О.В. Фомін
д.т.н., професор, Державний університет інфраструктури та технологій
Україна, м. Київ
П.М. Прокопенко
аспірант, Державний університет інфраструктури та технологій
Україна, м. Київ
Крисенко Н.М.
студентка, Державний університет інфраструктури та технологій
С.С. Сова
аспірант, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля
За останні роки відбулося значне старіння експлуатаційного парку вантажних вагонів, т.ч. вагонів-цистерн для перевезення особливо небезпечних вантажів. На даний час на мережі залізниць України перебувають в експлуатації вагони-цистерни з терміном служби, який перевищує встановлений заводом-виробником та продовжений термін служби. Аналіз технічного стану вагонів-цистерн після проведення планових видів ремонту показує, що значна їх частина знаходиться в задовільному стані. Для вирішення питання про можливість подальшої безпечної експлуатації з вичерпаним терміном служби проводиться їхнє технічне діагностування та контрольні випробування.
Ключові слова: вагон-цистерна, ударні випробування, аварійні випробування, пошкодження, герметичність, продовження строку експлуатації.
Постановка проблеми. Проаналізувавши парк та технічний стан вагонів-цистерн для перевезення особливо небезпечних вантажів, встановлено, що основну частину парку складають вагони-цистерни моделі 15-1407 – для перевезення пропану, 15-1408, 15-1408-01, 15-1408-02, 15-1440, 15-1597, 15-1619 – для перевезення аміаку, 15-1409, 15-1556 – для перевезення хлору, 15-1519, 15-1780 – для перевезення пропану-бутану, та вони знаходяться в гарному технічному стані.
Аналіз літературних даних. Сучасні дослідження, присвячені питанням зниження вартості вантажних вагонів та зокрема, стаття [1] присвячена висвітленню запропонованих інновацій для конструкцій піввагонів «залізничного простору 1520 мм» і особливостей їх проектування, однак в ній обмежено представлені можливості застосування таких інновацій для вагонів. Автори роботи [2] відображають певні ними перспективні напрямки динаміки залізничних напіввагонів з метою поліпшення техніко-економічних показників, але не розкривають економічного потенціалу ділового використання спеціального дорогого вагонного прокату немірної довжини. Так, в роботі [3] Представлені результати, а також особливості проведених теоретичних та експериментальних досліджень з впровадження стикованого виконання хребтової балки вагонів-окатишевозів. А робота [4] присвячена представленню перспективних напрямків проектування рам візків та їх особливості. Наприклад, в [5] автори відображають результати комплексного аналізу економічного ефекту від життєвого циклу сучасного напіввагону. В роботі [6] представлені особливості запропонованих авторами інновацій в математичному записі задачі оптимізаційного проектування напіввагонів за критерієм мінімальної матеріалоємност. З урахуванням вищесказаного можна зробити висновок, що результати аналізу інформаційних джерел з досліджуваного питання свідчать про відсутність достатніх методичних і практичних матеріалів про випробування та технічне діагностування вагонів-цистерн для перевезення небезпечних вантажів, особливо в умовах аварійних ситуацій.
Мета статті. Висвітлення теоретичних та практичних особливостей проведення технічного діагностування, контрольних випробувань та випробувань з імітацією аварійних ситуацій вагоні-цистерн для перевезення особливо небезпечних вантажів.
Результати досліджень. Основну частину парку вагонів-цистерн для перевезення особливо небезпечних вантажів складають вагони-цистерни моделі 15-1407 – для перевезення пропану, 15-1408, 15-1408-01, 15-1408-02, 15-1440, 15-1597– для перевезення аміаку, 15-1409, 15-1556 – для перевезення хлору, 15-1519, 15-1780 – для перевезення пропану-бутану.
