Разработка вагона-цистерны для битума

Л2 - Система разогрева.cdw

(поз. 15 и 16 не показаны)
наружная поверхность
Давление гидроиспытания - 0
Сварные швы по ГОСТ 5264-80.
*Размеры для справок
Объем парового пространства - 0
Вновь разрабатываемые
Развертка обечайки котла с системой разогрева (12 часть)(1:20)

задание_диплом.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Вагоны»УТВЕРЖДАЮ
Вагон-цистерна для перевозки битума
Руководитель Лозбинев В.П.
Слушатель Ковшов О.Е.
БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
на дипломный проект
по специальности 190302 – ВАГОНЫ
Слушатель Ковшов О. Е.
Тема проекта Разработать эскизный проект вагона-цистерны для перевозки битума
Утверждена приказом по БГТУ № 06-03 от 14.01.2009 2009 г.
Срок сдачи законченного проекта 16 марта 2009 г.
Исходные данные для проектирования осевая нагрузка235 тось
тип вагонарамная цистерна
тип тележкигрузовая мод. 18-100
Специальное задание теплотехнический расчет системы обогрева битума
Содержание папки текстовых документов (перечень разделов подлежащих разработке):
Ведомость дипломного проекта
Обоснование принятых в дипломном проекте решений
Определение габаритных размеров
Проверка приемлемости габаритных размеров
Проверка работоспособности несущих элементов кузова вагона
Теплотехнический расчет сисиемы подогрева
Заключение список литературы
Перечень графического материала с точным указанием обязательных чертежей:
Общий вид вагона-цистерны-А1
Система разогрева-А1
Результаты теплотехнического расчета-А1
Дата выдачи задания18 декабря 2008 г.
Заведующий кафедрой В.В. Кобищанов
Руководитель проекта В.П. Лозбинев
Задание принял к исполнению 18 декабря 2008 г.
Слушатель О.Е. Ковшов

Л4 - Битум.cdw

Общий вид расчетной модели с
сеткой конечных элементов
Распределение температурных полей во время остывания битума
Распределение температурных полей во время разогрева битума
Исходные данные для теплотехнического расчета
График изменения температуры в течении 5 суток остывания битума
График изменения температуры в течении 10 часов разогрева битума

Л1 - общий вид.cdw

для перевозки битума
Техническая характеристика
База вагона-цистерны
полезный: при плотности 1
Максимальная расчетная статическая нагрузка
Максимальная конструкционная скорость
Габарит по ГОСТ 9238-83:
Заимствованные изделия
Площадка обслуживания
Вновь разрабатываемые

3Цель расчета.doc

Постановка задачи проекта8
1Грузовые вагоны нового поколения8
2Формулировка основных задач проекта11
Выбор конструктивной схемы и основных параметров
проектируемого вагона-цистерны12
1Вписывание проектируемого вагона-цистерны в габарит12
2Проверка размеров поперечного сечения кузова
проектируемого вагона по условию прочности21
3Теплотехнический расчет системы обогрева23
Техническое описание разработанной конструкции29
1Заимствованные узлы и системы29
1.3Тормозное оборудование31
1.4Ударно-тяговое устройство33
2Вновь разрабатываемые сборочные единицы34
2.2Система разогрева35
Список используемой литературы38
Транспортная система страны является неотъемлемой частью производственной и социальной инфраструктуры государства обеспечивая ее территориальную целостность и национальную безопасность. Железнодорожный транспорт в этой системе играет ключевую роль в социально-экономическом развитии Российской Федерации выполняя около 85 % грузооборота и более 37 % пассажирооборота транспорта общего пользования. Возрастающий спрос на услуги транспорта требуют важнейших структурных преобразований совершенствования правовых экономических и административных механизмов регулирующих транспортную деятельность. Современное состояние транспортной системы располагает потенциалом способным поддерживать развитие экономики и рост благосостояния населения России в перспективе.
Однако вследствие ряда серьезных проблем связанных с износом технических средств и уровнем аварийности воздействием на окружающую среду и здоровье человека происходит оттеснение российских перевозчиков с ряда секторов международного рынка транспортных услуг и снижение качества обслуживания российских предприятий и населения. Для решения указанных выше проблем в обеспечении развития транспорта повышения безопасности и эффективности транспортного обслуживания расширения транспортных услуг намечены приоритетные меры направленные на развитие транспортного комплекса.
Заводами отечественного вагоностроения создается новое поколение грузовых вагонов отличающихся повышенной надежностью и экономичностью. Они обладают уменьшенным воздействием на путь существенно сокращая эксплуатационные расходы на текущее содержание и ремонт. В конструкциях и параметрах новых вагонов предусматривается расширение специализации применение в тележках конструктивных решений обеспечивающих их нормальную работу без восстановительного ремонта от постройки до первого капитального ремонта и между капитальными ремонтами. Новая конструкция тележек выполнена с жесткой рамой и надбуксовым подвешиванием с осевой нагрузкой 245 кН (25 тс). В основные элементы кузова нового поколения вагонов вводятся прогрессивные конструктивные решения обеспечивающие сохранность перевозимых грузов и прочность его частей. Колеса применяются с повышенной твердостью обода обеспечивающей уменьшенный износ гребней внедряются буксы кассетного типа. Элементы конструкции кузова изготавливаются из новых антикоррозионных материалов.
