Спосіб оцінки технічного стану вагонів-цистерн

Реферат: Спосіб оцінки технічного стану вагонів-цистерн включає проведення статичних випробувань, випробувань на зіткнення, ходових випробувань, випробувань на втому. При цьому на етапі проведення статичних випробувань вводять додатковий етап повторно-статичного навантаження внутрішнім робочим тиском (від 30 до 40 циклів) і випробувальним тиском (надлишковим тиском - 1 цикл) і обчислюють сумарні еквівалентні напруги відповідно до виразу: д а,э  m (в,э )2  (пр )2  (а,э )2 , (МПа ) (1) а а,э де: (  в ,э ) - величина еквівалентної напруги, яка враховує динамічну дію вертикальних сил під а час руху поїзда, МПа; (  прэ ) - величина еквівалентної напруги, яка враховує дію поздовжніх сил у разі ударних а, впливів в автозчеп, МПа; д (  а,э ) - величина еквівалентної напруги, яка враховує дію зміни внутрішнього тиску під час проведення зливо-наливних операцій, МПа, за яким проводять розрахунок коефіцієнта запасу опору втоми для оцінки залишкового ресурсу вагона-цистерни. UA 117857 U (54) СПОСІБ ОЦІНКИ ТЕХНІЧНОГО СТАНУ ВАГОНІВ-ЦИСТЕРН UA 117857 U UA 117857 U 5 10 15 20 25 30 35 Корисна модель належить до способів оцінки технічного стану вагонів-цистерн, призначених для перевезення вантажів під високим тиском, з метою визначення їх залишкового ресурсу. До відомих способів контролю технічного стану вантажних вагонів для перевезення небезпечних вантажів належить розроблений спосіб, що містить систему відеоконтролю для автоматичного визначення поточної ваги вагона, розсипання або витоку вантажу, із застосуванням датчиків фіксації радіоактивних речовин і газів з метою виявлення витоку небезпечних речовин [1]. Недоліком даного способу є те, що контроль технічного стану не є завчасним, спосіб не дає прогнозний ефект. Також відомий спосіб оцінки залишкового ресурсу та збільшення нормативного терміну експлуатації об'єктів з підвищеною небезпекою, а саме - магістральних газо- і нафтопроводів [2]. Прийом, який використовується в цьому способі, полягає у визначенні ділянок, вузлів і систем, на які припадає домінуюча частина інтегральної характеристики технічного стану. Використовуються методи математичної статистики для обробки даних по несправностях окремих ділянок, вузлів і систем і розраховується інтегральний показник технічного стану. Такий спосіб недостатньо надійний, тому що велика складова ймовірнісної оцінки надійності окремих вузлів і елементів і немає розрахункового результату міцності самої конструкції. Також, цей спосіб не дає оцінки залишкового ресурсу машин і механізмів, зокрема залізничної техніки, що працює в умовах динаміки перевізного процесу. Достатньою мірою розроблені процедури з оцінки технічного стану універсальних вантажних вагонів, вагонів метрополітену, вагонів-цистерн для перевезення вантажів, що твердіють; методики з проведення іспитів з втомленості [3, 4, 5]. Процедура проведення статичних випробувань несучих конструкцій пасажирських вагонів відома і широко застосовується [6]. Найбільш близькими до способу, який заявляється, є елементи методології, викладені в [7, 8], де запропоновано спосіб, що включає в себе проведення статичних випробувань, випробувань на зіткнення, ходових випробувань, випробувань на втому для різних типів вагонівцистерн за винятком вагонів-цистерни, робочий тиск в котлі яких становить 1,9-2,1 МПа. Таким