Досвід експлуатації залізничного транспорту показує, що значна частина аварійних ситуацій на залізничних коліях пов’язана з вагонами-цистернами, які перевозять рідкі вантажі широкого асортименту, в тому числі скраплений газ, нафтопродукти, концентровані кислоти, токсичні та вибухонебезпечні продукти хімічного походження. Частіше такі аварії супроводжуються наїздом вагона на вагон та перекиданням цистерн, в результаті чого може відбутися порушення цілісності котла (пробоїна днища, пошкодження горловини для наливу вантажу, розрив обичайки в зоні з’єднання котла з рамою та ін.) і витікання екологічно небезпечного вантажу. Для більшості аварійних ситуацій, які виникають при сходжені вагона з рейок, наїзді вагона на вагон або перешкоди характерним являється саморозчеплення вагонів і удар автозчепом сусіднього вагона або його довгим вантажем в днище котла цистерни (рис.3).
В даний час в якості засобів захисту днищ вагонів-цистерн в аварійних ситуаціях використовуються додаткові металеві накладки на днища (фальшднище) або торцеві щити. Накладні металеві елементи , посилюючи нижню частину днища та повторюючи його форму, використовуються на цистернах моделей 15-1619, 15-1408. Дані захисні елементи володіють низькою енергоємністю, оскільки щільно прилягають до днища цистерни.
Враховуючи досвід експлуатації та результати обстеження технічного стану дає можливість визначити ймовірність відмов елементів рами вагона-цистерни Pi (i=1, 2, 3…N, де N – кількість елементів) за формулою:
де 
– кількість обстежених вагонів;
– кількість несправних елементів одного типу в вагоні.
Для вагонів-цистерн, які перевозять аміак, відносяться: зона приварки люка-лаза, фасонні лапи котла, зона обпирання котла на дерев’яні бруски, хребтова та шворнева балки рами.
Випробування проводились 4-х вісному вагону-цистерні моделі 15-1408 (рис.5) для перевезення аміаку, з терміном служби, що минув (20 років) та дослідний зразок цистерна моделі 15-1619 (рисунок 6) з діаметром котла 3200 мм..
Перед початком випробувань проводилось технічне діагностування дослідного зразка, наклеювання тензорезисторів на раму вагона-цистерни та на котел, заміри товщини листів котла та рами, установка вимірювального обладнання. Контроль технічного стану включав в себе візуальний огляд вагона-цистерни, заміри товщини металу в контрольних точках котла і рами вагону, проведення магнітопорошкового, ультразвукового та акустикоемісійного контролю несучих металевих конструкцій.
Контрольні випробування включали в себе статичні випробування вертикальним навантаженням, випробування на малоциклічне навантаження тиском котла, типові та ресурсні ударні випробування та випробування на можливі аварійні ситуації.
Випробування вертикальним статичним навантаженням виконувались шляхом заповнення водою котла вагона-цистерни до повного заповнення з подальшим зливом, з реєстрацією дослідних показників.
Випробування на мало циклічне навантаження котла надлишковим тиском виконувалось шляхом заповнення водою котла до повного заповнення, з наступним подаванням води до котла насосною станцією, для створення надлишкового тиску до 2 МПа. Після кожних 75 циклів навантаження робочим тиском, виконувалось навантаження випробуваньним тиском 3МПа.
Ударні випробування проводились зі швидкістю накатування вагона бойка (масою 102 т) на дослідний вагон-цистерну від 1 до 12 км/год, вагон-цистерна при цьому знаходилась в загальмованому стані, та знаходилась в підпорі з загальмованих 4-х вагоні сумарною масою близько 300 т. Повздовжні сили які діяли на вагон-цистерну через автозчепний пристрій до 3,0МН та з декількома ударами до 4,2 МН. При ударних випробуваннях реєструвались деформації в елементах конструкції дослідного вагона-цистерни в найбільш напружених місцях, отриманих при статичних випробуваннях.
Випробування з імітацією аварійних ситуацій. Перед початком та після завершення випробувань виконувалась перевірка герметичності котла шляхом створення надлишкового тиску від 0,5 до 3 МПа. Тиск витримувався на протязі 5 хв.
