Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Железнодорожные цистерны. Конструкция и расчет котлов. Учебное пособие
.pdf
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Вагоны»
¬ЗЙЖЧЪИГИЙ½ЙЖЕЙ½¥§¥ЙЖЪМЙ½
¡¦¢¨©©«©¡¨¶±£¬«¨¶
¥©¨¬«®¥±£º£«¬²¥©¦©
Учебное пособие
для изучения тем курса, выполнения практических
и лабораторных работ, разработки курсового проекта
с элементами научно-исследовательского характера
по дисциплине «Конструирование и расчет вагонов»
для обучающихся по специальности
23.05.03 «Подвижной состав железных дорог»
специализации «Грузовые вагоны»
всех форм обучения
2-е издание, исправленное и дополненное
Екатеринбург
УрГУПС
2025
УДК 629.46
С51
Смольянинов, А. В.
С51 Железнодорожные цистерны. Конструкция и расчет котлов : учебное посо-
бие / А. В. Смольянинов, Д. В. Волков, К. М. Колясов. – 2-е изд., испр. и доп. –
Екатеринбург : УрГУПС, 2025. – 88 с.
ISBN 978-5-94614-594-7
Учебное пособие по дисциплине «Конструирование и расчет вагонов» предназначено для студентов, обучающихся по специальности 23.05.03 «Подвижной
состав железных дорог», специализация «Грузовые вагоны» всех форм обучения. Даны темы курса, рекомендации по выполнению практических и лабораторных работ, разработке курсового проекта.
Материал учебного пособия может быть полезен аспирантам научной специальности 2.9.3 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация».
Издано по решению редакционно-издательского совета университета
УДК 629.46
Авторы: А. В. Смольянинов – профессор кафедры «Вагоны», д-р техн. наук,
Д. В. Волков – доцент кафедры «Вагоны», канд. техн. наук, УрГУПС
К. М. Колясов – доцент кафедры «Вагоны», канд. техн. наук, УрГУПС
Рецензенты: А. Э. Павлюков – профессор кафедры «Вагоны», д-р техн. наук,
Е. В. Шихалева – начальник отдела расчетной оценки прочности
ISBN 978-5-94614-594-7 © Уральский государственный университет
УрГУПС
УрГУПС
и динамики, ООО «Уральское конструкторское бюро вагоностроения»
Учебное издание
Смольянинов Александр Васильевич
Волков Денис Владимирович
Колясов Константин Михайлович
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ ЦИСТЕРНЫ
КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ КОТЛОВ
Редактор С. В. Пилюгина
Верстка Н. А. Журавлевой
Подписано в печать 07.04.2025. Формат 60х84/16
Усл. печ. л. 5,12. Тираж 15 экз. Заказ 10
УрГУПС
Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66
путей сообщения (УрГУПС), 2025
©¾Ж»½ЖАИГА
1 Инновационный вагон и железнодорожные цистерны..............................4
1.1 Инновационный вагон и его критерии ..............................................4
1.2 Железнодорожные цистерны и их параметры ....................................9
2 Назначение и устройство основных узлов цистерны ............................... 30
2.1 Понятие оболочечной конструкции .................................................30
2.2 Устройство цистерны ........................................................................ 32
2.3 Крепление котла на платформе ........................................................ 34
2.4 Устройства загрузки и разгрузки цистерн ........................................ 37
2.5 Предохранительно-контрольная арматура ....................................... 43
2.6 Физическая защита котлов цистерн ................................................. 44
3 Конструктивное исполнение оболочек котлов цистерн........................... 47
3.1 Конструкции оболочек котлов цистерн для грузов
при низком рабочем давлении ..........................................................47
3.2 Устройство котлов цистерн для перевозки сжиженных газов ......... 51
4 Расчетные нагрузки и схемы их приложения ............................................ 53
4.1 Расчетные нагрузки и их сочетание для определения
прочности котла цистерны ................................................................ 53
4.2 Расчетные схемы оболочки котла цистерны .................................... 59
5 Методы расчета котлов цистерн ................................................................65
5.1 Теоретические предпосылки создания методов расчета
котлов цистерн ................................................................................... 65
5.2 Методы оценки напряженного состояния котла цистерны ............ 66
5.2.1 Безмоментная теория оболочек ................................................ 67
5.2.2 Полумоментная теория оболочек. ............................................ 70
5.2.3 Моментная теория оболочек .................................................... 72
5.3 Допускаемые напряжения ................................................................. 78
Именной указатель ....................................................................................... 81
Библиографический список ......................................................................... 84
ПРИЛОЖЕНИЕ А Выдержки из «Правила перевозок опасных грузов.
