Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Железнодорожные цистерны. Конструкция и расчет котлов. Учебное пособие
.pdf
®МНЛЙДМН½ЙЕЙНЖЙ½СГМНАЛИ¿ЖЪКАЛА½ЙВЕГМБГБАИИЦР¾»ВЙ½
Сжиженные газы перевозятся при высоком давлении, поэтому
конструкции котлов цистерн должны отвечать правилам и требованиям, установленным для емкостей, работающих под давлением [7, 8].
Условное рабочее давление в котле (по регулировке предохранительного клапана) от 1,5 МПа 15 атм.) до 2,08 МПа (20,8 атм.), а давление, создаваемое в котле при гидравлическом испытании,от 2,3 до
3,0 МПа. Котлы цистерн для сжиженных газов изготавливаются из
низколегированных марок сталей толщиной от от 18 до 32 мм, сварной конструкции, состоящей из обечаек (царг) и эллиптических
днищ. Рассмотрим два варианта конструктивного исполнения котлов цистерны для перевозки сжиженных углеводородных газов.
На рисунке 3.5 приведен корпус котла цистерны для сжиженных
углеводородных газов производства АО «Рузхиммаш».
1
2
45
7
Рисунок 3.5 – Корпус котла
3
6
Корпус котла образован двумя днищами 1 толщиной 24 мм эллиптической формы и пятью царгами 2 толщиной 24 мм цилиндрической
формы сваренных встык. В верхней части центральной царги располагается люк-лаз, состоящий из обечайки 4 с внутренним диаметром
450 мм и приваренного к обечайке фланца 5. К обечайке люка и котлу приварено укрепляющее кольцо 3, предназначенное для снижения напряжений в зоне установки обечайки люка.
В центральной нижней зоне корпуса котла приварены фасонные
лапы 6, предназначенные для крепления котла к лапам рамы платформы. В нижней части котла также приварены устройства для подключения заземления.
51
На рисунке 3.6 показан котел производства ПО «Ждановтяжмаш»
(ныне концерн «Азовмаш») модель 15-1519. Котел с накладками сварной конструкции и состоит из двух днищ 1 и обечайки 2. В верхней
части котла приварен люк котла 5 с накладкой усиливающей 3 и двумя секторами 4.
12 453
24
3200
Нижняя образующая развертки
9548
11358
25
6
7
10199
00
Рисунок 3.6 – Устройство котла цистерны
На нижней части днищ котла установлена защита днища 6 для повышения безопасности при эксплуатации цистерны. К фланцу люка
двадцатью шпильками крепится крышка с установленной на ней арматурой. Лапы котла 7 приварены в середине нижней части обечайки и служат для крепления котла на раме. Материал котла – низколегированная сталь марки 09Г2С–12, толщина листов обечайки – 24
мм, днищ – 25 мм.
52
«»МТАНИЦАИ»¾ЛОВЕГГМРАЗЦГРКЛГЖЙБАИГЪ
«»МТАНИЦАИ»¾ЛОВЕГГГРМЙТАН»ИГА¿ЖЪЙКЛА¿АЖАИГЪ
КЛЙТИЙМНГЕЙНЖ»СГМНАЛИЦ
При оценке прочности элементов кузова необходимо рассмотреть
сочетание действия отдельных схем приложения расчетных нагрузок
[9, 10]. В последующем эти схемы будут полезны для построения расчетных схем котлов цистерн и способствовать лучшему пониманию
результатов расчетов.
ГОСТ 33211–2014 Вагоны грузовые. Требования к прочности
и динамическим качествам пунктом 4 определяет режимы для определения прочности, устойчивости сжатых конструкций и сопротивление усталости [11].
При определении прочности расчетными методами учитывают
симметричность несущей конструкции кузова вагона и указанные
в эксплуатационной документации схемы размещения груза.
Действующие на несущую конструкцию кузова вагона вертикальные и боковые силы уравновешены реакциями в опорных узлах, зависящими от конструктивного устройства опорного узла.
