Шимановский А. О., д. т. н., доц., УО БелГУТ, Тимошенко В. Я., к. т. н., доцент УО БГАТУ, Новиков А. В., к. т. н., доцент УО БГАТУ, Кузнецова М. Г., ассистент, УО БелГУТ,
Кошля Г. И., ассистент УО БГАТУ Аннотация
В статье рассмотрены вопросы безопасности перевозки жидкостей в железнодорожных и автомобильных цистернах и пути совершенствования их конструкций.
The article discusses the safety of transport of liquids in rail and road tankers and how to improve their designs.
Введение
Несмотря на постоянное развитие трубопроводного транспорта, более половины объема жидких грузов перевозится железнодорожными и автомобильными цистернами. Вследствие различных физических и химических свойств транспортируемых жидкостей для их перевозки используются различные виды железнодорожных и автомобильных цистерн. Железнодорожные цистерны отличаются от автомобильных большим объемом, так как они проектируются исходя из обеспечения максимально допустимой нагрузки на ось колесной пары. Резервуары автомобильных цистерн предназначены для перевозки грузов на различные расстояния и различным потребителям. В зависимости от конкретных условий, в которых предполагается эксплуатировать автоцистерны, их грузоподъемность может изменяться от 1 до 75 т.
| В областин грузоперевозок иногда используют целую колонну автомобильных цистерн, которые в свою очередь оснащены дополнительными цистернами прицепами. Данная схема транспортировки намного выгоднее, чем, если бы одна или две машины доставляли груз в какой либо отдалённый район.Основная часть
Все цистерны могут быть классифицированы по ряду признаков. По конструктивным их разделяют на рамные и несущие. По назначению — на шесть основных видов, характеристики которых приведены в таблице 1. |
Немалая часть автоцистерн производится для нужд сельского хозяйства. Тут и перевозка молока, и перевозка химических удобрений и даже нефтепродуктов для сельскохозяйственной техники. Существуют специальные версии автоцистерн, оборудованные более мощным двигателем и более проходимыми колёсами. Всё это облегчает доставку грузов в отдалённые районы. Для повышения эффектив-
Таблица 1. Виды цистерн
для перевозки жидких грузов
|
Кроме отмеченных признаков резервуары цистерн различаются:
— по материалу — из обычной стали, свариваемой высокопрочной стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов, обычной стали с внутренним покрытием эмалью, эбонитом, свинцом, эпоксидной пленкой, полимерными материалами и т. д.;
— по форме — постоянного или переменного сечения, с круглым, эллиптическим, прямоугольным и др. поперечным сечением;
— по наличию перегородок — с одним отсеком, с дополнительным отсеком, с несколькими отсеками, с перегородками (волнорезами);
— по давлению в резервуаре — без избыточного давления и с избыточным давлением.
— по термоизоляционным свойствам — криогенные, термоизолированные, изотермические, обогреваемые паром, горячей водой, электричеством или с самообогревом.
Железнодорожные цистерны отличаются от автомобильных большим объемом, так как они проектируются исходя из обеспечения максимально допустимой нагрузки на ось колесной пары. Резервуары автомобильных цистерн предназначены для перевозки грузов на различные расстояния и различным потребителям. В зависимости от конкретных условий, в которых предполагается эксплуатировать автоцистерны, их грузоподъемность может изменяться от 1 до 75 т.
Немалая часть автоцистерн производится для нужд сельского хозяйства. Тут и перевозка молока, и перевозка химических удобрений и даже нефтепродуктов для сельскохозяйственной техники. Существуют специальные версии автоцистерн, оборудованные более мощным двигателем и более проходимыми колёсами. Всё это облегчает доставку грузов в отдалённые районы. Для повышения эффективности грузоперевозок иногда используют целую колонну автомобильных цистерн, которые в свою очередь оснащены дополнительными цистернами прицепами. Данная схема транспортировки намного выгоднее, чем, если бы одна или две машины доставляли груз в какой либо отдалённый район.