Организация сотрудничества железных дорог (ОСЖД)» ............................ 86
3
£ИИЙ½»СГЙИИЦД½»¾ЙИГБАЖАВИЙ¿ЙЛЙБИЦАСГМНАЛИЦ
£ИИЙ½»СГЙИИЦД½»¾ЙИГА¾ЙЕЛГНАЛГГ
Основной задачей железнодорожного транспорта является по-
вышение провозной и пропускной способностей железной дороги.
Пропускная способность рассматривается отдельно для участка же-
лезной дороги и для раздельного пункта (станции).
Для участка железной дороги пропускная способность представляет собой размер движения поездов (пар поездов), который может
быть обеспечен за единицу времени (сутки, час) в зависимости от технической оснащенности железнодорожного участка и способа организации движения поездов.
Пропускная способность станции определяется наибольшим числом грузовых и заданным числом пассажирских поездов, которые
могут быть пропущены станцией за сутки по всем примыкающим направлениям при полном использовании технических средств.
Провозная способность железнодорожной линии определяется
возможностью выполнения объемов перевозок в миллионах тонн
грузов по ней в течение года.
Провозная способность прямо пропорциональна пропускной способности участка и массе составов поездов, а также существенно зависит от конструктивных схем и параметров вагонов.
Формально, имеются два пути решения проблемы повышения
провозной способности:
– первый. Развитие сети железных дорог и модернизация инфраструктуры в целях увеличения нагрузки от оси на рельсы и удлинение
приемо-отправочных путей железнодорожных станций. Нужно иметь
в виду, что обеспечение этих двух параметров затрагивает все хозяйства железнодорожного транспорта. Например, проблема обеспечения
электроэнергией контактной сети при ведении тяжеловесных поездов.
Этот путь решает долгосрочные стратегические задачи развития
транспортной системы, дорогостоящий, требующий низкорентабельных (длинных) инвестиций;
– второй. Внедрение инновационных вагонов, позволяющие существенно (до 60 %) повысить массу поезда в рамках существующей ин-
4
фраструктуры. Путь оценивается как средне-эффективный, решающий
задачи обеспечения экономического развития за счет повышения провозной способности, относительно недорогой и высокорентабельный.
Основные пути повышения эффективности вагонов:
– повышение числа осей вагона;
– применение габаритов Т
, ТЦ и использование возможностей
ПР
габарита, включая его верхнюю часть и межтележечное пространство;
– использование межвагонного пространства;
– применение высокопрочных сталей с пределами текучести до
600 МПа (σТ), пределом выносливости до 300 МПа (σ-1), алюминиевых сплавов и композиционных материалов;
– повышение специализации вагонов с группировкой грузов по
эффективности их перевозки и симметрии устойчивых грузопотоков;
– комплексное повышение надежности и применение современных диагностических технологий для снижения вероятности отказа
вагона в пути следования;
– создание новых эффективных технологий погрузки-выгрузки
вагонов, сокращающих их простои, а также повреждения в пунктах
погрузки выгрузки.
При реализации второго пути, эффект повышения провозной
способности начинает реализовываться через 3-5 лет, при существующей структуре грузов, увеличение провозной способности обеспечивается до 20-30%.
Основными ограничениями массы нетто поезда при отсутствии
или минимальной модернизации инфраструктуры являются:
1 Допускаемая погонная нагрузка по условиям прочности земляного полотна и искусственных сооружений (ИССО).
2 Допускаемый габаритный объем поезда, ограниченный длиной приемоотправочных путей и строительным габаритом вагонов.
3 Допускаемая осевая нагрузка по условиям прочности верхнего строения пути.
Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской
Федерации до 2030 года и материалы краткосрочного стратегического развития предусматривают увеличение провозной способности
магистральных линий при гарантированной безопасности движения поездов путем организации регулярного движения поездов весом 6000–6300 тонн на основных направлениях сети с постепенным
увеличением веса поезда до 9000 тонн.
В последующем ОАО «РЖД» скорректировало программу в части конкретизации основных направлений тяжеловесного движения,
5
а именно движение поездов максимальной массой 9 тыс. тонн будет
реализовано на направлениях Кузбасс – Северо-Запад, Кузбасс –
Центр и Кузбасс – Юг, а на направлении Кузбасс – Дальний Восток предельный вес грузового поезда будет увеличен до 7,1 тыс. тонн.
Увеличения массы поезда предполагается достичь с помощью использования вагонов с повышенной грузоподъемностью, а также
увеличения их количества в одном составе.
Требования к объектам инфраструктуры устанавливаются исходя из условия соблюдения требований к формированию поезда повышенного веса и/или длины, заключающиеся в том, что тяжеловесный поезд должен быть сформирован: из четырехосных вагонов
с осевой нагрузкой до 25,0 тс (245,18 кН) и погонной нагрузкой до
8,2 т/м (80,42 кН/м). При наличии в поезде многоосных вагонов их
погонная нагрузка не должна превышать 10,5 т/м (102,97 кН/м).