Прочность котла цистерны определяют при действии сил в режимах Iа, Iб, Iв и Iг (таблица 4.1).
Таблица 4.1 – Силы, действующие на вагон для определения
прочности несущей конструкции кузова
Силы
Продольные, МН 4.1.1 а 4.1.1 б 4.1.1 в 4.1.1 г
Вертикальные:
– сила тяжести
– составляющие силы инерции
Боковые – – 4.1.5 4.1.5
Самоуравновешенные:
– давление груза
– избыточное давление
Значение силы в режиме I
Iа Iб Iв Iг
4.1.3
4.1.4
4.1.6
4.1.7 а
4.1.3
4.1.4
4.1.6
4.1.7 а
4.1.3–4.1.3
4.1.6
4.1.7 б
–
4.1.6
4.1.7 б
53
4.1.1 ГОСТ устанавливает следующие значения и схемы прило-
жения продольных сил к кузову вагона:
Iа – сила 3,5 МН (удар), направленная внутрь вагона, приложена к опорной поверхности заднего упора автосцепного устройства
с одной стороны вагона и уравновешена продольными силами инерции по 4.1.2 масс кузова вагона, тележек, автосцепных устройств
и груза (рис. 4.1).
n
ЦТ
к
N
ик
N
иг
ЦТ
г
2l
ИР
N
ит
N
ит
N
у
Рисунок 4.1 – Схема действия внешней нагрузки и уравновешивающие
ее продольные силы инерции
Для вагонов с максимальной расчетной статической осевой нагрузкой не более 245 кН (25 тс), не подлежащих роспуску с сортировочных горок или оборудованных поглощающими аппаратами класса
Т2 или Т3, принимают значение продольной силы 2,5 МН, если иное
не предусмотрено конструкторской документацией [3.2].
Iб – сила 2,5 МН (рывок), направленная наружу вагона, приложена к опорной поверхности переднего упора автосцепного устройства
54
с одной стороны вагона и уравновешена продольными силами инерции по 4.1.2 масс кузова вагона, тележек, автосцепных устройств и груза;
Iв – силы 2,5 МН (квазистатическое сжатие), направленные
внутрь вагона, приложены к опорным поверхностям задних упоров
автосцепного устройства с двух сторон вагона;
Iг – силы 2,0 МН (квазистатическое растяжение), направленные
наружу вагона, приложены к опорным поверхностям передних упоров автосцепного устройства с двух сторон вагона.
Режиму 1а соответствует сочетание сил, действующих на вагон
при соударении при спуске с сортировочной горки, осаживаем состава вагонов. Режиму 1б – при трогании состава. Режимам 1в и 1г
соответствует сочетание сил, действующих на вагон при торможении
и разгоне состава , двигающегося в кривом участке пути.
4.1.2 Продольную силу инерции составной части вагона или гру-
за определяют по формуле
m
i
где N
– продольная сила, приложенная к вагону по 4.1.1 а, 4.1.1 б, Н;
У
NN
ИУ
, (4.1)
m
В
mi – масса составной части вагона или груза, кг.
Величина равномерно распределенной по раме нагрузки определяется по формуле
N
где 2L
nL
– длина расчетной схемы рамы, м.
P
ИР
ИР
, (4.2)
2
Р
4.1.3 Действие силы тяжести на составную часть вагона учитыва-
ют приложением к объему ускорения свободного падения 9,81 м/с2.
При расчете котла цистерны действие силы тяжести груза и котла уравновешивается опорным давлением, возникающем на лежневых опорах котла.
Величина опорного давления определяется по формуле:
mm
р
ОП
ГР К
bR
()
4
EE
,
21
где b – длина лежневой опоры, м:
R – радиус срединной поверхности котла, м;
β1, β2 – углы начала и конца опирания котла, рад.
55
4.1.4 Вертикальная составляющая силы инерции, действующая
на составную часть вагона от опертых на нее частей или груза, определяется по формуле:
h
РN
ВИ
, (4.3)
l 2
где h – высота центра масс составной части вагона или груза от уров-
ня оси автосцепки, м;
2l – расстояние в продольном направлении между опорами (база), м.