Вагонный парк является одним из важнейших технических средств. От технического уровня вагонного парка его состояния численности и состава потребностях в перевозках зависит качество перевозочного процесса своевременность доставки пассажиров и грузов производительность транспорта и его экономические показатели.
Вагонное хозяйство обеспечивает работоспособность вагонного парка поддерживая в исправном техническом и коммерческом состоянии вагоны а также безопасное и бесперебойное движение поездов проводя планово-предупредительные ремонты и техническое обслуживание вагонов. Вагонное хозяйство кроме того обеспечивает пассажирам комфортабельные условия проезда.
Для выполнения вышеуказанных задач вагонное хозяйство располагает необходимой производственной базой включающей вагонные депо вагоноколесные мастерские промывочно-пропарочные предприятия конторы обслуживания пассажиров прачечные а также пункты технического обслуживания вагонов пункты подготовки вагонов к перевозкам ремонтно-экипировочные депо контрольные пункты автотормозов и другие сооружения и устройства входящие в состав вагонного депо или участка в территориальных границах которых они расположены.
В основу работы сетевого ПТО заложено применение высокоэффективных безлюдных технологий технического обслуживания и ремонта вагонов с широким применением автоматизированных диагностических комплексов контроля технического состояния вагонов укрупненных специализированных путей для ремонта вагонов с полной механизацией всех ремонтных работ и современного программно-технологического комплекса автоматизированной системы управления (АСУ) ПТО связывающего все подразделения ПТО в единую информационную систему.
Создание базовых вагонных депо и их оснащение до требований регламента позволит повысить качество ремонта вагонов сократить малодеятельные депо или передать их для ремонта собственного подвижного состава существенно снизить эксплуатационные расходы. Аналогичная работа по вагоноколесным мастерским (ВКМ) позволит создать мощные базовые региональные ВКМ и обеспечить высокий уровень формирования колесных пар.
Для поддержания численности парка в размерах обеспечивающих объемы перспективных перевозок намечено обновление парка грузового подвижного состава вагонами нового поколения с нагрузкой на ось 25 тс грузоподъемностью 75 т а для эксплуатации на замкнутых маршрутах – специализированными вагонами для перевозки угля и руды с нагрузкой на ось 30 тс.
Совершенствование конструкций и расширенное использование высокоэффективных большегрузных восьмиосных вагонов грузоподъемностью 125-130 тс позволит повысить производительность железнодорожного транспорта обеспечить существенное снижение энергетических затрат на тягу поездов и маневровую работу.
Не менее важным конкурентным преимуществом грузового вагона является сокращение времени его разгрузки. Это относится в частности к вагонам-цистернам для перевозки затвердевающих грузов (тяжелые нефтепродукты битум каменноугольный пек). Особенностью эксплуатации данного типа вагонов является то что загрузку цистерны производят при температуре превышающей температуру плавления а опорожнение при температуре окружающей среды. Таким образом задачей настоящего проекта является эскизная проработка вагона-цистерны для перевозки битума которая обеспечивала более высокую экономическую эффективность перевозок по сравнению с существующими вагонами аналогами за счет оптимизации теплоизоляции котла цистерны и снижения затрат времени на разогрев.
Постановка задачи проекта
1 Грузовые вагоны нового поколения
В настоящее время техническое состояние многих грузовых вагонов подходит к критическому уровню. Значительная часть их эксплуатируется за пределами нормативных сроков службы а к 2010 году закончится срок службы у 56 % грузовых вагонов. При эксплуатации грузовых вагонов за пределами срока их службы существенно ухудшается показатели безопасности и экономической эффективности растет ресурсоемкость и энергоемкость перевозок. С учетом исключения из инвентарного парка вагонов по сроку службы а так же возможности продления срока службы эксплуатируемых грузовых вагонов путем проведения капитально-восстановительного ремонта (КВР) расчетная потребность в постройке и закупке МПС России и частными предприятиями негосударственного сектора до 2010 года составит максимум 749 тыс. грузовых вагонов нового поколения. Недостаток полувагонов наблюдается с 1999 года а цистерн – с 2001 года. Однако вагоностроительная промышленность России продолжает строить вагоны на устаревшей элементной технической базе с использованием автосцепок автотормозов тележек принципиальное устройство которых разработано еще в 30-е годы.
Учитывая реальное состояние экономики России МПС России совместно с ВНИИЖТ ГосНИИВ НВЦ (научно-внедренческий центр «Вагоны») разработали программу «Разработка и производство в России грузового подвижного состава нового поколения». В этой программе поставлены задачи создания вагонов нового поколения отвечающих современным экономическим экологическим и потребительским требованиям. Программа должна обеспечить координацию научно-технической политики в области грузового подвижного состава для стран СНГ и Балтии. Кроме того она имеет потенциальные возможности экспорта грузовых вагонов и предоставления их в аренду зарубежным железным дорогам. Намеченное в программе создание грузовых вагонов для эксплуатации на железных дорогах с шириной колеи 1520 и 1435 мм позволяет ускорить международные перевозки и будет способствовать интеграции российской промышленности в мировую экономику.
Основными задачами программы разработки и производства грузовых вагонов нового поколения являются:
- оздоровление улучшение потребительский свойств и продление срока службы существующих вагонов;
- разработка освоение выпуска вагонов нового поколения и реконструкции в связи с этим вагоностроительных заводов;
- производство и закупка грузовых вагонов современного и перспективного уровня на период с 1999 по 2010 г.