ОАО «РЖД» считает, что развитие тяжеловесного движения на магистральном полигоне протяженностью 13,8 тыс. км является одним
из инструментов, который позволит повысить провозные способности участков и направлений и создать резерв пропускной способности, повысить производительность локомотивов, локомотивных
бригад и обеспечить сокращение потребления энергоресурсов на
тягу поездов.
Участниками перевозочного процесса являются три стороны: операторы подвижного состава, грузоотправители и владелец инфраструктуры. Для каждого участника данного процесса существуют
свои требования к новому подвижному составу.
1 Операторы подвижного состава (владельцы) – минимальная
стоимость жизненного цикла: обеспечение пробега вагона между
плановыми видами ремонта и стоимость плановых ремонтов (рисунок 1.1).
2 Грузоотправители заинтересованы в снижении транспортных затрат (тариф). Поэтому для них ключевыми характеристиками грузового вагона могут быть грузоподъемность и вместимость. Чем больше
грузов можно погрузить в один вагон, тем меньше вагонов потребуется для перевозки определенной партии груза и тем ниже транспортные расходы.
3 Для владельца инфраструктуры важнейшими показателями являются рост провозной (грузоподъемность, нагрузка от оси на рельсы, погонная нагрузка) и пропускной (скорость движения в груженом
и порожнем состоянии) способности железных дорог, воздействие
подвижного состава на железнодорожное полотно.
6
Вагон базовой модели на тележках 18-100
Общий пробег – 1730 тыс. км
32 2 22 22 2 21
210
Постройка Исключение
ДР ДР ДР ДР ДР ДР ДР ДР
11 лет 11 лет
160 160 160
850 тыс. км 880 тыс. км
160 160 160
КР
Срок службы – 22 года
160 160 80
(параметры, заявленные разработчиком и заводом-изготовителем)
Вагон нового поколения
Общий пробег – 4000 тыс. км
433 33 33334
500 500250 250 250 250 250 250 250 250
Постройка
ДР ДР ДР ДР ДР ДР ДР ДР
16 лет 16 лет
2000 тыс. км 2000 тыс. км
КР
Срок службы – 32 года
Постройка
Рисунок 1.1 – Жизненный цикл грузового вагона
Таким образом, у каждого участника перевозочного процесса четко определены требования к грузовому подвижному составу, характеризующего его инновационность.
Инновационный вагон – новый или значительно улучшенный вагон, параметры которого соответствуют критериям отнесения грузовых
вагонов нового поколения к разряду «инновационная продукция» [1, 2].
Критерии отнесения грузовых вагонов к инновационным:
1 Погонная нагрузка не более 8,2 т/м (80,442 кН/м).
2 Кузов вагона, имеющий коэффициент тары - не более 0,361.
3 Коэффициент вертикальной динамики обрессоренных частей
кузова в порожнем состоянии не более 0,65 и в груженом состоянии
не более 0,552.
4 Рамные силы в долях от осевой нагрузки в порожнем состоянии
не более 0,3 и в груженом состоянии не более 0,252.
5 Допускаемая скорость движения груженых и порожних вагонов
на прямых участках пути и кривых большого и среднего радиуса (650 м
и более) с рельсами Р65 по условиям воздействия на путь устойчивости вагона от схода с рельсов не менее 90 км/ч.
1
– Для универсальных полувагонов (для грузовых вагонов остальных типов рас-
считывается отдельно)
2
– Критерии должны быть обеспечены, как для нового вагона, так и для вагона,
имеющего максимально допустимые в эксплуатации износы, при условии выполнения пункта 5.
7
6 Климатическое исполнение УХЛ категория 1 (включая все ком-
плектующие, узлы и составные части) по ГОСТ 15150-69.
7 Пробег от постройки и капитального ремонта до деповского ре-
1
монта не менее 500 тыс. км (не менее 6 лет) )
.
8 Межремонтный пробег между деповскими ремонтами не менее
1
250 тыс. км (не менее 4 лет)
.
9 Вероятность безотказной работы в эксплуатации не менее 0,981.
10 Кассетный подшипник должен обеспечивать среднюю нара-
ботку на отказ не менее 800 тыс. км.
11 Колесо должно обеспечивать среднюю наработку на отказ не
менее 1,0 млн. км за весь срок службы.
12 Техническое обслуживание вагонов на станции формирования
с проведением следующего технического осмотра вагонов на станции назначения (с проследованием транзитом) не менее чем через
3500 км, но не более 6000 км.
13 Не превышение допустимых значений критериев прочности
элементов верхнего и нижнего строения пути.
14 Отсутствие накопления расстройств пути в период подкон-
трольной эксплуатации на участках, перечень которых предварительно согласовывается с владельцем инфраструктуры.
