значительных инерционных продольных нагрузках, так и при сходе цистерны с рельсов, опрокидывании ее с насыпи и взаимодействии ее с препятствием.

При возникновении подобного рода ситуаций наиболее повреждаемыми элементами конструкции является сливо-наливная арматура, находящаяся в горловине люка-лаза.

В мировой практике цистерностроения известны различные способы защиты органов управления:

- нижнее расположение;

- верхнее расположение, но утопленное внутрь котла;

- срезаемые при столкновении с препятствием органы управления и другие решения.

В силу сложившихся условий эксплуатации цистерн целесообразно рассматривать для реализации пути совершенствования верхней системы сливо-наливной арматуры (для сжиженных газов).

Слабым звеном внутренней арматуры котлов цистерн являются сливо-наливные, дренажные и контрольные трубы. Из-за их обрывов уже в первый

год эксплуатации выходило из строя до 15 % эксплуатируемых цистерн, а за срок службы между периодическим осмотром и гидравлическими испытаниями (ВОГИ) около половины цистерн отправлялось в ремонт. Ввиду того, что основной причиной обрыва сливо-наливных, контрольных и дренажных труб является гидроудар жидкости и нежесткое крепление их в нижней части котла, был предложен вариант с воронкой-ловушкой III. Воронка снабжена подпружиненным стопором в виде усеченного конуса и имеет по контуру основания ограничительный бурт. Подпружиненный стопор обеспечивает гашение колебаний пучка труб, возникающих при соударении цистерн.

Для снижения напряженного состояния в зоне соединения сливо-наливных труб со скоростным клапаном, МГУПСом (МИИТом), совместно с заинтересованными организациями были разработаны варианты закрепления пучка труб в нижней зоне и варианты ужесточения пучка путем соединения труб при помощи раскосов, с поворотом пучка с крышкой люка на 90°. Анализ результатов, полученных в процессе сравнительных прочностных испытаний с целью определения динамических перегрузок при соударении, свидетельствует об эффективности жесткого соединения труб и поворота их на 90° III.

Для защиты органов управления от механических повреждений при опрокидывании цистерны, ПО «Азовмаш» и Фабрикой вагонов «Свидница» разработаны и изготовлены несколько вариантов усиленного защитного колпака арматуры (рис. 1.3). Масса колпака составляет 90-100 кг. Однако применение таких колпаков вызывает определенные сложности при выполнении сливо-наливных операций и может явиться причиной аварии при движении поезда ввиду возможного падения колпака на путь. Эксплуатационные испытания цистерн с усиленным двустворчатым колпаком сливо-наливной арматуры выявили его несовершенство, и такой вариант защиты не может быть рекомендован к серийному изготовлению III.

Более перспективным представляется вариант защиты с использованием защитных экранов (рис. 1.4) или дуг безопасности.

Вариант физической зашиты в виде усиленного колпака

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Черепов, Олег Вячеславович, 1998 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

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

2. Лендов В. На подступах к опасности // Гудок, - 1998,- 1 октября. - № 185 (26251).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

12. ГОСТ 19433 - 88. Грузы опасные. Классификация и маркировка. -Взамен ГОСТ 19433-81: Введ. с 01.01.90. - М.: Издательство стандартов. - 1988. -37 с.

- 15213. Обеспечение сохранности грузов при железнодорожных перевозках: Справочник / В. К. Бешкето, Ю. А. Носков, А. М. Островский, и др.; Под редакцией В. К. Бешкето и Ю. А. Носкова. - М.: Транспорт, 1982. - 238 с.

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

15. Правила перевозки опасных грузов. - М.: Транспорт, 1997. - 252 с.

16. Правила перевозки радиоактивных веществ. - М.: Транспорт, 1985. - 20 с.

17. Смольянинов А. В., Филиппов В. Н. Транспортировка опасных грузов // Железнодорожный транспорт, 1990,- № 7,- С. 31-33.

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

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

20. Кост Е. Л., Самонова С. А. Совершенствование конструкции вагонов-цистерн Западно-Европейских железных дорог // Железнодорожный транспорт за рубежом. Серия И: Подвижной состав. Локомотивное и вагонное хозяйство. / ЦНИИТЭИ МПС.-М., 1980,- Вып. 4. - С. 1-16.

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

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

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

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

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

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

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

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

29. Новожилов В. В. Теория тонких оболочек. - Л.: Судпромгиз, 1962 - 344 с.

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

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

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

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

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

35. Котуранов В. Н., Болотин М. М. Влияние местных отклонений радиуса котла цистерны на напряжения в его оболочке // Сб. науч. тр. МИИТ. -1970. - Вып. 328: Теоретические и экспериментальные исследования большегрузных вагонов. - С. 4-16.

- 15436. Котуранов В. Н., Глазкова Р. С. Исследования по выбору оптимального профиля шпангоутов восьмиосных цистерн // Сб. науч. тр. МИИТ. - 1976. - Вып. 530: Динамика и прочность, экономика и ремонт восьмиосных вагонов. - С. 66-75.

37. Котуранов В. Н., Осипов Г. А., Болотин М. М. И др. Исследование напряжений в оболочке котла цистерны, подкрепленной набором шпангоутов и одним продольным элементом // Сб. науч. тр. МИИТ. - 1970. -Вып. 328: Теоретические и экспериментальные исследования большегрузных вагонов. - С. 17-34.

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

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

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

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

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

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

44. Секулович М. Метод конечных элементов / Пер. с сербского; Под ред. Барбакадзе В. М. - М.: Стойиздат, 1993. - 664 с.

45. Руководство пользователя ISCRA.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

60.Расчет на прочность, опирания и крепления котла цистерны 908Р / г. Познань,- Май, 1988 г.

61 .Вагон-цистерна для сжиженных углеводородных газов и легкого углеводородного сырья. Модель 15-1602. Расчет технико-экономических параметров. 1602.00.000 РР, 1602.01.000 РР/ПО «Ждановтяжмаш», 1982.

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

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

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

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

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

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

68.Повышение надежности специализированных вагонов-цистерн для перевозки опасных сжиженных газов: Отчет о НИР (промежуточный) / МИИТ: руководители темы: Филиппов В. Н., Канивец Р. Ф. - 219/88; № TP 01890000514; Инв. № 02900026867. - М., 1989.- 153 с.

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

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

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

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

73.Черепов О. В. Анализ напряженно-деформированного состояния котла цистерны для перевозки сжиженных газов с дугами безопасности // Железнодорожный транспорт сегодня и завтра. Тезисы докладов юбилейной науч.-техн. конференции. Часть 1. - Екатеринбург, 1998. - С. 31.