Грузовые вагоны нового поколения будут строиться трех категорий:
- стандартные с увеличенной грузоподъемностью до 71 75 т;
- скоростные грузоподъемностью 50 60 т и с конструкционной скоростью до 160 кмч;
- международные грузоподъемностью 55 60 т с возможностью быстрого перехода на колею 1435 мм и обратно за счет применения например колесных пар с раздвижными колесами.
Переход от проектирования отдельных специализированных вагонов к проектированию семейства вагонов на базе основной конструкции вагона позволит:
- создавать образцы вагонов с заданным уровнем надежности и долговечности;
- заменить традиционные методы конструирования применять специальные унифицированные конструктивные элементы на базовом вагоне;
- повысить технологичность конструкции и уровень механизации и автоматизации производства;
- повысить эксплуатационную надежность за счет более полного учета загруженности в эксплуатации и соответствующего сокращения затрат на ремонт и текущее содержание вагона.
По сравнению с существующими вагонами грузовые вагоны нового поколения будут иметь следующие преимущества:
- увеличение средней статической нагрузки на 75 %;
- ускорение оборота вагона на 80 %;
- сокращение расходов на текущий ремонт на 70 %;
- сокращение количества неисправных вагонов в парке до 2-3 %;
- повышение безопасности движения;
- обеспечение сохранности перевозимых грузов;
- снижение трудоемкости обслуживания вагонов повышения безопасности при маневровой работе.
Грузоподъемность вагонов нового поколения составит 71-75 т; статическая нагрузка – 62 69 т; осевая нагрузка – от 18 до 25 т (меньшая нагрузка при скорости движения 140 160 кмч); допустимая продольная сила 350 т; конструкционная скорость движения 120 160 кмч; межремонтный пробег 3 года после постройки и капитального ремонта вагона или 450 тыс.км после деповского ремонта; средняя частота отказов за год 08 у полувагонов 06 у крытых вагонов 05 у цистерн и платформ что в среднем в 10 15 раз меньше чем у существующих вагонов.
Среди вагонов нового поколения основными типами вагонов являются: четырехосный полувагон с жестким каркасом кузова и осевой нагрузкой 25 т; крытый вагон с увеличенным объемом кузова до 148 м3 вместо 138 м3 у существующего крытого вагона и осевой нагрузкой 25 т; цистерны грузоподъемностью 62 882 т для перевозки светлых и темных нефтепродуктов 70 73 т для перевозки кислот спирта и виноматериалов 435 65 т для перевозки сжиженных углеводородов; платформа грузоподъемностью 73 т и с площадью пола 508 м2.
Среди вагонов специального назначения нового поколения:
- сочлененный вагон для перевозки легковых автомобилей грузоподъемностью 33 т с осевой нагрузкой 16 т и объемом кузова 490 м3;
- вагон для международных перевозок легковых автомобилей грузоподъемностью 18 т осевой нагрузкой 13 т и объемом кузова 260 м3;
- вагон со съемной крышей для перевозки легковых автомобилей грузоподъемностью 52 т с осевой нагрузкой 18 т и объемом кузова 135 м3;
- вагон со съемной крышей для перевозки металлоконструкций грузоподъемностью 70 т с осевой нагрузкой 25 т и объемом кузова 85 м3;
- платформа для перевозки автомобиля с полуприцепом или двух 30-тонных контейнеров грузоподъемностью 70 т с осевой нагрузкой 25 т и тарой 30 т;
- платформа для перевозки штрипсов грузоподъемностью 75 т с осевой нагрузкой 25 т и тарой 25 т;
- платформа для перевозки рельсов грузоподъемностью 127 т с осевой нагрузкой 22 т и тарой 49 т.
Все вагоны нового поколения будут иметь двуосные тележки с улучшенными динамическими показателями и лучшим воздействием на путь меньшей необрессоренной массой; колесные пары с буксовыми узлами кассетного типа и раздвижными колесами.
2Формулировка основных задач проекта
Целью разработки является создание вагона-цистерны для перевозки битума.
Разрабатываемая мной модель вагона-цистерны должна обеспечивать более высокую экономическую эффективность перевозок по сравнению с существующими вагонами аналогами за счет оптимизации теплоизоляции котла цистерны и снижения затрат времени на разогрев.