Например, при расчете котла цистерны по режиму Iа будет про-
исходить дополнительное нагружение оболочки котла на лежневых
опорах со стороны удара в автосцепку и разгружение – с противоположной стороны.
4.1.5 Боковую силу, действующую на вагон через автосцепные
устройства, определяют по формулам
– для режима Iв
ªº
G
LL l
PN
N
§·
1
¨¸
«»
2
l
©¹
¬¼
L
C
aRL
,
– для режима Iг
L
C
PN
N
,
R
где N соответствует 4.1.1в и 4.1.1г;
R = 250 м радиус кривой;
2l – база вагона, м;
2L – расстояние между задними опорными поверхностями упо-
ров автосцепных устройств, м;
– длина вагона по осям сцепления, м;
2L
C
a – расчетная длина корпуса автосцепки, м (принимают 1,0 м
при действии сил внутрь вагона или 0,9 м при действии сил наружу вагона);
δ – возможное одностороннее боковое перемещение шкворне-
вого сечения кузова вагона за счет зазоров колесной пары в рельсовой колее, зазоров между буксой (адаптером) колесной пары и проемом для колесной пары в боковой раме, зазоров между пятником
и подпятником, упругих боковых деформаций рессорного подвешивания, м.
56
N
P
P
N
N
A
В
a
N
2L
2L
2l
P
N
C
Рисунок 4.2 – Схема действия боковой силы на вагон
4.1.6 Давление от силы тяжести жидкого груза (гидростатическое
давление), действующее на стенки котла определяют по формуле:
ГОСТ [3.1] предусматривает достаточно громоздкую (примени-
тельно для насыпных, скатывающихся и жидких грузов) формулу определения давления на стенки кузова (Па). Для жидкого груза формула будет иметь вид
где γ – плотность груза, кг/м
рgy J
а
3
;
,
g – ускорение свободного падения, равное 9.81 м/с2;
у – расстояние вниз от поверхности груза до уровня, на котором
определяют давление, м.
Данная формула устанавливает линейный закон действия давле-
ния на оболочку котла, что не отражает реальное действие жидкого
груза на оболочку котла.
Источник [12] предусматривает определять гидростатическое дав-
ление в любой точке котла, характеризуемой углом β, формулой
ГС H
(cos cos )рgR J E E
,
где R – расчетный радиус оболочки, м;
β – текущее значение угла, где определяется давление, рад.
β
– угол, оценивающий уровень налива груза, рад.
Н
57
4.1.7 Для котлов вагонов-цистерн для перевозки жидких грузов
при расчете на прочность принимают следующие значения расчетного давления:
а) сумма внутреннего избыточного давления насыщенных паров
0
жидкости или сжиженного газа при температуре 50
С и давления гидравлического удара. Избыточное давление определяется величиной
регулировки предохранительной арматуры. Давление гидравлического удара определяется по формуле
N
ИГ
рR
ГУ
,
2
S
где R – минимальный внутренний радиус обечайки котла, м.
Давление гидравлического удара принимают одинаковым по величине на протяжении всего котла и прикладывают с внутренней стороны котла к днищу и по всей длине обечайки котла (рисунок 4.3).
б) внутреннее избыточное давление насыщенных паров жидкости или сжиженного газа при температуре 50
0
С.
4.1.8 Котел цистерны, предназначенный для перевозки жидких
грузов, проверяют на прочность при действии:
а) расчетного давления по требованиям [13] пункты 6.8.2.1.14
и 6.8.2.1.15 (приложение А) для минимальной площади внутреннего
поперечного сечения обечайки.
б) испытательного (пробного) давления, определяемого в соответствии «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов,
работающих под давлением» [7]:
где σ(р
(p ) ( )p[]V V V dV
ИД ИД ТГ ИД
) – напряжения в сечениях котла от испытательного дав-
ИД
,
ления;
σ(рТГ) – напряжения в сечениях котла от давления силы тяжести
жидкого груза полностью заполненного котла;
[σИД] – допускаемые напряжения при статическом однократном
нагружении.