Котел випробовувався на наступні наднормативні навантаження:
- створення надлишкового тиску до моменту руйнування котла або втрати його герметичності;
- одноразовий удар вагона-бойка масою 90 т у автозчеп вагона-цистерни з швидкістю 22 км/год .
- удари головкою автозчепу вагона-бойка масою 102 т в днище цистерни зі швидкістю 10,2 км/год.
В процесі ресурсних випробувань було проведено аналіз напруженого стану в контрольних точках котла вагона-цистерни. Як видно на рис. 7 напруження в контрольних точках не перевищували допустимого.
Критерієм оцінки міцності цистерни від дії нештатних навантажень являється збереження вантажу та герметичності котла після проведення випробувань, шляхом контрольного створення тиску в котлі.
Висновок. На основі проведення технічного діагностування та контрольних випробувань вагона-цистерни встановлено, що вагон-цистерна за технічним станом є типовим представником експлуатаційного парка залізниць України, які відпрацювали призначений термін служби. Напружений стан котла вагона-цистерни від дії нормативних статичних та ударних навантажень не перевищував допустимі 230 МПа. При випробуваннях на малоциклічне навантаження котла тиском від 0 до 2 МПа, було проведено 225 циклів, що відповідає 5 рокам експлуатації. При випробуваннях з імітацією аварійних ситуацій: удар в днище цистерни, створення граничного тиску в цистерні, до 6 МПа, удару в автозчепний пристрій вагона-цистерни на швидкості 22 км/год, пошкоджень та розгерметизації котла вагона-цистерни не було виявлено.
Література
1. Fomin, O.V. (2011) Modernization of elements wall lateral of universal freight gondola domestic production// Scientific-and-technical (Sci.-Tech.) collected works – Donetsk: DonIZT,. – Vol. No. 26.- pp.111-115 [in Ukrainian]
2. Fomin, O. V. (2015) Vprovadzhennya kruglih trub v nesuchI sistemi napIvvagonIv z zabezpechennyam ratsIonalnih pokaznikIv mItsnostI [Introduction of round pipes in the carrier systems of gondolas with the provision of rational indicators of strength]. Naukoviy zhurnal – «Tehnologicheskiy audit i rezervyi proizvodstva» – Sceince magazine - "Technological audit and production reserves", Vol. 4/1(21), 83-89 [in Ukrainian].
3. Fomín O.V. Matematicheskiye modeli osnovopolagayushchikh pokazaniy bazovykh nesushchikh elementov kuzova / O.V. Fomín, O.A. Logvínenko, R.YU. D'omín, G.P. Boroday, V.V. Fomín, O.V. Burluts'kiy // Naukovo-prakticheskiy zhurnal «Zalíznichniy transport Ukraí̈ni». - Kií̈v: DNDTS UZ, 2013. - № 5/6 (102/103). - S. 95-104.
4. Fomin, O. V., Lovska, A. O., Plakhtii, O. A., Nerubatskyi, V. P. (2017). The influence of implementation of circular pipes in load-bearing structures of bodies of freight cars on their physico-mechanical properties. Scientific Bulletin of National Mining University, 6, 89–96.
5. Makarenko, M. V. (2014) Kompleksnyi analiz ekonomichnoho efektu vid zhyttievoho tsyklu suchasnoho napivvahonu [Comprehensive analysis of the economic impact of the life cycle of a modern gondola]. Naukovo-praktychnyi zhurnal «Zaliznychnyi transport Ukrainy» - Scientific and Practical Journal "Railway Transport of Ukraine", Vol 5, 107 [in Ukrainian].
6. Moroz, V.I. (2009) Matematychnyy zapys zadachi optymizatsiynoho proektuvannya piv-vahoniv za kryteriyem minimal’noyi materialoyemnosti [Mathematical notation of problem of optimizing design of open goods wagons by criterion of the minimum material capacity]. Zbirnyk naukovykh prats - Collection of scientifc papers, Vol. 111, 121-131 [in Ukrainian].
