Совершенствование технологии модернизации котла вагона-цистерны

Важнейшими направлениями перспективного развития вагонного хозяйства железнодорожного транспорта России являются: переход на наиболее экономичные и прогрессивные технологии, соответствующие требованиям рынка транспортных услугзначительное повышение эффективности производства и приведение технического потенциала в соответствие с требованиями грузоотправителей и грузополучателей.

Необходимость учёта интересов потребителей транспортной продукции, стремление повысить конкурентоспособность железнодорожных транспортно-грузовых комплексов — требуют проведения регулярной модернизации вагонов, приспосабливая их к рациональной перевозке тех грузов, которые предлагает рынок. При этом транспортные компании — собственники вагонов стремятся обеспечить для потребителей: сокращение расходов на перевозку, доступность вагонов в любое время, гарантированную сохранность и доставку груза «точно в срок». В связи с этим становится актуальной проблема разноплановой модернизации конструкций особенно специализированных грузовых вагонов в условиях вагонных депо.

Анализ технической информации выявил, что вопросам создания новых и совершенствованию существующих грузовых вагонов посвящены монографии и научные труды многих учёных ВНИИЖТа, ГосНИИВа, МИИТа, ПГУПСа, УрГУПСа, РОАТа и ряда других научных и производственных коллективов.

Однако эти исследования были посвящены, в основном, выбору конструктивных схем и оптимальных параметров грузовых вагонов, без учёта их возможных модернизаций при приспособлении для рациональной перевозки тех или иных грузов и с целью повышения работоспособности в изменяющихся условиях эксплуатации. В то же время, непостоянность и непредсказуемость рыночного спроса делает часто нецелесообразным создание больших потенциальных провозных возможностей за счёт закупки универсального подвижного состава. Отсюда становится актуальной проблема организации гибких и надёжных провозных возможностей транспортных компаний, способных быстро реагировать производством на изменяющийся спрос транспортных услуг.

Решение этой проблемы, в условиях конкуренции, наиболее эффективно достигается за счёт проведения быстрой и недорогой модернизации подвижного состава в условиях действующих в ОАО РЖД вагоноремонтных предприятий.

Особенно актуальной в настоящее время является задача разработки рациональной технологии модернизации и переоборудования специализированных цистерн. Это объясняется тем, что вагоны-цистерны являются специфическим видом подвижного состава и предназначены для перевозки широкой номенклатуры наливных, пылевидных, затвердевающих и газообразных грузов.

В условиях рыночной экономики постоянно обновляется номенклатура перевозимых грузов, выдвигаются требования по специальным условиям их транспортировки, погрузки и выгрузки. Поэтому транспортные компании постоянно стремятся приспосабливать, за счёт модернизации, имеющиеся цистерны для перевозки грузов рыночной востребованности. Однако технологии модернизации вагонов-цистерн развиты недостаточно и для восполнения этого пробела необходимо проведение глубоких научных исследований по данной проблематике.

Поэтому основная цель данной диссертации состояла в обобщении результатов комплексных исследований и разработке рациональной технологии модернизации на примере котла цистерны-цементовоза при его переоборудовании на перевозку светлых нефтепродуктов.

Методологической основой работы являются современные представления о прочности конструктивных элементов вагонов, использование метода конечных элементов (МКЭ), критериев усталостного повреждения, проведение стендовых и эксплуатационных испытаний цистерн.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Разработана методика оценки функциональной работоспособности модернизированного котла цистерны, перепрофилированного на перевозку светлых нефтепродуктов.

2. Установлены закономерности изменения напряжений в котле цистерны в зависимости от геометрических параметров и монтажа подкрепляющих элементов.

3. Определено влияние технологии монтажных работ на напряжённо-деформированное состояние ремонтируемых зон котла и подкрепляющих элементов.

4. Предложена новая методика и проведены ресурсные испытания зон котла цистерны, на которых производились сварочные работы.

Практическая ценность и реализация работы.

1. Использование методики оценки функциональной работоспособности модернизированных вагонов в вагонном депо Горьковской ж.д. позволило с высокой экономической эффективностью и в минимальные сроки освоить поточную технологию переоборудования цистерн-цементовозов в цистерны для перевозки светлых нефтепродуктов. В течение четырёх лет более 140 единиц переоборудованных цистерн успешно эксплуатируются на дорогах стран СНГ.