Допускаемые напряжения при расчете по предельным нагрузкам,
работающих при статических однократных нагрузках, определяют
в соответствии с пунктом 1.4.1 для условий испытаний [8].
4.1.9 Котел вагона-цистерны, предназначенного для перевозки
жидких грузов, проверяют расчетными методами на устойчивость
58
сжатых конструкций при действии внешнего избыточного давления
по требованиям пункта 6.8.2.1.7 (приложение А).
а б
N
N
ИГ
N
у
N
у
ИГ
р
ГУ
р
р
р
р
р
ГУ
Рисунок 4.3 – Схемы действия расчетного давления, возникающего
в котле цистерны при ударе: а – удар; б – рывок
Для безрамных конструкций цистерн важно устойчивость оболочки при осевом сжатии от действия квазистатических нагрузок.
Данные нагрузки вызывают неравномерное осевое сжатие. Впервые
задача устойчивости тонких оболочек, находящихся в условиях равномерного осевого сжатия была решена в 1908-10 годах Лоренцем и
Тимошенко. Ими была предложена формула для критических напряжений осевого сжатия круговой цилиндрической оболочки:
h
,
V 0 605
КР
Е
,
R
где Е – модуль (константа) Юнга, Па;
h – толщина оболочки, м;
R – срединный радиус оболочки, м.
Получаемое по этой формуле значение критической нагрузки является неким идеалом при создании реальных конструкций минимальной массы.
«»МТАНИЦАМРАЗЦЙ¼ЙЖЙТЕГЕЙНЖ»СГМНАЛИЦ
Прочность котлов вагонов цистерн оценивается:
– при действии сил по пункту 4.1;
–действии сил по пункту 4.2 а – в соответствии с пунктом
59
6.8.2.1.16 (приложение А);
–действии сил по пункту 4.2 б – в соответствии с [8] пункт 1.4.1
для условий испытаний.
При определении прочности расчетными методами необходимо
дополнительно учитывать давление от силы тяжести жидкого груза (п. 4.1.6).
При определении прочности расчетными методами необходимо учитывать минимальные толщины стенок котла, допустимые конструкторскими, технологическими и эксплуатационными документами.
В пункте 4.1 определены расчетные нагрузки и соответствующие
им физические схемы их действия. Следующим этапом необходимо
действующие нагрузки приложить к оболочке котла с учетом ее конструктивного исполнения.
Основу прочности любой инженерной конструкции составляет
скелет конструкции, состоящий из элементарных геометрических
форм прямолинейных и криволинейных стержней, пластин и оболочек, наделенных свойствами жесткости. Именно скелет определяет способность того или иного и объекта сопротивляться действию внешних нагрузок, а потому с ним связана расчетная схема. При
выполнении расчетов на прочность важно уметь выразить структуру
и свойства конструкции на языке математики.
Реальная конструкция всегда сложна и учет всех ее особенностей
практически невозможен. Переход от реальной конструкции к расчетной схеме сопровождается упрощениями, достаточно достоверно отражающих на языке математики поведение объекта в процессе
нагружения. При этом отбрасывают все второстепенное и сохраняют главное, определяющее несущую способность конструкции.
Совершенство расчетной схемы зависит от глубины проникновения в реальную работу объекта. Умение удачно выбрать расчетную
схему, увидев за внешними очертаниями действительную игру сил,
и определяет в первую очередь мастерство инженера. Такими чертами и буквально чувствовал собственной «шкурой» действии нагрузок
и реакцию конструкции на их действие главный конструктор Уральского конструкторского бюро вагоностроения В. А. Двухглавов. Расчет на
прочность заключается в уточнении и совершенствовании расчетных
схем и методов решения, соответствующих им математических задач.
Несовершенство расчетной схемы приводит к проектированию
конструкции, обладающей излишней массой.
Цилиндрическая оболочка широко применяется при создании
корпусов самолетов и ракет, железнодорожных цистерн, хранилищ
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]