проектируемого вагона-цистерны
1Вписывание проектируемого вагона-цистерны в габарит
Исходные расчетные данные:
Длина по кузову (раме) м
Направляющая база подвижного состава м
Сила тяжести вагона (цистерны) брутто кН
Сила тяжести тары кН
Сила тяжести тележки кН
Расчетная нагрузка на одну тележку кН
Гибкость центральных рессор тележки ммкН
Гибкость рессор одной тележки ммкН
Максимальный диаметр новых колес мм
Минимальный диаметр предельно изношенных колес мм
Минимально допустимое расстояние между внутренними гранями бандажей колес (колея 1520 мм) мм
Минимально допустимая толщина гребня бандажа по уровню верха головок рельсов (колея 1520 мм) мм
Возможное поперечное смещение буксы относительно оси колесной пары мм
Возможное поперечное смещение рамы тележки относительно буксы мм
Наибольшее возможное поперечное перемещение в направляющем сечении в одну сторону из центрального положения рамы тележки относительно колесной пары вследствие наличия зазоров при максимальных износах и деформаций упругих элементов в буксовом узле и узле сочленения рамы тележки с буксой мм
Возможное поперечное смещение от центрального положения кузова относительно рамы тележки мм
Возможное поперечное смещение из центрального положения надрессорной балки относительно середины боковины мм
То же пятника относительно подпятника мм
Понижение буксы относительно оси колесной пары вследствие износов подшипника осевой шейки по радиусу мм
Понижение рамы тележки относительно буксы вследствие вертикальных износов опорных поверхностей мм
Допускаемый вертикальный износ пятника и подпятника мм
Остаточная осадка рессор мм
Прогиб хребтовой балки в среднем сечении мм
Расстояние от направляющего сечения до внутреннего сечения (само направляющее сечение) м
Расстояние от направляющего сечения до внутреннего сечения м
Расстояние от направляющего сечения до наружного сечения платформы (сечение по консоли) м
Расстояние от направляющего сечения тележки до рассматриваемого ее внутреннего сечения (сечение по оси колесной пары) м
Расстояние от направляющего сечения тележки до его внутреннего сечения (среднее сечение рамы тележки) м
Расстояние от направляющего сечения тележки до ее внутреннего сечения (сечение по надрессорной балке) м
Расстояние от направляющего сечения тележки до рассматриваемого ее наружного сечения (концевое сечение рамы) м
Таблица 1 -Дополнительные исходные данные
Наименование основной части и частей прикрепляемых
Зазоры в шарнирных соединениях мм
Плюсовые допуски на размеры частей мм
Определение горизонтальных ограничений:
Е0 – для направляющих сечений;
ЕВ – для внутренних сечений (внутреннее ограничение)
ЕН – для наружных сечений (наружное ограничение)
а)Для колесных пар и укрепленных на них (жестко или шарнирно) частей ограничения мм
ЕО = ЕВ = ЕН = DS + Dq0i – k
S =05 (1530 – 1481) = 245 мм;
S =1530 мм – ширина колеи;
d –минимальное расстояние между наружными гранями гребней
предельно изношенных колесных пар мм
d = + 2 t1 ; d = 1437 + 2 22 = 1481 мм ;
b)Для букс и укрепленных на них (жестко или шарнирно) частей ограничения мм
ЕО = ЕВ = ЕН = DS + q' + Dqji – k
c)Для рамы тележки и укрепленных на них (жестко или шарнирно) частей ограничения мм
ЕО = DS + q + Dq2i +D– k
ЕВ = DS + q + Dq2i +D– k
ЕН = [DS + q] j' + Dq2i +D– k
Точки габарита 1-10k = 0 мм;k1 = 0625 p2 мм;k2 = 25 ммм2;
остальные точкиk = 25 мм;k1 = 05 p2 мм;k2 = 2 ммм2;
k3 = 0 мм2;D = (k1 – k3);D = k2 (p – ) –
d)Для надрессорной балки и укрепленных на ней (жестко или шарнирно) частей ограничения мм
ЕВ = DS + q + W' + Dq3i +D– k
e)Для кузова и укрепленных на нем (жестко или шарнирно) частей ограничения мм
ЕО = DS + q + W + Dq4i + Dk0 – k
ЕВ = DS + q + W + Dq4i + Dk0 – k + a
ЕН = [DS + q + W] j + Dq4i + DkH – k + b
Dk0 = (k1 - k3);DkB = k2 (l - nB
DkH = k2 (l + nHi) n Hi – k1 – k3
Горизонтальные ограничения мм для частей подвижного состава вписываемых в нижние очертания габаритов по точкам имеющим номера 14 и более на черт. 15.
ЕО = ЕВ = q' + q'' + 05 (W' + W'') + Dqji
ЕН = [q' + q'' + 05 (W' + W'')] j + Dqji
Таблица 2 –Расчет коэффициентов
для точек 1 – 10 (1-Т)
остальные точки (02-ВМ)
k1 – k3 = -17786 (*)
k2 (p – ) – k3 = -180 (*)
k2 (p – ) – k3 = -17786 (*)
k2 (p – ) – k3 = -17789 (*)
k2 (p + ) – k3 = -17849 (*)
k2 (l - nB0) nB0 + k1 – k3=-17786 (*)
k2 (l - nB1) nB1 + k1 – k3 = -140 (*)
k2 (l + nH1) n H1 – k1 – k3 = -147 (*)
(*) – принимаются равными нулю.
А – коэффициент для габарита 1-Т равен 0833для 02-ВМ равен 1333
В – коэффициент для габарита 1-Т равен 72для 02-ВМ: a = 100 b = 120
Таблица 3 –Горизонтальные ограничения для колесных пар букс
и укрепленных на них частей
для всех остальных нижних точек
Таблица 4 –Определение вертикальных ограничений
Наименование основной части и частей прикреплённых к ней
h0 = 05 (Dmax – Dmin) =
= 05 (964 – 844) = 60
h1 = h0 + Dh1 = 60 + 0 = 60
h2 = h1 + Dh2 + f01 + f1
f1 = PP l1 = 273 0 = 0
h2 = 60 + 2 + 10 + 0 = 72
h3 = h2 + Dh3 + f02 + f2
f2 = PPl2 = 2730113 » 30
h3 = 72 + 0 + 0 + 30 = 102
направляющее сечение
Таблица 5 –Горизонтальные ограничения для рамы тележки
и укрепленных на ней частей
Среднее сечение рамы
Концевое сечение рамы
Таблица 6 –Горизонтальные ограничения для кузова (котла)
и укрепленных на нем частей
Среднее сечение котла
Таблица 7 -Наименьшая высота нижних частей кузова по условию прохода вертикальных кривых сортировочных горок
Вертикальное ограничение h4 мм
hRbi=2nBi(1-nBi) +05p2 » 32
HRB=h4.1+ hRB1 = 154
hRН – для вагонов не определяется т.к. не является лимитирующим (см.п.2.5.3 инструкции по применению габаритов подвижного состава ГОСТ 9238-83)
Таблицы координат точек строительного и проектного очертаний мм
Таблица 8 -Кузов (котел) направляющее сечение nB0 = 0
Таблица 9 -Кузов (котел) внутреннее сечение nB = 39 м
Таблица 10 -Кузов (котел) наружное сечение nН = 15 м
Таблица 11 -Тележка колесная пара
Таблица 12 -Тележка букса
Таблица 13 -Тележка направляющее сечение рамы nВ0 = 0
Таблица 14 -Тележка среднее сечение рамы nВ1 = 0925
Таблица 15 -Тележка концевое сечение nН1 = 0283
Таблица 16 -Тележка надрессорная балка nВ2 = 082
Рассчитаны строительные и проектные очертания вагона-цистерны вписываемой в габарит 1-Т и тележки 18-100 на подшипниках качения вписываемой в габарит 02-ВМ для трех характерных сечений по кузову и шести сечений по тележке.
