Анотація до роботи:

Лавренко Д.Т. Покращення технічних характеристик вагонів-цистерн шляхом удосконалення їх конструкції. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.07 – Рухомий склад залізниць і тяга поїздів. Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна. Дніпропетровськ, 2009.

Дисертація присвячена покращенню технічних характеристик вагонів-цистерн шляхом удосконалення їх конструкції. Запропонована конструктивна схема безрамної цистерни, що дозволяє вирішити задачі зі зниження металоємності, понизити центр тяжіння вагона за рахунок максимально-можливого наближення котла до напіврам, збільшити об’єм котла з метою довести його до максимально можливого в рамках вписування в необхідний габарит. Визначені техніко-економічні показники вагона-цистерни безрамної конструкції. Вперше розроблено математичну модель для визначення і оцінки напружено-деформованого стану цистерни безрамної конструкції, яка враховує реальний стан кузова під час руху цистерни залізничною колією і дозволяє оцінити його міцностні характеристики з урахуванням динамічної навантаженості. Удосконалено метод розрахунку міцностних характеристик вагону-цистерни в частині урахування зміни сил в місцях спирання кузова на візки та урахування динамічних процесів в зв'язках між кузовом і візками. Удосконалено математичну модель напружено-деформованого стану цистерни в частині формування розрахункових навантажень залежно від збурень, що діють з боку колії. Удосконалено математичну модель просторових коливань вагонів-цистерн, яка на відміну від існуючих моделей дозволяє оцінювати разом з динамічними показниками і міцностні властивості. Економічний ефект від удосконалення конструкції вагонів-цистерн складає 1560 тис. грн на кожні 1000 цистерн.

У дисертаційній роботі на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень запропоновано вирішення актуальної науково-технічної задачі з покращення технічних характеристик вагонів-цистерн шляхом удосконалення їх конструкції. Виконані в роботі дослідження дозволяють зробити наступні висновки:

1. В результаті аналізу особливостей конструктивних рішень, реалізованих у вагонах-цистернах з урахуванням світового досвіду, дана класифікація характерних конструктивних схем вагонів-цистерн в частині з'єднання котла з рамою.

2. В роботі дано нове рішення науково-технічної проблеми із зниження металоємності вагонів-цистерн і покращенню їх технічних характеристик шляхом вдосконалення конструкцій на основі створення цистерн у безрамному конструктивному виконанні, що дозволяє знизити масу тари цистерни і одночасно підвищити її вантажопід’ємність.

3. Вирішено завдання із зниження металоємності цистерни також за рахунок підкріплення тонкостінного котла подовжніми елементами жорсткості у вигляді стрінгеров, розташованих в нижній створюючій котла і кільцевими елементами жорсткості у вигляді шпангоутів. Запропонована принципово нова конструкція кріплення котла безрамної цистерни до напіврам, яка дозволяє забезпечити високі міцностні характеристики цистерни і передачу подовжніх зусиль від котла до напіврам і, навпаки, у поєднанні з надійною і технологічною установкою котла на напіврамах.

При цьому маса тари для безрамної цистерни з внутрішнім діаметром котла 3060 мм зменшена в порівнянні з рамною цистерною моделі 15-1754 на 1613 кг, що складає 2,3 %, при збільшенні на таку ж величину вантажопідйомності 70,1 т відносно 68,5 т в моделі 15-1754.

Для безрамної цистерни з внутрішнім діаметром котла 3200 мм маса тари зменшена на 1736 кг відносно моделі 15-1755, що складає 2,48 %, при збільшенні вантажопідйомності до 70,0 т відносно 67,5 т.

4. Вирішено завдання, направлене на зниження центру тяжіння цистерни за рахунок максимально-можливого наближення котла до напіврам. Для безрамних цистерн з внутрішнім діаметром котла 3060 мм центр тяжіння був зменшений на 60 мм, а для цистерн з внутрішнім діаметром котла 3200 мм центр тяжіння був зменшений на 48 мм.

5. Вирішено завдання, направлене на збільшення об'єму котла цистерни. При стандартній довжині по осях зчеплення автозчепок 12020 мм збільшено об'єм котла в габариті 02-ВМ до 80 м³, а в габариті 1-ВМ до 88 м³. При цьому збережені існуючі допуски на поперечний зсув котла відносно осі колії.

6. Описано розрахункову схему і розроблено математичну модель просторових коливань чотиривісної цистерни, що виникають при русі залізничною колією з реальними нерівностями.

7. Виконана оцінка міцності екіпажної частини цистерни, яка показала, що сумарна напруженість не перевищує нормативних навантажень, які допускаються при сполученні на всіх основних розрахункових режимах.