2. Созданная установка для оценки ресурса переоборудованного котла цистерны позволяет ускорить сдачу в эксплуатацию модернизированных вагонов и обосновать реальные сроки их полезного использования.

3. Разработанная конструктивная схема перфорированных усиливающих накладок позволяет усовершенствовать технологии их монтажа и повышает прочность отремонтированных элементов вагонов.

4. Предложенные способ перепрофилирования железнодорожной цистерны, стенд для испытания котла цистерны на многоцикловые нагрузки будут способствовать дальнейшему развитию технологий ремонта, повышая технический уровень и экономическую эффективность модернизированного подвижного состава.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «Транспорт 2010», Ростов-на-Дону, 2010; «Проблемы и перспективы развития вагоностроения», Брянск, 2010; на НТС Горьковской железной дороги (2004;2007), на Международной конференции «Перевозка нефти и нефтепродуктов в странах СНГ и Балтии 2004» (Москва, 2004 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них 4- в журналах, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка библиографических источников из 100 наименований. Общий объём работы состоит из 126 страниц, в тексте содержится 44 рисунка и 5 таблиц.

Выводы по разделу 4.

1. Исследование напряжённо-деформированного состояния неусиленного котла цистерны при статических нагрузках выявило, что наиболее нагруженными частями котла являются: зона люка-лаза, где максимальные напряжения при III режиме нагружения составляет 0,76 от допускаемых напряжений, и опорные зоны, где напряжения достигают 0,65 от допускаемых напряжений.

2. Усиление котла модернизированной цистерны постановкой шпангоутов и специальных накладок в опорных зонах существенно снижают напряжённо-деформированное состояние резервуара и эквивалентные напряжения уже не превышают 0,45 от допускаемых напряжений.

3. Сравнение значений расчётных напряжений с экспериментальными данными в соответствующих сечениях котла модернизированной цистерны показало их хорошую сопоставимость, так как расхождение величин эквивалентных напряжений в наиболее нагруженных зонах не превышало 12%.

4. Разработанные методика и испытательный стенд для оценки прочности котла при многоцикловых нагружениях избыточным давлением и вакуумом позволяют эффективно контролировать работоспособность модернизированных или отремонтированных резервуаров и назначать срок их полезного использования.

5. Повышенное на 30% сопротивление усталости было установлено у модернизированного котла при постановке шпангоутов с нормированными зазорами не более 2,0 мм и перфорированными усиливающими накладками толщиной 8,0 мм в опорных зонах котла.

6. Испытания на ударную прочность показали, что модернизированная цистерна обладает необходимыми прочностными характеристиками, так как повреждений котла и его крепления к раме не было обнаружено, и она может быть рекомендована к эксплуатации на всех дорогах стран СНГ.

7. Эксплуатационные испытания модернизированных цистерн для перевозки светлых нефтепродуктов, проводившиеся в течение трёх лет, подтвердили полную их работоспособность и высокую экономическую эффективность.

8. Разработанные рекомендации по переоборудованию котлов цистерн для перевозки грузов рыночной востребованности будут способствовать проведению быстрой и недорогой модернизации вагопов в трапепортпых компаниях и позволят в относительно короткое время решить вопрос имеющегося в настоящее время на дорогах стран СНГ дефицита отдельных видов подвижного состава.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Обобщения, теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в диссертации, позволяют сделать следующие общие выводы и рекомендации.

1. В условиях функционирования рынка транспортных услуг становится особенно актуальной проблема организации гибких и надёжных провозных возможностей транспортных компаний за счёт проведения быстрой и недорогой модернизации подвижного состава, в условиях действующих в ОАО РЖД вагоноремонтных предприятий.

2. Модернизация подвижного состава должна осуществляться на основе научно обоснованной технологии обновления и переоборудования основных составных частей вагонов, обеспечивающих приспособление их к перевозкам грузов рыночной востребованности. Особое внимание должно быть обращено на модернизацию специализированных вагонов и, в частности, цистерн. Однако анализ современного состояния вагонного парка выявил, что применяемые технологии модернизации цистерн не в полной мере удовлетворяют требованиям их безопасной эксплуатации и необходимо проведение дополнительных исследований по данной проблематике.