Все части вагона-цистерны и тележки вписываются в соответствующие проектные очертания.
проектируемого вагона по условию прочности
Исходными данными для расчета необходимой длины котла являются:
-диаметр котла D = 2890 мм (по аналогии с вагоном-цистерной модели 15-1210-02 для перевозки ингибиторов коррозии);
-необходимый полный объем V = 675 м3.
Конструктивно котел состоит из цилиндрической обечайки объема VО и двух эллиптических днищ диаметром D = 2890 мм толщиной SД = 10 мм и внутренней стрелкой эллипсоидной части HД = 715 мм. Днища производства «ОАО РузХиммаш» имеют внутренний объем VД = 358 м3.
V = VO + 2VД = 025 L D2 + 2VД
гдеL – длина обечайки.
Таким образом котел вагона-цистерны имеет длину обечайки L = 9200 мм внутренний диаметр D = 2890 мм толщину стенки обечайки S = 8 мм и толщину стенки эллиптического днища SД = 10 мм.
Сравниваем получившиеся показатели с соответствующими показателями вагона цистерны модели 15-1210-02 для перевозки ингибиторов коррозии
Таблица 18 –Геометрические характеристики котла вагона-аналога
и вновь проектируемого
Характеристики котла
Вновь проектируемый вагон
Внутренний диаметр D мм
Толщина стенки обечайки S мм
Толщина стенки эллиптического днища SД мм
Полезный объем VП м3
(*) –полезный объем котла вагона-аналога и вновь проектируемого вагона
равны несмотря на то что длина обечайки вновь проектируемого вагона на 50 мм меньше. Это связано с тем что котел вагона-аналога оборудован внутренним змеевиком для обогрева груза уменьшающий полезный объем котла а у вновь проектируемого вагона система обогрева размещена снаружи котла.
Так как платформа вагона цистерны заимствована то задача расчета сводится к проверке прочности котла воспринимающего распределенную нагрузку q от собственного веса и веса груза.
При определении размеров котла установлено что поперечное сечение вновь проектируемого вагона и вагона-аналога совпадают следовательно оба вагона будут иметь одинаковую прочность и проверка несущей способности котла не требуется.
3Теплотехнический расчета системы обогрева
Целью расчета является определение времени охлаждения и разогрева битума в вагоне-цистерне при ее эксплуатации. Исходные данные для расчета приведены в таблице 18.
Таблица 18 - Исходные данные для расчета
Наименование параметра
Внутренний диаметр котла
Толщина теплоизоляции
Температура налива груза
Температура слива груза
Удельная теплоемкость груза
Удельная теплоемкость стали
Удельная теплоемкость воздуха
Удельная теплоемкость минеральной ваты
Теплопроводность груза
Теплопроводность стали
Теплопроводность воздуха
Теплопроводность минеральной ваты
Плотность минеральной ваты
Коэффициент объемного термического расширения груза
Коэффициент кинематической вязкости груза
Коэффициент динамической вязкости груза
Расчет выполнен с использованием специализированного программного вычислительного комплекса ANSYS реализующего метод конечных элементов (МКЭ).
Подготовка данных о топологии конечно-элементной расчетной схемы производилось в том же программном комплексе. Для описания конечно-элементной расчетной схемы использованы двумерные тепловые четырехузловые конечные элементы типа PLANE 55 представленные на рисунке 1.
Рисунок 1 Двумерный четырехузловой
конечный элемент типа PLANE 55.
В качестве глобальной системы координат при составлении расчетной схемы выбрана двумерная Декартова система с центром расположенным на продольной оси котла вагона-цистерны. Ось «X» системы координат направлена поперек продольной оси вагона ось «Y» - вертикально вверх. Так как конструкция котла симметрична относительно вертикальной оси «Y» то расчет выполнялся только для половины расчетной модели.
Общий вид расчетной модели с сеткой конечных элементов приведен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Общий вид расчетной модели с сеткой конечных элементов
Теплотехнический расчет проводился в два этапа:
- расчет процесса охлаждения в течение 5 суток;
- расчет процесса разогрева в течение 10 часов.