8. Для підготовки вихідних даних для моделювання напружено-деформованого стану цистерни, що імітує рух по адекватним реальним ділянках колії, виконано моделювання просторових коливань цистерни на прямолінійних і криволінійних ділянках колії різних радіусів (200 м, 300 м і 600 м). Результати цих розрахунків для цистерни отримані у вигляді осцилограм.

9. Вперше розроблено математичну модель для визначення і оцінки напружено-деформованого стану цистерни безрамної конструкції, яка враховує реальний стан кузова під час руху цистерни залізничною колією і дозволяє оцінити його міцностні характеристики в динаміці протягом певного часу. При цьому математична модель в якості змінних за часом навантаженнь дозволяє враховувати вертикальні коливання кузова для оцінки його міцностних характеристик.

10. Удосконалено метод розрахунку міцностних характеристик вагону-цистерни в частині урахування зміни сил в місцях спирання кузова на візки та урахування динамічних процесів в зв'язках між кузовом і візками.

11. Удосконалено математичну модель напружено-деформованого стану цистерни в частині формування розрахункових навантажень залежно від збурень, що діють з боку колії;

12. Удосконалено математичну модель просторових коливань вагонів-цистерн, яка на відміну від існуючих моделей дозволяє оцінювати разом з динамічними показниками і міцностні властивості.

13. Для проведення теоретичних досліджень міцностних властивостей кузова цистерни в динаміці автором розроблені в середовищі ANSYS спеціальні прикладні програми, призначені для виконання розрахунків перехідних динамічних процесів повним методом, де використовувалися оцифровані дані осцилограм, отримані на етапі моделювання просторових коливань цистерни. За результатами виконаних розрахунків визначено напружено-деформований стан кузова цистерни.

14. Аналіз отриманих осцилограм з еквівалентною напруженістю дозволив зробити висновок, що частота і амплітуда коливань в кожному окремо взятому вузлі на різних ділянках колії змінюються залежно від рівня збурень з боку колії. Значення переміщень у вузлах залежно від швидкості і вписування в криволінійні ділянки колії радіусом 600 м, 300 м, 200 м також чутливі до рівня та характеру нерівності колії. Тому розроблена в роботі математична модель для визначення і оцінки напружено-деформованого стану цистерни безрамної конструкції ураховує збурення, що діють з боку колії, при формуванні розрахункових навантажень. Це робить математичне моделювання більш адекватним реальній конструкції цистерни, про що свідчить співставлення з експериментом.

15. Результати проведених випробувань дослідного зразка безрамної цистерни для перевезення нафтопродуктів показали, що у всіх досліджених зонах конструкції цистерни головна і еквівалентна напруженість задовольняє вимогам «Норм…», при цьому залишкові деформації відсутні.

16. Виконано порівняння результатів теоретичних та експериментальних досліджень і отримано розбіжності в межах 15%, що дозволяє зробити висновок про задовільну збіжність результатів.

17. В рамках виконання вимог європейських норм розроблена конструкція зливного пристрою потрійного ступеню захисту.

Результати виконання роботи впроваджені при проектуванні цистерн на ВАТ «Азовмаш» і ТОВ «ГСКБВ» та при виконанні теоретичних і експериментальних досліджень на підприємстві «Азовмаштест» і в ГНДЛ вагонів Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені акад. В. Лазаряна. В результаті виконання техніко-економічного обгрунтування розроблених технічних рішень визначено, що економічний ефект від удосконалення конструкції вагонів-цистерн складає 1560 тис. грн на кожні 1000 цистерн.

Публікації автора:

1. Лавренко Д.Т. Математическая модель пространственных колебаний вагонов-цистерн / Д.Т. Лавренко // Зб. наук. праць. – Донецьк: ДонІЗТ, 2008. – Вып.14. – C. 126 - 136.

2. Бубнов В.М. Тенденции в совершенствовании конструктивных схем железнодорожных цистерн для перевозки нефтепродуктов / В.М. Бубнов С.В. Мямлин, Д.Т. Лавренко // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна. – 2006. –Вип. 11. – С. 138 – 140.

3. Бубнов В.М. Особенности цистерны безрамной конструкции для перевозки светлых нефтепродуктов / В.М. Бубнов, С.В. Мямлин, Д.Т. Лавренко, А.А. Никитченко // Збірник наукових праць КУЕТТ. Серія «Транспортні системи і технології». – 2006. – Вип. 10. – C. 48 – 51.

4. Мямлин С.В. Определение напряженно-деформированного состояния цистерны от воздействия вертикальных колебаний при ее движении по железнодорожному пути / С.В. Мямлин, В.М. Бубнов, Д.Т. Лавренко // Залізничний транспорт України. – 2008. – № 4.– С. 20 – 24.

