КОТЕЛ ВАГОНА-ЦИСТЕРНЫ

Настоящая полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, в частности к конструкции котлов вагонов-цистерн.
Из патента РФ № 178939 на полезную модель (публ. 23.04.2018, прототип) известен котел вагона-цистерны, который представляет собой цилиндрическую обечайку, изготовленную из листового материала, к торцам которой посредством сварных швов присоединены днища котла.
Техническая проблема, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в недостаточной прочности конструкции известного котла.
Технический результат, обеспечиваемый заявляемой полезной моделью, заключается в повышении прочности конструкции котла вагона-цистерны и снижении металлоёмкости и трудоёмкости его изготовления.
Указанный технический результат достигается заявляемым котлом вагона-цистерны, который содержит обечайку толщиной s стенки, выполненную с технологическими зонами толщиной S стенки. Заявляемый котел отличается тем, что толщина S стенок технологических зон обечайки превышает толщину s стенки обечайки не более чем в 5 раз.
Технологические зоны, к которым относятся места опирания и крепления котла, зоны размещения люка, сливного прибора, днища котла, подвергнуты повышенным механическим напряжениям в процессе эксплуатации. В частности, днища котла подвергаются большим механическим напряжениям вследствие своей изогнутой формы.
Указанное различие в толщинах стенок обечайки обеспечивает повышенную прочность конструкции котла, за счет усиления стенок, которые при эксплуатации подвергаются большим механическим напряжениям.
Согласно частному варианту реализации, толщина s стенки обечайки заключена в диапазоне от 4 до 32 мм, толщина S стенки технологических зон заключена в диапазоне от 4 до 50 мм. Это позволяет оптимально повысить прочность котла вагона цистерны при обеспечении снижения его металлоемкости.
α
≤  α ≤
ͦ
ͦ
ͦ
Согласно другому частному варианту реализации, угол  наклона к горизонтали переходных участков между участками обечайки толщиной s стенки и участками обечайки толщиной S стенки заключен в диапазоне 3 5 . Наличие такого плавного перехода позволит дополнительно повысить прочность котла за счет устранения концентраторов напряжений в виде значительных изменений толщины стенки обечайки.
Согласно еще одному частному варианту реализации, обечайка выполнена в виде единой бесшовной детали с использованием металлических порошков с применением технологии прямого лазерного выращивания. Выполнение котла вагона-цистерны в виде единой детали с применением технологии прямого лазерного выращивания (3D печать), позволяет изготовить котел с минимальными дефектами (ввиду отсутствия сварных швов) и большой скоростью, что обеспечивает повышение прочности котла (большой запас прочности конструкции котла) и снижение его металлоёмкости, при снижении трудоёмкости его изготовления.
Предлагаемая полезная модель поясняется сопроводительными чертежами, на которых:
фиг. 1 – показывает общий вид котла вагона-цистерны;
фиг. 2 – показывает схему расположения технологических зон котла вагона-цистерны;
фиг. 3 – показывает переходной участок между участками обечайки разной толщины стенки.
Далее со ссылкой на сопроводительные фигуры детально описан предпочтительный вариант осуществления заявляемой полезной модели.
Котёл вагона-цистерны, показанный на фиг. 1, включает в себя цилиндрическую обечайку 1 с днищами 3 с обеих сторон, установленную на раму 2 вагона. Внутренний диаметр обечайки 1 обозначен буквой D и может составлять от 1000 до 3600 мм включительно. Внешний диаметр котла, показанный на фиг. 1, имеет величину D + 2s, где s - толщина стенки обечайки 1. Длина котла обозначена буквой L.
