В двигателях внутреннего сгорания традиционно в качестве рабочего продукта используются производные нефти – бензин или дизельное топливо. В целях повышения экономической эффективности транспортные средства подвергают переоборудованию под сжатый природный газ, особенно часто это происходит для грузовых ТС. Экономия от внедрения газобаллонного оборудования (ГБО) может достигать 40% по сравнению с использованием дизельного топлива.
Вебинар: Оценка прочности и устойчивости металлических конструкций зданий и сооружений по СП 16.13330.2017 с учетом назначения и условий работы
На этом вебинаре рассмотрим основные особенности расчетов прочности металлических конструкций по СП 16.13330.2017
Именно по причине экономической эффективности всё чаще топливные системы грузовых автомобилей трансформируются в системы, работающие на сжатом природном газе. Требования в отношении элементов крепления топливных баллонов регламентируются Правилами ЕЭК ООН №110.
Требования Правил ЕЭК ООН №110
Правила ЕЭК ООН №110 устанавливают требования к элементам специального оборудования механических транспортных средств, двигатели которых работают на сжатом природном газе (СПГ), а также к транспортным средствам (ТС) в отношении установки элементов специального оборудования официально утвержденного типа для использования в их двигателях на СПГ.
Сжатый природный газ используют в качестве топлива чаще всего на грузовых ТС. Топливные баллоны с газом располагаются на внешней части ТС (рисунок 1).
Рисунок 1 – Топливная система на сжатом природном газе
Конструкции, удерживающие топливные баллоны, бывают различных модификаций, однако чаще всего имеют основные общие конструктивные элементы:
- Стальные хомуты, прижимающие баллоны к несущей части конструкции.
- Кронштейны, отвечающие за несущую способность конструкции.
Типовая конструкция, удерживающая топливные баллоны, представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Типовая конструкция для топливных баллонов
Подобные системы крепления баллонов разрабатываются и применяются, в т.ч. на тягачах и фургонах с двухтопливной системой питания марок ГАЗ, Камаз, УАЗ, Volvo, Scania, DAF, MAN, Mercedes-Benz, Iveco, Isuzu, Renault, FORD, Hino.
Обеспечение прочности кассеты для баллонов
Правила ЕЭК ООН №110 описывают основные требования, предъявляемые к ТС, работающим на СПГ. Обеспечение прочности конструкции для крепления топливных баллонов, является одной из ключевых задач проектирования. В подпункте 17.4.4 Правил предъявляется следующее требование к топливным баллонам и удерживающей их конструкции для различных категорий ТС:
«Топливный баллон (топливные баллоны) … должен быть установлен и закреплен (должны быть установлены и закреплены) таким образом, чтобы при полных баллонах могли поглощаться следующие нагрузки (без причинения повреждений):
Транспортные средства категорий M1 и N1:
а) 20g по направлению движения;
б) 8g по горизонтали, перпендикулярно направлению движения.
Транспортные средства категорий M2 и N2:
а) 10g по направлению движения;
б) 5g по горизонтали, перпендикулярно направлению движения.
Транспортные средства категорий M3 и N3:
а) 6,6g по направлению движения;
б) 5g по горизонтали, перпендикулярно направлению движения.»
Также в данном пункте Правил указывается, что разрешается вместо практических (натурных) испытаний на полигоне использовать расчетные методики. Соответственно, задачу испытания конструкции кассеты топливных баллонов на прочность возможно решить с использованием численного моделирования и инженерных расчетов в программной систее Ansys.
Ansys является программным продуктом, с помощью которого решается большой спектр задач с использованием метода конечных элементов (МКЭ). МКЭ – численный метод решения дифференциальных уравнений для решения практических инженерных задач динамики и прочности конструкций.
В качестве нагрузок, действующих на конструкцию, выступают: ускорение и собственный вес конструкции. Также при выполнении данной задачи учитывается:
- Последовательность монтажа топливных баллонов на конструкцию путем поочередного затягивания крепежных элементов.
- Трение между топливными баллонами и прилегающими элементами.
После решения статической задачи прочности, проводится оценка удовлетворения требованиям Правилам ЕЭК ООН №110. На рисунке 3 представлено распределение полных перемещений типовой конструкции при воздействии на нее ускорения перпендикулярно направлению движения ТС. Рисунок 4 демонстрирует возникающие эквивалентные напряжения в типовой конструкции при воздействии данной нагрузки.
Рисунок 3 – Полные перемещения конструкции, мм
Рисунок 4 – Напряжения по Мизесу, МПа
Нагрузки должны поглощаться без причинения повреждений, значит в качестве критерия удовлетворения конструкции нормам можно принять допустимые пластические деформации. Если в результате расчета пластические деформации оказались меньше установленного критерия, значит конструкция удовлетворяет требованиям ЕЭК ООН №110.
Заключение
При проектировании конструкции крепления топливных баллонов к ТС для экономии средств и времени на натурные испытания и последующие конструкционные изменения, рекомендуется применять численное моделирование для проведения виртуальных испытаний конструкции и определения ее соответствия требованиям ЕЭК ООН №110, а также оптимизации. АО "ЦИФРА" имеет успешный опыт выполнения расчетов прочности с выдачей положительного заключения о соответствии требованиям пп. 17.4.4 Правил ЕЭК ООН №110.