3. Анализ конструктивных особенностей разных типов вагонов-цистерн позволил разработать классификацию их специального оборудования, которое наиболее часто подвергается модернизации. По степени сложности было выделено три типа модернизаций вагонов-цистерн, которые должны выполняться по специальным технологиям.

4. Наиболее сложной является технология перепрофилирования цистерн для перевозки грузов рыночной востребованности и приспособления их к специфическим условиям эксплуатации. Для оценки функциональной работоспособности модернизированного котла цистерны в диссертации предложена методика, включающая следующие этапы: оценку возможности модернизации того или иного вагонаразработку проекта модернизации, проведение проверочных расчётовформирование технологии модернизациипроведение испытаний модернизированной цистерны и разработку рекомендаций по совершенствованию технологии её переоборудования при деповском или капитальном ремонтах.

5. Выполненный проверочный расчёт котла модернизированной цистерны выявил, что переоборудованная цистерна в основном отвечает требованиям «Норм.» в части прочности и устойчивости котла при номинальных толщинах листов обечаек. Однако повышенные напряжения выявляются в зонах лежневых опор и у люка-лаза, что требует проведения работ по усилению несущей способности котла.

6. Усиление котла переоборудованной цистерны постановкой шпангоутов в районе люка-лаза и дополнительных перфорированных накладок в зонах лежневых опор существенно снижает напряжённо-деформированное состояние резервуара, и максимальные эквивалентные напряжения не превышают 120,0 МПа.

7. Исследованием напряжённо-деформированного состояния шпангоута обнаружено возникновение повышенных напряжений при неплотной подгонке его во время монтажа на котёл. Зазоры при подгонке шпангоута к поверхности котла не должны быть более 2,0 мм.

8. Анализ напряжённо-деформированного состояния усиливающих накладок позволил констатировать, что использование технологии постановки перфорированных элементов обеспечивает снижение эквивалентных напряжений в опорных зонах не менее чем на 30%.

9. Предложенные компьютерные модели для оценки напряжённо-деформированного состояния шпангоутов и усиливающих накладок могут быть рекомендованы к использованию при разработке технологических процессов ремонта и модернизации металлоконструкций подвижного состава.

10. Экспериментальные исследования напряжённо-деформированного состояния неусиленного котла переоборудованной цистерны при статических нагрузках выявили, что наиболее нагруженными частями котла являются: зона люка-лаза, где максимальные напряжения при III режиме нагружения составляют 0,76 от допускаемых напряжений, и опорные зоны, где напряжения достигают 0,65 от допускаемых напряжений.

11. Усиление котла модернизированной цистерны постановкой шпангоутов и специальных накладок в опорных зонах существенно снижают напряжённо-деформированное состояние резервуара, и эквивалентные напряжения уже не превышают 0,45 от допускаемых напряжений.

12. Сравнение значений расчётных напряжений с экспериментальными данными в соответствующих сечениях котла модернизированной цистерны показало их хорошую сопоставимость, так как расхождение величин эквивалентных напряжений в наиболее нагруженных зонах не превышало 12%.

13. Разработанные методика и испытательный стенд для оценки прочности котла при многоцикловых нагружениях избыточным давлением и вакуумом позволяют эффективно контролировать работоспособность модернизированных или отремонтированных резервуаров и назначать срок их полезного использования.

14. Повышенное на 30% сопротивление усталости было установлено у модернизированного котла при постановке шпангоутов с нормированными зазорами не более 2,0 мм и перфорированными усиливающими накладками в опорных зонах котла.

15. Испытания на прочность при ударных нагрузках показали, что модернизированная цистерна обладает необходимыми прочностными характеристиками, так как повреждений котла и его крепления к раме не было обнаружено, и она была рекомендована к эксплуатации на всех дорогах стран СНГ.

16. Эксплуатационные испытания более 140 единиц модернизированных цистерн для перевозки светлых нефтепродуктов, проводившиеся в течение трёх лет, подтвердили полную их работоспособность и высокую экономическую эффективность.