Обечайка 1 имеет гладкие участки, которые при эксплуатации не испытывают повышенных напряжений, с толщиной s стенки, и технологические зоны (участки повышенных механических напряжений) с толщиной S стенки , при этом толщина S выдержана в диапазоне от 1s (исключая это значение) до 5s. Толщина s может быть не менее 4 мм, но в то же время не более 32 мм.
s
≥ s
+с
с -
s
ст
р
р
Толщина стенки котла на всех участках должна удовлетворять условию , где это прибавка для компенсации коррозии и эрозии материала котла при взаимодействии с грузом за срок службы, мм, – расчётная толщина стенки котла, удовлетворяющая требованиям прочности и устойчивости, мм.
s
s
≤  S
≤
s
S
-
S
р
р
р,
Котёл имеет несколько технологических зон. К технологическим зонам, показанным на фиг. 2, относятся зоны 1 опирания котла на раму, зоны 2 крепления котла на раме, зона 3 размещения люка – лаза, зона 4 поддонов и сливных приборов, зоны 5 днищ котла. Расчётная толщина  стенки котла – это параметр, имеющий переменное значение. Для технологических зон 1-5 с более высокими напряжениями расчётная толщина стенки может изменяться в диапазоне 5где эторасчётная толщина стенки технологических зон обечайки. В пределе расчётная толщина стенки может иметь значения от 4 до 50 мм (включительно). При этом необходимо учитывать, что для достижения настоящей полезной моделью заявленного технического результата обязательным является условие, при котором толщина стенки гладких участков обечайки меньше толщины стенки участков повышенных механических напряжений (технологических зон).
Таким образом, участки повышенных механических напряжений имеют стенки с толщиной большей, чем толщина стенки гладких участков обечайки котла. Это обеспечивает повышенную прочность конструкции котла, так как стенки участков повышенных механических напряжений, подвергающиеся наибольшим механическим напряжениям при эксплуатации, имеют большую толщину, чем стенки гладких участков обечайки, подвергающейся наименьшим механическим напряжениям. Такое распределение толщин также позволяет снизить металлоёмкость, поскольку для обеспечения прочности теперь не требуется делать запас по толщине вследствие того, что стенки участков повышенных механических напряжений имеют повышенную толщину ввиду того, что в них наблюдаются повышенные механические напряжения, а там, где повышенных напряжений нет, достаточно минимальной толщины стенки.
Приведённое выше соотношение для расчётной толщины sстенки показывает, что толщина S участков повышенных механических напряжений превышает толщину s стенки гладких участков обечайки не более, чем в пять раз.
Для обеспечения необходимой прочности и снижения металлоёмкости также может предусматриваться устранение концентраторов напряжений в виде значительных изменений толщины.
α
s
s
α
≤  α ≤
р
p
_
x
ͦ
ͦ
ͦ
ͦ
Для этого разница толщины стенки обечайки котла в двух точках в преимущественном варианте составляет не более 9% или 5% от расстояния между этими точками (расстояние измеряется вдоль поверхности котла). Это будет примерно эквивалентно тому, что угол наклона переходного участка от к  на фиг. 3 составляет не более 5 или 3 (включительно). Для того, чтобы изменение толщины было, но без повышенных механических напряжённостей, угол наклона перехода может составлять величину 3 5 .
Котел вагона-цистерны предпочтительно выполнен в виде единой детали, которая может быть определена как единый монолитный металлический элемент и/или бесшовный металлический элемент (то есть без сварных швов). В предпочтительном варианте единый металлический элемент изготовлен с применением технологии прямого лазерного выращивания (3D печать), для осуществления которой в качестве материала преимущественно применяются металлические порошки (например, стальные или содержащие алюминий). Благодаря применению 3D печати удаётся реализовать котёл вагона-цистерны в соответствии с настоящей полезной моделью в виде единой конструкции с минимальными дефектами (отсутствием сварных швов) и большой скоростью выращивания детали, что обеспечивает дополнительное повышение прочности котла (повышение запас прочности конструкции котла) и снижение его металлоёмкости, при снижении трудоёмкости его изготовления.
≤
–
Длина котла предпочтительно выбирается L700мм, где  расстояние по осям сцепления вагона, мм. Длина котла может иметь значения от 5000 до 11320 мм (включительно). Данное условие обеспечит проход горок и кривых сцепленных вагонов.