Описание граничных условий для первого этапа расчета:
- начальная температура груза плюс 200°С;
- температура окружающего воздуха минус 50°С;
Описание граничных условий для второго этапа расчета:
- начальная температура груза минус 50°С;
- температура парообогревательных труб плюс 150°С;
В расчете принято допущение о наличие внутренней свободной конвекции в жидкой фазе которое описывалось путем увеличения коэффициента теплопроводности жидкой фазы определяемый по методике [1]:
где – увеличивающий коэффициент
гдеRa – критерий Релея
гдеGr - критерий Грасгофа;
Рг - критерий Прандтля.
где – коэффициент объемного термического расширения груза;
g – ускорение свободного падения;
– коэффициент кинематической вязкости груза;
ΔT - температурный напор.
где – коэффициент динамической вязкости груза;
с – удельная теплоемкость груза;
λ – коэффициент теплопроводности груза.
Расчет процесса охлаждения. Температура битума определялась как среднее арифметическое по трем точкам расположенным внизу в центре и вверху котла вагона-цистерны. На рисунке 3 приведен график изменения температуры в течение 4 суток остывания битума. На рисунке 4 приведены распределения температурных полей в котле вагона-цистерны.
Рисунок 3 – График изменения температуры в течении 5 суток остывания битума
Рисунок 4 – Распределение температурных полей
во время остывания битума: а) 25 суток; б) 5 суток
Расчет процесса разогрева. Температура битума определялась как среднее арифметическое по трем точкам расположенным внизу в центре и вверху котла вагона-цистерны. На рисунке 5 приведен график изменения температуры в течение 10 часов разогрева битума. На рисунке 6 приведены распределения температурных полей в котле вагона-цистерны
Рисунок 5 - График изменения температуры в течение 10 часов разогрева битума
Рисунок 6 – Распределение температурных полей во время разогрева битума:
а) 5 часов; б) 10 часов
Техническое описание разработанной конструкции
Цистерна должна состоять из следующих сборочных единиц:
-котла цистерны со сливным устройством с тремя степенями защиты оборудованного системой разогрева (трубами для подогрева продукта расположенными снаружи котла) и наружной теплоизоляцией из пенополиуретана защищенной металлическим кожухом;
-крепления котла на раме.
Общий вид цистерны приведен в графическом приложении к проекту.
Способ погрузки - налив через люк при открытой крышке. Способ выгрузки – самотеком при открытом сливном приборе и открытой крышке люка.
Предохранительное устройство котла обеспечивает максимальное открытие клапана при давлении в котле 02 МПа.
1 Заимствованные узлы и системы
Платформа должна включать в себя: сварную раму; двухосные тележки модели 18-100; автосцепное устройство по ТУ 3-443 с автосцепкой СА-3; пневматический автоматический тормоз; стояночный тормоз.
Рама платформы цистерны типовой конструкции. Состоит из хребтовой балки с лапами в средней части для крепления котла двух шкворневых балок с установленными на них опорами котла двух боковых двух промежуточных в каждой консольной части рамы и двух концевых балок. Рама платформы оборудована передними упорами автосцепного устройства задними упорами объединенными с надпятниками штампованными пятниками скользунами планками истирания и обеспечивать монтаж и крепление автосцепного устройства.
Хребтовая балка изготовлена из зетовых профилей № 31 ГОСТ 5267.3.
Продольными элементами рамы служат хребтовая балка и по две боковые в каждой консольной части. Поперечные балки образуют две шкворневые и две концевые. Рама платформы оборудована опорами для установки котла диаметром 3000 мм. Конструкция рамы обеспечивает возможность выкатки тележки при подъеме цистерны опорами на домкратах. В местах опирания балки на опоры установлены планки с рифленой поверхностью.
Конструкция крепления котла на раме не должна допускать разрушения или разгерметизации котла в местах крепления котла к раме при воздействии инерционных нагрузок в аварийных ситуациях.
Под цистерну подкатываются две двухосные тележки с фрикционной системой гашения колебаний одна из которых оборудуется балкой под авторежим. Тележки должны быть оборудованы композиционными тормозными колодками и предусматривать возможность установки чугунных тормозных колодок.
База тележки 1850 мм цельнокатаные колеса по ГОСТ 4835-80.
Колесные пары изготовлены в соответствии с требованиями ТУ 24.05.816-82.
Боковая рама тележки выполнена в виде монолитной стальной отливки в средней части которой расположен проем для рессорного комплекта а по концам - проемы для букс. По бокам среднего проема в верхней части расположены направляющие для ограничения поперечного перемещения фрикционных клиньев а внизу-опорная поверхность для установки рессорного комплекта. В местах трения клиньев к колонкам боковой рамы приклепаны планки.
Надрессорная балка отлита заодно с подпятником опорами для размещения скользунов гнездами для фрикционных клиньев и приливом для крепления кронштейна мертвой точки рычажной передачи тормоза.
Рессорный комплект состоит из семи двухрядных пружин расположенных под каждым концом надрессорной балки. Крайние боковые пружины комплекта поддерживают клинья гасителей колебаний. На нижней опорной поверхности клина имеется кольцевой выступ который входит внутрь поддерживающей клин пружины.
Клинья гасителя колебаний входят в соответствующие гнезда в надрессорной балке упираясь своими наклонными плоскостями в наклонные плоскости последней и прижимаясь к стальным планкам укрепленным на боковых рамах тележки. При прогибах рессорных комплектов создается необходимое трение в гасителях колебаний. Боковые перемещения надрессорной балки амортизируются поперечной упругостью пружин рессорного комплекта.