чином, серед відомих способів оцінки технічного стану немає таких, які б дозволили обґрунтувати залишковий ресурс з метою продовження терміну експлуатації конструкції вагонацистерни, що перевозить вантаж під високим тиском. В основу корисної моделі поставлена задача розробити спосіб оцінки технічного стану вагонів-цистерн, в якому за рахунок введення нової дії досягається можливість використання залишкового ресурсу, що дозволить підвищити термін експлуатації. Для вирішення поставленої задачі спосіб оцінки технічного стану вагонів-цистерн включає проведення статичних випробувань, випробувань на зіткнення, ходових випробувань, випробувань на втому. Відповідно до корисної моделі на етапі проведення статичних випробувань вводять додатковий етап повторно-статичного навантаження внутрішнім робочим тиском (від 30 до 40 циклів) і випробувальним тиском (надлишковим тиском - 1 цикл) і обчислюють сумарні еквівалентні напруги відповідно до виразу: 40 д а,э  m (в,э )2  (пр )2  (а,э )2 , (МПа ) а а,э (1) де: (  в ,э ) - величина еквівалентної напруги, яка враховує динамічну дію вертикальних сил а під час руху поїзда, МПа; (  прэ ) - величина еквівалентної напруги, яка враховує дію поздовжніх сил в разі ударних а, 45 впливів в автозчеп, МПа; д (  а,э ) - величина еквівалентної напруги, яка враховує дію зміни внутрішнього тиску під час 50 проведення зливо-наливних операцій, МПа, за яким проводять розрахунок коефіцієнта запасу опору втоми для оцінки залишкового ресурсу вагона-цистерни. Дане нововведення тягне за собою підхід, який раніше не використовувався, до визначення залишкового ресурсу вагонів-цистерн, а саме: 1. Для того, щоб оцінити залишковий ресурс вагона-цистерни необхідно розрахувати коефіцієнт запасу опору втоми n за основною залежністю) [9]: n a,N a,э  [n], (2) 1 UA 117857 U де:  a,N - межа витривалості натурної деталі (вузла, конструкції), яку можна визначити експериментально шляхом проведення прискорених стендових випробувань, МПа;  a,э - величина еквівалентної наведеної амплітуди динамічних напружень, яка визначається 5 розрахунковим шляхом, МПа; [n] - допустимий коефіцієнт запасу опору втоми. Залежність для розрахунку межі витривалості деталі, вузла вагона-цистерни під час випробувань для кожної контрольної точки конструкції відповідно до формули 2.8 має вигляд:  a,N  m 10 Nисп  исп (МПа ) , No (3) так як: m mN  No  исп  Nисп , a, (4) де Nисп - кількість циклів у випробуваннях; 7 No - базова кількість циклів, N0=10 ; 15 20 исп - напруги, отримані для кожної контрольної точки; m - показник ступеня в рівнянні кривої втоми. 2. Відповідно до структури даної корисної моделі в способі, що розроблений, вперше запропонований розрахунок  a,э за формулою (1). Особливість розрахунку полягає в тому, що ця формула за рахунок введення нової дії включає розрахунок напруг від багаторазової зміни внутрішнього тиску. Величина еквівалентної напруги  в ,э , враховує динамічну дію вертикальних сил під час руху а поїзда та визначається за формулою [9]: в,э  m а 25 30 S r - середньоквадратичне відхилення найбільших напруг. Середньоквадратичне відхилення найбільших напруг для вантажного режиму визначається за формулою [9]: мах , 3 (6) де: мах - найбільше динамічне напруження, отримане під час ходових випробувань на міцність або випробуваннях по скиданню з клинів. Розрахунковий термін служби