Особенностью жидкостей является их существенное расширение при нагревании, поэтому при погрузке в резервуаре оставляется свободное пространство. Это позволяет избежать разрывов оболочек их котлов, вызванных значительным ростом внутреннего давления при внешних тепловых воздействиях.
Так как различные жидкости расширяются по-разному, то уровень заполнения железнодорожных цистерн зависит от вида перевозимой жидкости [1]. При транспортировке жидкостей, имеющих повышенную плотность, например кислот, жидкого каустика (1,1 м3/т), хлорбензола (1,13 м3/т), масса цистерны с жидкостью может превысить нормативные пределы грузоподъемности. Поэтому нередко приходится перевозить цистерны, заполненные ниже установленного уровня.
Аналогичные ситуации регулярно возникают в поливочных машинах и автотопливозаправщиках, особенностью рабочего процесса которых является постепенное расходование транспортируемой жидкости в процессе работы.
При транспортировке частично заполненной цистерны возрастает вероятность возникновения опасной ситуации. Колебания жидкого груза внутри резервуара могут приводить к существенному снижению продольной и поперечной устойчивости и управляемости транспортного средства и вести к увеличению нагрузок на конструкцию цистерны. Например, вследствие относительного перемещения жидкости по направлению движения автомобиль, остановившийся на скользкой поверхности перед светофором, может быть вытолкнут силами инерции колеблющегося груза на перекресток. Влияние перемещения жидкости в цистерне на динамику
транспортного средства существенно растет при увеличении веса транспортного средства и его размеров [2].
Встречающиеся при эксплуатации транспортных средств случаи аварий цистерн могут привести к значительному ущербу для окружающей среды, связанному с утечкой перевозимых токсичных грузов. Кроме того, аварии, происходящие при транспортировке опасных грузов, могут приводить к взрывам и пожарам. В 1978 году в Испании произошла авария автоцистерны с полуприцепом, перевозившей пропилен, в результате которой погибло 216 человек. Транспортная авария в 1991 году в Ливорно (Италия) при перевозке бензинолигроиновой фракции привела к гибели 141 человека.
Поскольку в результате аварий, происходящих при эксплуатации подвижного состава, перевозящего жидкие грузы, наносится значительный ущерб подвижному составу и грузам, окружающей среде и здоровью людей, то проблема обеспечения безопасности движения транспортных средств, перевозящих жидкости, весьма актуальна.
Цистерны без устройств для гашения колебаний жидкости отличаются большими перемещениями центра масс груза в резервуаре. Это приводит к значительным продольным гидродинамическим нагрузкам, действующим на днища. С целью снижения этих нагрузок внутри цистерн устанавливают перегородки, как проницаемые, так и непроницаемые [3]. В некоторых случаях для снижения опасности опрокидывания дополнительно устанавливают волнорезы, ограничивающие перемещение жидкости в поперечном направлении. Однако санитарные нормы запрещают использование перегородок в цистернах, предназначенных для перевозки продуктов питания (например, молока) из-за трудностей при очистке внутренней части резервуара. В связи с этим перевозка жидкостей в резервуарах требует специальных навыков водителя, учитывающих специфику динамических свойств автоцистерн. Наибольшей сложностью отличается управление цистернами без перегородок, особенно при разгоне и торможении. Есть свои особенности и при эксплуатации цистерн, разделенных на отсеки. В частности, водитель должен следить за тем, чтобы разность нагрузок, приходящихся на передние и задние колеса транспортного средства, не была очень большой.
Нами предложены новые технические решения, которые позволяют существенно снизить влияние колеблющейся жидкости как на устойчивость движения цистерн, так и на- груженность их конструкций.
Белорусский государственный аграрный технический университет (БГАТУ, г. Минск) является обладателем патента на полезную модель [3], в котором предложено снизить силы инерции жидкостей, возникающих при переходных режимах движения цистерн, путем использования специального устройства, устанавливаемого в резервуаре цистерны (рис.1).
Суть предложения состоит в установке внутри цистерны подвижных перегородок, связанных между собой единым стержнем, выходящим наружу и передающим возникающие силы инерции на платформу через торсионы.