5. Бубнов В.М. Сливной прибор с тройной степенью защиты для вагонов-цистерн, предназначенных для перевозки грузов 3 класса опасности / В.М. Бубнов, С.В. Мямлин, Д.Т. Лавренко // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты. Сборник научных статей. – Санкт-Петербург, 2007. – Вып. 4.– С. 58 – 61.

6. Бубнов В.М. Особенности конструкции безрамной цистерны пониженной металлоемкости / В.М.Бубнов, С.В. Мямлин, Д.Т. Лавренко // Залізничний транспорт України. – 2007. – № 4. – С. 50 – 52.

7. Пат. 12504 Україна, МПК B61D 5/06. Залізнична цистерна / Бубнов В.М., Марінюк В.С., Калугин А.В., Гетьман Ю.Г., Лавренко Д.Т., Нікітченко А.А.; заявник та патентовласник ТОВ «ГСКБВ», ВАТ «МЗВМ», ВАТ «АЗОВЗАГАЛЬМАШ». – № u200507130; замовл. 18.07.2005; опубл. 15.02.2006, Бюл. № 2.

8. Пат. 53250 U1 Российская федерация, МПК B61D 5/06. Железнодорожная цистерна / Бубнов В.М., Маринюк В.С., Калугин А.В., Гетьман Ю.Г., Лавренко Д.Т., Никитченко А.А.; заявитель и патентообладатель ООО «ГСКБВ», ОАО «МЗТМ», ОАО «Азовобщемаш». – № 2005123946/22; заявл. 27.07.2005; опубл. 10.05.2006, Бюл. № 13.

9. Пат. 12574 Україна, Залізнична цистерна / Бубнов В.М., Маринюк В.С., Калугин А.В., Гетьман Ю.Г., Лавренко Д.Т., Никитченко А.А.; заявник та патентовласник ТОВ «ГСКБВ», ВАТ «МЗВМ», ВАТ «АЗОВЗАГАЛЬМАШ». – № s200500982; замовл. 18.07.2005; опубл. 15.08.2006, Бюл. № 8.

10. Пат. 27950 Україна, МПК B61D 5/06. Залізнична цистерна / Бубнов В.М., Марінюк В.С., Мямлін С.В., Попов С.І., Лавренко Д.Т., Нікітченко А.А.; заявник та патентовласник ТОВ «ГСКБВ». – № u2007 05544; замовл. 21.05.2007; опубл. 26.11.2007. Бюл. № 19.

11. Пат. 69474 U1 Российская Федерация, МПК B61D 5/06. Железнодорожная цистерна / Бубнов В.М., Маринюк В.С., Мямлин С.В., Попов С.И., Лавренко Д.Т., Никитченко А.А.; заявитель и патентообладатель ООО «ГСКБВ». – № 2007121340/22; заявл. 06.06.2007; опубл. 27.12.2007, Бюл. № 36.

12. Пат. 8099 Україна, МПК B61D 5/00. Зливний пристрій залізничної цистерни / Бубнов В.М., Марінюк В.С., Лавренко Д.Т., Клопков Л.Н., Калугін А.В., Попов С.И., Мямлін С.В.; заявник та патентовласник ТОВ «ГСКБВ», ВАТ «МЗВМ», ВАТ «АЗОВЗАГАЛЬМАШ». – № u200500453; – замовл. 17.01.2005; опубл. 15.07.2005, Бюл. № 7.

13. Пат. 46253 U1 Российская Федерация, МПК B61D 5/00. Сливное устройство железнодорожной цистерны / Бубнов В.М., Маринюк В.С., Лавренко Д.Т., Клопков Л.Н., Калугин А.В., Попов С.И., Мямлин С.В.; заявитель и патентообладатель ООО «ГСКБВ», ОАО «МЗТМ», ОАО «Азовобщемаш». – № 2005102351/22; заявл. 31.01.2005; опубл. 27.06.2005. Бюл. № 18.

14. Пат. 12690 Україна, МПК F16H 55/17, B61D 5/00. Зливний пристрій залізничної цистерни / Бубнов В.М., Марінюк В.С., Лавренко Д.Т., Калугін А.В., Попов С.И., Мямлін С.В.; заявник та патентовласник ТОВ «ГСКБВ», ВАТ «МЗВМ», ВАТ «АЗОВЗАГАЛЬМАШ». – № u200508533 – замовл. 05.09.2005; опубл. 15.02.2006. Бюл. № 2.