вантажних вагонів визначається з виразу [9]: Т р  ВТ к , 40 (5) де: Г(m / 2  1) - гамма-функція; Tp - розрахунковий термін служби вагона-цистерни до руйнування при безперервній роботі вагона в русі; fa - ефективна частота динамічних напружень; Sr  35 m 2 m Г(m / 2  1)Tp faSr 2 МПа , N0 (7) де: Т к - календарний термін служби вагона, років; В - коефіцієнт переведення календарного терміну служби вагона в роках під час безперервного руху вагона в секундах [9]: 2 UA 117857 U В  3,65  10 3 5 (8) де: Lc - проектний середньодобовий пробіг вагона в км; V   ViPVi - середня швидкість руху вагона в м/с; PVi - частка часу, що припадає на експлуатацію зі швидкостями в інтервалі Vi , визначається за даними експлуатації. Ефективна частота динамічних напружень визначається під час випробувань вагона в залежності від схеми установки клинів і уточнюється за формулою [9]: fa  10 Lc , V a 2 g (Гц) , fcт (9) де: a - коефіцієнт, що дорівнює 1,1 для кузова вагона; g - прискорення вільного падіння; fcт - статичний прогин ресорного підвішування. Величина еквівалентної напруги  прэ , враховує дію поздовжніх сил при ударних впливах в а, автозчеп та визначається за формулою [9]: 15 20 пр  m а,э mдN Tк у ,(МПа) N0 де: у д - напруги, що виникають в зонах, що досліджують, під час зіткнень з еквівалентними зусиллями Рекв, що відповідають базовому числу циклів зіткнень; N - розрахункове базове число циклів при Рекв, що відповідає сукупності поздовжніх сил (стискають і розтягують), що діють на вагон за один рік. Загальна розрахункова кількість циклів дії поздовжніх сил Nобщ на 1 рік визначається за формулою [9]: уд Nобщ  Nобщк режк у дк инт , де Nу д - загальна кількість циклів дії поздовжніх сил за 1 рік в середньому в мережі общ експлуатації, Nу д =20200 циклів для вантажних вагонів; общ 25 к реж - коефіцієнт, що враховує час порожнього пробігу; к у д - коефіцієнт, що враховує несиметричність навантаження вагона по його довжині при зіткненнях (ривки) і рівноймовірність ударних сил, що додаються до автозчеплення з обох кінців вагона, к у д =0,6; 30 к инт - коефіцієнт, що враховує зниження інтенсивності експлуатації. Величина еквівалентного випробувального зусилля зіткнення, наведеного до бази випробувань, визначається за формулою [9]: Р экв  m 35 Nобщ N  NimPi ,(MH) (12) де: Pi , N - величини ударних сил (середнє інтегральне значення і їх частоти); i N - базове число зіткнень з силою Рэкв. За аналогією з розрахунком попередніх показників отримуємо формулу для розрахунку д величини еквівалентної напруги  а,э , яка враховує дію зміни внутрішнього тиску при зливоналивних операціях [9]: 3 UA 117857 U д  а,э  m 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 mNcнTк д ,(МПа) (13) N0 де:  д - напруга, що виникає в досліджуваній зоні при зливо-наливних операціях; Ncн - розрахункове число циклів зливу-наливу за 1 рік. Спосіб здійснюється наступним чином і пояснюється на фіг. 1, 2, 3, де на фіг. 1 зазначено спосіб за оцінкою технічного стану вагонів-цистерн, що був винайдений, на фіг. 2 - існуючий спосіб за оцінкою технічного стану вагонів-цистерн, на фіг. 3 - розташування тензорезисторів на котлі вагона-цистерни. Для здійснення способу були проведені попередні випробування [10] дослідного зразка вагона-цистерни, призначеного для перевезення аміаку рідкого технічного, моделі 15-1408-10 (вагон-цистерна моделі 