Предложенное устройство работает следующим образом. Силы инерции, которые возникают при изменении скорости движения или трогании с места транспортного средства, перевозящего жидкий груз, залитый через горловину 5 и находящийся в объеме между цилиндрической оболочкой 1, передней 2 и задней 3 стенками, действуют на поперечные перегородки 4, жестко соединенные с продольным стержнем 6, вызывая при этом его перемещение в направлении действия сил. Торсионы 10, верхние концы которых шарнирно соединены с концами 7 и 8 продольного стержня 6 и жестко — с платформой 12 будут воспринимать силы инерции жидкости и передавать их на платформу, обеспечивая тем самым эффективное их гашение, исключая разрушение стенок цилиндрической оболочки 1 и обеспечивая безопасность перевозок.
В Белорусском государственном университете транспорта предложен теоретический подход, позволяющий осуществить оптимизацию конструкций перегородок путем увеличения доли кинетической энергии, переходящей в тепло при перетекании жидкого груза через отверстия перегородки [4]. В качестве прототипа принята перегородка сферической формы с одним отверстием, расположенным в центре перегородки [5]. Недостатком указанного решения является наличие в перегородке только одного отверстия большого диаметра, которое позволяет гасить колебания жидкостей, однако этот процесс происходит недостаточно интенсивно, а отверстие главным образом обеспечивает поддержание одинакового уровня жидкости в отсеках цистерны.
Авторами статьи в патенте на полезную модель [6] пред-
| ложено сферическую поперечную перегородку делать перфорированной. На рисунке 2 показан резервуар 1 с установленной внутри него перфорированной перегородкой 2. В перегородке выполнены отверстия 3 одинакового диаметра, равномерно распределенные по площади перегородки. |
Рисунок 2. Перегородка резервуара автоцистерны
На основе выполненных расчетов установлено, что при диаметре перфорации до 5 см поведение жидкости в цистерне с перфорированной перегородкой практически не отличается от случая движения при сплошной перегородке, разделяющей резервуар цистерны на два отдельных отсека. Определено, что наилучшее гашение колебаний жидкости в резервуаре в широком диапазоне плотностей и вязкостей реализуется при диаметре отверстий перфорации 8-11 см. При диаметре отверстий, превышающем 15 см, гашение колебаний происходит значительно медленнее. Эффект от наличия перфорации проявляется при площади отверстий, большей 30% от площади перегородки. В этом случае диссипация энергии более чем в 2,5 раза превышает значение, полученное для прототипа. Дальнейшее увеличение площади отверстий приводит к незначительному росту диссипации энергии. . Расчеты показывают, что в резервуаре с рассматриваемой перфорированной перегородкой имеет место снижение до 4,5 раз максимальных давлений при торможении автоцистерны по сравнению с резервуаром, разделенном сплошной перегородкой. Поэтому при площади отверстий перегородки, не превышающей 50% площади самой перегородки, условия прочности выполняются.
Следовательно, предложенная конструкция перегородки наиболее эффективна при равномерном расположении отверстий круглой формы диаметром 8-11 см, которые занимают 30-50% площади перегородки, что отражено в формуле полезной модели [6].
Таким образом, предложенные конструкции позволяют преобразовать кинетическую энергию транспортируемого жидкого груза в иные виды энергии, что дает возможность более эффективно гасить колебания жидкостей по сравнению с существующими, и, в конечном счете, улучшить устойчивость и управляемость автомобильных цистерн.
Заключение
Применение цистерн с устройством передачи инерционных сил на платформу позволит избежать аварии, часто встречающиеся при использовании традиционных цистерн.
Предложенные конструкции перегородок значительно снижают колебания жидкости и её кинетическую энергию при торможении и трогании с места.
ЛИТЕРАТУРА
Перегородки резервуара автоцистерны: пат. 9993 Респ. Беларусь МПК 7 В 60Р 3/22/ М.Г. Кузнецова, А.О. Шимановский; заявитель УО «Белорусский государственный