15. Пат. 52373 U1 Российская Федерация, МПК B61D 5/00, B65D 39/00 Сливное устройство железнодорожной цистерны / Бубнов В.М., Маринюк В.С., Лавренко Д.Т., Калугин А.В., Попов С.И., Мямлин С.В.; заявитель и патентообладатель ООО «ГСКБВ», ОАО «МЗТМ», ОАО «Азовобщемаш». – № 2005128460/22; заявл. 12.09.2005; опубл. 27.03.2006. Бюл. № 9.

16. Бубнов В.М. Конструктивные особенности кузова вагона-цистерны типа Восток-Запад / В.М. Бубнов, С.В. Мямлин, Д.Т. Лавренко // Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем в умовах реформування залізничного транспорту: матеріали IV міжнар. наук-практич. конф., 26-27 лютого 2008 р.: тези доп. – К., 2008. – С. 15-16.

17. Мямлин С.В. Определение нарпряженно-деформированного состояния цистерны от воздействия вертикальных колебаний при ее движении по железнодорожному пути / С.В. Мямлин, В.М. Бубнов В.М., Д.Т. Лавренко // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: 68 междунар. науч.-практич. конф., 22–23 мая 2008 г.: тезисы докл. – Д., 2008. – С.54 – 57.

18. Мямлин С.В. Изучение напряженного состояния основных несущих элементов вагонов-цистерн / С.В. Мямлин, В.М. Бубнов, Д.Т. Лавренко // Проблемы механики железнодорожного транспорта. Безопасность движения, динамика, прочность подвижного состава, энергосбережение: XII междунар. конф 28 – 30 мая 2008 г.: тезисы докл. – Д., 2008. – С.108 – 109.

19. Лавренко Д.Т. Визначення напружено-деформованого стану цистерн від дії вертикальних коливань при її русі по залізничній колії / Д.Т. Лавренко // Проблемы механики железнодорожного транспорта. Безопасность движения, динамика, прочность подвижного состава, энергосбережение: XII междунар. конф 22 – 23 мая 2008 г.: тезисы докл. – Д., 2008. – С. 32.

20. Бубнов В.М. Разработка конструкции безрамной цистерны и анализ проектных решений / В.М. Бубнов, С.В. Мямлин, Д.Т. Лавренко // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта: LXVI междунар. науч.-практич. конф., 11-12 мая 2006 г.: тезисы докл. – Д., 2006. – С. 79-80.

21. Бубнов В.М. Разработка конструкции безрамной цистерны и анализ проектных решений / В.М. Бубнов, С.В. Мямлин, Д.Т. Лавренко, А.А. Никитченко // Внедрение наукоемких технологий на магистральном и промышленном железнодорожном транспорте: IІ науч.-практич. междунар. конф., 5 - 9 июня 2006 г.: тезисы докл. – Крым, Алушта, 2006 г. – С. 66.

22. Бубнов В.М. Создание сливного прибора с тройной степенью защиты для вагонов-цистерн / В.М. Бубнов, С.В. Мямлин , Д.Т. Лавренко // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: IV междунар. науч.-технич. конф., 6 - 9 июля 2005 г.: тезисы докл. – СПб., 2005. – С. 34-36.

23. Бубнов В.М. Требования к вагонам-цистернам «Восток-Запад» / В.М. Бубнов, Д.Т. Лавренко // Проблемы механики ж.д. тр-та: Динамика, прочность и безопасность движения подвижного состава: ХІ междунар. конф. 26 - 29 мая 2004 г.: тезисы докл. – Д.: Изд-во Полный компьютерный сервис, 2004. – С. 53.

24. Бубнов В.М. Опыт создания конструкций безрамных цистерн пониженной металлоемкости / В.М. Бубнов, С.В. Мямлин , Д.Т. Лавренко // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: V междунар. науч.-технич. конф., 4 - 6 июля 2007 г.: тезисы докл. – СПб., 2007. – С. 46-48.

25. Письменный Е.А. Разработка современного подвижного состава для мультимодальных перевозок / С.В. Мямлин, Е.А. Письменный, В.М. Бубнов, Д.Т. Лавренко // Морские и речные перевозки. Вопросы экономического взаимодействия, функционирования и развития: труды Междунар. научно-практ. конф., 1-2 сентября 2004 г.: тезисы докл. – Одесса: Судоходство Медиа Центр, 2004. – С. 144 – 146.

26. Яловой А.И. Оценка экономической эффективности новых технических решений в конструкциях грузовых вагонов / А.И. Яловой, А.Е. Лозовая, Д.Т. Лавренко // Проблемы экономики транспорта: труды IV Междунар. науч. конф., 28-29 апреля 2005 г.: тезисы докл. – Днепропетровск, 2005. – С. 96 – 97.