15-1408 після проведення капітального ремонту з подовженням терміну корисного використання). З урахуванням конструкції вагонів-цистерн в обсяг випробувань були включені [10, 11]: статичні: на вертикальне навантаження і на навантаження робочим і пробним тиском; випробування на зіткнення (типові); випробування по скиданню з клинів; ресурсні випробування на обмежений ресурс: на повторно-статичне (малоциклове) навантаження котла внутрішнім робочим і пробним (випробувальним) тиском; ударні. При проведенні статичних випробувань і випробувань на повторно-статичне (малоциклове) навантаження визначалися деформації в контрольних точках досліджуваних перетинів вагонацистерни, розташування яких показано на фіг. 3, параметри сигналів акустичної емісії, маса наливу (вантажу) і тиск в котлі вагона-цистерни, кількість навантажень тиском. При проведенні випробувань на зіткнення визначалися наступні показники: швидкість набігання вагона-бойка; сила удару в автозчеп; кількість проведених зіткнень; деформації в досліджуваних перетинах елементів вагона-цистерни. При проведенні випробувань по скиданню з клинів визначалися деформації в досліджуваних перетинах елементів вагона-цистерни. Для вимірювання та реєстрації деформацій використовувалися наступні прилади: тензорезистори КФ5Ш-20-200-А12, система інформаційно-вимірювальна тензометрична СИТ 3, апаратура тензометрична на несучій частоті 8-АНЧ-26, аналого-цифровий перетворювач Е14440. Надмірний (під час перевірки) тиск в котлі вагона-цистерни вимірювався двома манометрами одного класу типу МТП. Для визначення поздовжніх зусиль, що діють на випробовуваний вагон-цистерну в момент удару, застосовувався автозчеп-динамометр, обладнаний тензорезисторами і протарований перед випробуваннями на стенді [11]. Швидкість набігання вагона-бойка на випробовуваний вагон-цистерну вимірювалася за часом проходження передньої колісної пари двох пікетів, розташованих на відстані 1 м один від одного. Для проведення випробувань на зіткнення використовувався локомотив, вагон-бойок масою 102 т і підпір із зчепа загальмованих вагонів загальною масою понад 300 т. Для проведення випробувань по скиданню з клинів вагон-цистерна накочувався на клини розміром 400×70×28 мм за допомогою локомотива. Створення тиску в котлі вагона-цистерни проводилося гідронасосом високого тиску АНВ112-18,5. Контроль наявності і місця розташування дефектів, що розвиваються проводився за допомогою комплексу на базі приладів акустичної емісії АФ15 і ЕОМ. В процесі випробувань для вимірювання геометричних параметрів також використовувалися: лінійки вимірювальні металеві, рулетки вимірювальні металеві, штангенциркулі. Наявність залишкового ресурсу підтверджувалася розрахунковим методом з використанням результатів випробувань. Приклад розрахунку представлений по одній з найбільш напружених зон конструкції вагона-цистерни і наведений нижче. 