Между скользунами рамы цистерны и тележки имеются зазоры которые регулируются путем подкладки планок под колпаки скользунов тележки.
Зазоры между скользунами рамы и колпаками скользунов тележек (под тарой) должны быть не менее 3 мм и не более 9 мм при этом суммарный зазор между скользунами на каждой тележке должен быть не менее 6 мм и не более 14 мм. Для регулировки зазоров должны применяться прокладки толщиной от 15 до 5 мм. Количество прокладок не более 4 штук (под каждый колпак).
1.3 Тормозное оборудование
Конструкция тормозной системы должна обеспечивать расчетную тормозную эффективность в соответствии с требованиями "Типового расчета тормоза грузовых и рефрижераторных вагонов" и действующей "Инструкции по эксплуатации тормозов подвижного состава железных дорог".
Исполнение автоматического и стояночного тормозов на вагоне должно соответствовать "Техническим требованиям к тормозному оборудованию грузовых вагонов постройки заводов РФ".
Пневматический автоматический тормоз оборудуется:
-воздухораспределителем 483М-010-01 по ТУ 24.05.10.062;
-двухкамерным резервуаром 295М-001 по ТУ 24.5.421 или 295М-002 по ТУ 3184-001-05744538;
- авторежимом 265А-1 по ТУ 3184-509-05744521;
- регулятором РТРП-675М по ТУ 24.05.928 с рычажным приводом;
- тормозным цилиндром 188Б УХЛ1 по ОСТ 24.290.17 или 002 УХЛ1 по ТУ 24.05.801 или 155 УХЛ1 по ТУ 3184.025.07518941;
- концевым краном 4304М по ТУ 24.05.05.054;
- соединительными рукавами Р17Б по ГОСТ 2593 или по
ТУ 3182.057.07518941;
- разобщительным краном 4300 по ТУ 3184-003-10785350;
- запасным резервуаром Р7-78 по ГОСТ 1561;
- воздухопроводом с тройником 573 по ТУ 3184-513-05744521.
Тормозная рычажная передача (ТРП) цистерны отрегулирована на композиционные тормозные колодки в соответствии с "Временными инструктивными указаниями по регулированию тормозной рычажной передачи новых и выпускаемых из ремонта грузовых вагонов" № ЦВА-6 а также предусматривать возможность установки чугунных тормозных колодок.
Воздухопровод должен быть выполнен из стальных труб наружным диаметром 42 мм с толщиной стенки 4 мм (условный проход 32 мм) для труб магистральных и наружным диаметром 27 мм с толщиной стенки 32 мм (условный проход 20 мм) для труб подводящих. Магистральный воздухопровод на участках между тройником и концевыми кранами выполнен цельным и крепиться на раме.
Крепление тормозного оборудования к раме платформы должно выполняться с установкой пружинных шайб прорезных или корончатых гаек с фиксацией их шплинтами.
Для отпуска тормоза вручную на обе стороны цистерны выведены оттормаживающие поводки воздухораспределителя.
Тормоз стояночный с приводом должен обеспечивать полное зацепление зубьев червячной пары в рабочем положении и полное расцепление в нерабочем положении. Тормоз стояночный должен удерживать вагон-цистерну на расчетном уклоне не менее 30 о оо при моменте сил на штурвале 100 Н×м (1000 кгс×см).
1.4 Ударно-тяговое устройство
Платформа оборудована автосцепным устройством с автосцепкой СА-3 с верхним и нижним ограничителями вертикальных перемещений и поглощающим аппаратом класса не ниже Т2.
Установочные размеры по ГОСТ 3475 при этом: отклонение каждой головки автосцепки от горизонтального положения вверх не должно превышать 3 мм а провисание не должно быть более 10 мм разность размеров от головок рельсов до оси автосцепки по осям сцепления на платформе не должна превышать 15 мм.
Соединение автосцепки с поглощающим аппаратом и состояние соприкасающихся поверхностей должны обеспечивать свободное перемещение головки автосцепки из центрального положения в крайнее усилием не более 300 Н и возврат в первоначальное положение под действием собственного веса. Проверку производить после разрядки поглощающего аппарата.
2Вновь разрабатываемые сборочные единицы
Корпус котла состоит из обечайки двух днищ люка-лаза сливного прибора бонки для установки предохранительно-впускного клапана шести штуцеров вваренных в одно из днищ для установки системы разогрева продукта паром.
Внутренний диаметр обечайки люка (при ее номинальной толщине 12 мм) должен быть не менее 561 мм и не более 565 мм.
Диаметр внутренний (базовый) выреза в крышке номинальной шириной 22 мм для установки резинового уплотнения равен 553+1 мм. Номинальная ширина паза под резиновое уплотнение составляет 27 мм а номинальная высота 9 мм.
Обечайка котла в нижней части по оси броневого листа имеет прогиб 25-30 мм к сливному прибору обеспечивающий полный слив.
Котел оборудован наружными лестницами а также помостами с ограждениями для обслуживания цистерны. Лестницы и помосты съемные. В котле установлена лестница укрепленная на обечайке люка для проведения осмотра и ремонта внутри котла.
В верхней части котла должен устанавливаться предохранительно-впускной клапан (далее по тексту - ПВК) с целью предотвращения от повышения давления внутри котла сверх допустимого а также для ликвидации вакуума после проведения пропарочных работ.
Крышка люка должна обеспечивать герметичность котла с учетом гидроудара и давления паров на суммарное давление не менее 025+002 МПа (25+02 кгссм2). На крышке должно быть установлено уплотнительное кольцо.