Данные критерии разработаны открытым акционерным обще-
ством «Научно-исследовательский институт железнодорожного
транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ») и изложены в стандарте СТО РЖД
«ВАГОНЫ ГРУЗОВЫЕ ИННОВАЦИОННЫЕ. Правила оценки экономической эффективности». Стандарт устанавливает обязательные
для применения и исполнения в организации и структурных подразделениях ОАО «РЖД» правила оценки экономической эффективности для ОАО «РЖД» от эксплуатации инновационных вагонов на
инфраструктуре принадлежащей ОАО «РЖД».
Стандарт содержит методологию расчета экономической эффек-
тивности применения инновационных вагонов на основании результатов испытаний вагонов в условиях реальной эксплуатации и допущенных на инфраструктуру ОАО «РЖД», имеющих сертификат
соответствия Техническому регламенту Таможенного союза «О безопасности железнодорожного подвижного состава».
Критерии, указанные в пунктах 7-12 должны быть подтверждены
в процессе эксплуатации.
1
– Учет исполненной работы вагона с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками (инновационного) для их подтверждения осуществляется по
пробегу.
8
¡АЖАВИЙ¿ЙЛЙБИЦАСГМНАЛИЦГГРК»Л»ЗАНЛЦ
Цистерны предназначены для перевозки различных по своим
свойствам грузов: наливные, вязкие, сжиженные, затвердевающие,
порошкообразные и скоропортящиеся, которые помещаются в котле, представляющим собой резервуар.
Род перевозимого груза обуславливает существенные видоизменения конструкции котла цистерны и наличия на нем различных
дополнительных устройств, при этом они имеют унифицированные
узлы опирания и крепления котла на раме, ходовые части, ударнотяговые приборы и тормозное оборудование [3].
Вагоны-цистерны можно классифицировать по следующим признакам:
– назначению: для перевозки наливных, вязких, затвердевающих,
сжиженных газов, скоропортящихся и порошкообразных грузов;
– конструкции несущих элементов: рамные и безрамные;
– типу загрузки-выгрузки груза: открытый и закрытый;
– виду выгрузки: нижний и верхний;
– способу выгрузки: под давлением (передавливание, сифонирование, аэропневматический) и без давления (самотеком);
– давлению в котле при погрузке, транспортировке и выгрузке
груза: без давления и с давлением;
– способу подогрева груза в котле: пароподогрев наружный (кожух, змеевик) и внутренний (змеевик) или электроподогрев (электронагреватели);
– способу теплозащиты котла: теневая и термоизоляция или без
защиты;
– осности: 4-х, 6-ти и 8-миосные;
– габариту подвижного состава.
Кроме того, цистерны подобно другим типам вагонов различаются по грузоподъемности, объему котла, устройству, материалу и способу изготовления котла и другим признакам.
Основными производителями вагонов-цистерн на территории
России и СНГ являются АО «НПК «Уралвагонзавод», ОАО «Уралкриомаш», RM Rail (ОАО «Рузхиммаш»), ОАО «Алтайвагон», ЗАО
«Тихвинхиммаш», заводы Украины: ПАО «Азовмаш», ПАО «Крюковский вагоностроительный завод», ПАЩ «Полтавхиммаш».
Цистерны для перевозки нефтепродуктов. В 1993 году на Уралвагонзаводе была построена первая партия четырехосных цистерн для
перевозки нефтепродуктов (рисунок 1.2). До этого времени парк ци-
9
стерн для перевозки нефтепродуктов имел лучшие образцы моделей 151443-06 и 15-1547-02 производства концерна «Азовмаш» (таблица 1.1).
Модель 15-145
Рисунок 1.2 – Цистерна для перевозки бензина и других светлых
нефтепродуктов производства «Уралвагонзавод»
Цистерна модели 15-145 по важнейшим параметрам: объем котла,
удельный объем, осевая нагрузка (грузоподъемность ограничивалась
осевой нагрузкой, ввиду отсутствия необходимых тележек) превосходила лучшие аналоги завода-монополиста производителя цистерн
(таблица 1.1). В последующем читатель увидит, что именно по этим
параметрам велось совершенствование конструкций цистерн. К сожалению, из-за увеличенной длины цистерны, несовпадающей с шагом сливоналивных устройств на загрузочных эстакадах, данная цистерна была снята с серийного производства. Это был первый опыт
проектирования и производства цистерн на новых предприятиях.
Таблица 1.1 – Параметры лучших образцов цистерн
для нефтепродуктов
Наименование
параметра
Грузоподъемность, тс 60 68 66,8
Масса тары, т 26,5 26,8 27,2
Объем котла, м
10
3
15-1443-06 15-1547-02 15-145
Модель цистерны
73,1 85,6 91,8/90*
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]