4 UA 117857 U В результаті проведення випробувань дослідного зразка вагона-цистерни і обробки даних випробувань з використанням запропонованого в способі розрахункового методу були отримані коефіцієнти запасу опору втоми, зазначені в табл. 1 [12]. Таблиця 1 Розрахунково-експериментальні коефіцієнти запасу опору втоми Досягнутий при Напруги при випробуваннях рівень Коефіцієнт Наведена скиданні з запасу витривалості еквівалентна Зона дослідження № точки клинів, МПа, опору втоми конструкції, МПа, амплітуда,  a, э  a,кл n  a,N 7 13,7 7,39 21,20 2,87 Днище 9 5,70 3,08 8,55 2,78 13 10,1 2,08 7,3 3,5 Зона приварювання днищ (перетин І) 17 12,3 4,1 9,2 2,2 27 3,8 5,2 19,3 3,7 28 12,1 4,2 20,1 4,8 Обичайка котла 33 4,2 3,7 15,7 4,2 45 15,01 2,09 7,07 3,4 99 7,90 4,26 12,33 2,89 Опори 100 7,90 4,31 19,2 4,45 79 2,56 11,3 17,18 1,52 81 0,90 0,49 1,05 2,16 87 1,2 5,5 9,2 1,7 91 8,5 4,3 7,1 1,7 Лапи 2079 3,3 1,38 2,5 1,8 86 0,8 5,2 10,7 2,1 93 1,7 6,8 11,9 1,8 82 9,1 4,1 9,7 2,4 85 1,5 6,01 10,2 1,7 59 4,4 2,4 10,01 4,2 Люк 50 5,4 3,09 12,1 3,9 49 6,0 7,9 14,0 1,8 61 10,7 8,08 15,03 1,9 Дуги 62 7,9 4,5 10,2 2,3 64 4,3 4,5 8,05 1,8 5 1) За формулою (3) визначимо  a,N , за умови, що кількість циклів у випробуваннях приймається рівним 105, показник ступеня m-4, напруги, отримані при випробуваннях - 55 МПа, тоді: a,N  4 10 15 10 5  55  55  17,19 (МПа ) , 2 10 10 2) Відповідно до формули (7) визначимо Тр, за умови, що в залежних показниках В, що визначаються за формулою (8), проектний середньодобовий пробіг вагона L приймаємо 250 км/доб., а показник Тк прийнятий: 1,2 * (24+5)=34,8 років, тут 1,2 - коефіцієнт, що враховує розрахунковий характер визначення ресурсу (введений експертно): 250 Тр  3,65  103  Тк  4,14  10 4  Тк , (років ) 22,05 3) За формулою (9) ефективна частота fa складе: 7 4 1,1 9,81  10 3  2.48, (Гц ) 2 1,25(87 / 2  4,5) 4) Вводимо коефіцієнт Кпр: fa  5 UA 117857 U К пр  m 2 m Г(m / 2  1)fa 8  4,14  10 4  2,48 2 4  0,535. N0 10 7 5) За формулою (5) визначимо  в ,э : а мах 0,535 4 34,8  0,433мах , (МПа ) 3 6) За формулою (6) визначимо Sr за умови, що мах , отримане при випробуваннях, дорівнювало 100 МПа, отримаємо: 100 Sr   33,33, (МПа ) . 3 7) За формулою (11) визначимо Nобщ , за умови, що зниження інтенсивності експлуатації в 2014 році в порівнянні з 2004 роком, дорівнювало - к инт =0,6: Nобщ =20200×1,0×0,6×0,6=7272 в,э  SrКrК 4 Тк  а 5 10 8) 3 формули (12) визначимо N , за умови, що Рекв=2,5 МН, m=4, кількість циклів зіткнень в інтервалах швидкостей 0-12,5 км/год., 12,5-15 км/год., 15-17 км/год. за результатами випробувань склало 3, 1, 3 відповідно; середнє інтервальне значення Pi приймається згідно з [9]: N  (Nобщ / Рm ) NimPi  7272 * (0,01 * 3 4  0,02 * 14  0,03 * 3 4 ) / 2,5 4  616 , экв 15 9) За формулою (10) визначимо  прэ , за умовою, що у д =80 МПа: а, пр а,э  m mдN Tк у N0  4  4 д * 616 * 34,8 у 10 7  15 *  у д, (МПа ) , д 10) За формулою (13) визначаємо  а,э , за умови, що NCH, на основі аналізу режиму експлуатації, дорівнювало 35 циклів,  у д =110 МПа: пр  4 а,э 20 25 30 35 40  4 * 35 * 34,8 д  0,01 *  д , (МПа ) 107 11) За формулою (1) розраховуємо  a,э :  a,э  4 1874,9  14400  1,2  11,3, (МПа ) 12) За формулою (2) розрахуємо n, за умови, що допустимий коефіцієнт запасу опору втоми приймаємо рівним 1,3, згідно з 9]: 17,2 n  1.52  [1.3] . 11,3 Найменший коефіцієнт запасу опору втоми за результатами випробувань отримано в зоні лап вагона-цистерни в точці 79. Зроблений висновок, що вагон-цистерна має залишковий ресурс на весь розрахунковий термін експлуатації. Введений етап повторно-статичного навантаження в існуючий спосіб технічного діагностування вагонів-цистерн дозволяє визначити запас ресурсу вагонів-цистерн, які перевозять зріджений газ, і обґрунтувати подальшу експлуатацію кожної одиниці рухомого складу. Джерела інформації: 1. Пат. UA102779, U Україна, МПК В61К 9/00. Спосіб контролю технічного стану вагонів з небезпечним вантажем у процесі перевезення / С.