Крышка люка и элементы её крепления оборудованы устройством для «подрыва» крышки в случае её примерзания или наличия вакуума в котле а также устройством для обеспечения безопасного открывания крышки при наличии в котле избыточного давления.
Сливной прибор состоит из трех запорных органов и обеспечивать слив-налив продукта на пунктах слива-налива и его сохранность при транспортировке цистерны. Привод внутреннего запорного устройства сливного прибора должен быть защищен запорно-пломбировочным устройством (ЗПУ) расположенным на крышке люка.
2.2 Система разогрева
В нижней части котла цистерны должна устанавливаться система разогрева (подогреватель) продукта при сливе.
Подогреватель состоит из труб подогрева установленных в расположенные на одном из днищ штуцерах.
Трубы подогрева установлены на стойках и установлены в штуцера так чтобы обеспечить наклон 2о к горизонтальной оси корпуса для обеспечения полного слива конденсата.
Ввод пара и отвод конденсата производится через штуцера вваренные в коллекторы установленные с наружной стороны котла и соединяющиеся с трубами подогрева через трубы подвода пара и патрубки для отвода конденсата.
Трубы подвода пара и патрубки для выхода конденсата ввариваются в заглушки труб подогрева.
Для уменьшения тепловых потерь продукта при транспортировании котел оборудован тепловой изоляцией защищенной кожухом.
При выполнении дипломного проекта проведены расчетные вычисления по определению габаритных размеров корпуса котла и проверка их по условию вписывания в габарит расчет котла как балки на двух опорах от нагрузок I и III расчетных режимов.
Проведенный расчет вписывания в габариты: для котла 1-Т для тележки 02-ВМ показывает что размеры поперечных сечений не превышают соответствующих размеров строительного и проектного очертаний.
При проверке поперечного сечения котла по условию прочности было установлено что действительные напряжения не превышают допустимых. Расчет удовлетворяет требованиям и нормам МПС по прочности.
В предлагаемой новой конструкции корпуса котла введена усовершенствованная система подогрева груза что позволило сократить расход пара и время расплавления битума также увеличился полезный объем.
Анализ результатов расчета при остывании битума показал что за 5 суток температура битума уменьшилась на 150°С. В течение 3 суток битум остается в жидком состоянии.
Анализ результатов расчета показал что за 10 часов разогрева битума температура увеличилась до 160°С.
Для достижения битумом температуры необходимой для его слива (плюс 100°С) от минус 50°С необходимо около 6 часов.
Определено время охлаждения и разогрева битума в вагоне-цистерне при ее эксплуатации. При остывании в течение 5 суток температура битума уменьшается на 150°С а при разогреве в течение 10 часов температура увеличивается на 160 °С.
Основные показатели разработанного вагона-цистерны приведены в таблице 19
Таблица 19 -Технические показатели вагона-цистерны
Расчетная статическая нагрузка от колесной пары на рельсы кН (тс)
Габарит по ГОСТ 9238
Конструкционная скорость кмчас
Объем котла полный м 3
полезный (при плотности продукта 950 кгм3)
Диаметр котла внутренний номинальный мм
Длина по осям сцепления автосцепок мм
Длина по концевым балкам рамы мм
Длина котла с подогревателем из труб мм
Высота от уровня головок рельсов до оси
Список используемой литературы
ЦВ4422. Инструкция по применению габаритов подвижного состава (ГОСТ 9238-83). Москва "Транспорт" 1988.
Конструирование и расчет вагонов. Учеб: для вузов ж.-д. -трансп. В.В. Лукин Л.А. Шадур В.Н. Котуранов и др; Под ред. В.В. Лукинаг-М.; УНК МПС Россия 2000. - 731с.
Вагоны: Учеб. для вузов ж.-д.- трансп.Л.А. Шадур и др.;Под ред. Л.А. Шадура. - 3-е изд. -М.: Транспорт 1980-439с
Лозбинев В.П. Проектирование и оптимизация несущих систем кузовов вагонов: Учеб. пособие.- Брянск: БГТУ 1997.-88С
Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520мм. (несамоходиых).-М.: Гос НИИВ-ВНИИЖТ 1996. - 319с.
Вагоны СССР: Отраслевой каталог. - М.: ЦНИИТЭИ тяжмаш. 20-89-04 1989. - 153с.
Вагоны: Номенклатурный каталог. - М: ЦНИИТЭИ тяжмаш. 52-98 1999.-76с.
ГОСТ 9238-83. Габариты приближения строений и подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм
Инструкция по применению габаритов подвижного состава ГОСТ 9238-83. - М: Транспорт 1988 - 133с.
Кобищанов В.В. Вписывание в габариты подвижного состава по ГОСТ 9238-83. Метод указания к выполнению курсовых и дипломных проектов для студентов специальности 150800 - «Вагоны». - Брянск: БГТУ 2001. - 44с.
ГОСТ 9238-83. Габариты приближения строений и подвижного состава железнодорожной колеи 1520 (1534 мм).
Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. – М.: Энергоатомиздат 1990 399 с.

Л3 - Котел.cdw

Технические требования
Диаметр котла определяется исходя из фактической длины
согласованной с диаметром днища.
Кольцевые швы корпуса зачистить заподлицо с основным
металлом в нижней части корпуса котла
обеспечения полного слива продукта.
*Размеры для справок.
Заимствованные изделия
Вновь разрабатываемые