В. Панченко, А.О. Каграманян, B.C. Блиндюк, A.M. Котенко, О.В. Лаврухін, П.С. Шилаєв, А.Б. Бойнік, C.O. Змій, Л.М. Дунаєвський, П.С. Шилаєв, Д.С. Козодой- № u201503087, заяв. 03.04.2015, опубл. 25.11.2015, бюл. №22/2015. - 4с. 2. Пат. UA4687, U Україна, МПК G01М 3/00. Процес оцінки залишкового ресурсу об'єкта підвищеної небезпеки та збільшення нормативного терміну його експлуатації / М.В. Беккер; С.Ф. Білик, Б.В. Будзуляк; І.В. Ориняк, В.В. Розгонюк, С.В. Романов, А.А. Руднік, В.А. Усошин, В.В. Харіоновскій- № 20041008345, заяв. 14.10.2004, опубл. 17.01.2005, бюл. № 1/2005. - 16 с. 3. Кельрих М.Б. Вибрационная установка для усталостных испытаний железнодорожных цистерн// Транспортное машиностроение; Науч. реф. сб./ВНИИЖТ-М.,1975.- Р. 57-61. 6 UA 117857 U 5 10 15 20 4. Третьяков А.В. Продление сроков службы грузовых вагонов на основе метода управления индивидуальным ресурсом / А.В. Третьяков // Железные дороги мира. - 2004. - №4. Р. 18-23. 5. Абрамов А.П. Повышение эффективности использования грузовых вагонов. - М.: Транспорт, 1967. - 57 р. 6. Jung-Seok Kim. Fatigue assessment of tilting bogie frame for Korean tilting train: Analysis and static tests. Engineering Failure Analysis. Vol. 13, Issue 8, December 2006, Pages 1326-1337. 7. Третьяков А.В. Управление индивидуальным ресурсом вагонов в эксплуатации: автореф.дис.докт.наук: 05.22.07, СПб, 2004-51 с. 8. Битюцкий Н.А. Совершенствование методов оценки и восстановления ресурса вагоновцистерн с котлами из алюминиевых сплавов:автореф.дис.канд.техн.наук:05.22.07 - СПб, 200920 с. 9. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) / ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996 г. - 354 р. 10. Воропай B.C. Методика по оценке технического состояния вагонов-цистерн парка промышленных предприятий /В.С.Воропай// Технічні науки: Збірник наукових праць. Маріуполь: ДВНЗ "ПДТУ", 2014. - Вип.29. - С. 222-230. 11. ГОСТ 16504-81. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения. - М.,1982. 12. РД 24.050.37-95. "Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества" - М., 1995 г. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Спосіб оцінки технічного стану вагонів-цистерн, що включає проведення статичних випробувань, випробувань на зіткнення, ходових випробувань, випробувань на втому, який відрізняється тим, що на етапі проведення статичних випробувань вводять додатковий етап повторно-статичного навантаження внутрішнім робочим тиском (від 30 до 40 циклів) і випробувальним тиском (надлишковим тиском - 1 цикл) і обчислюють сумарні еквівалентні напруги відповідно до виразу: д а,э  m (в,э )2  (пр )2  (а,э )2 , (МПа ) (1) а а,э де: (  в ,э ) - величина еквівалентної напруги, яка враховує динамічну дію вертикальних сил під а час руху поїзда, МПа; (  прэ ) - величина еквівалентної напруги, яка враховує дію поздовжніх сил у разі ударних впливів а, 35 в автозчеп, МПа; д (  а,э ) - величина еквівалентної напруги, яка враховує дію зміни внутрішнього тиску під час проведення зливо-наливних операцій, МПа, за яким проводять розрахунок коефіцієнта запасу опору втоми для оцінки залишкового ресурсу вагона-цистерни. 7 UA 117857 U 8 UA 117857 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9