КОНТЕЙНЕР-ЦИСТЕРНА

Заявляемая полезная модель относится к цистерне для хранения и транспортирования жидкостей и может быть использована на железнодорожном, автомобильном и водном транспорте.
Из области техники известна конструкция контейнера-цистерны [Патент РФ на изобретение №2215677 от 10.11.2003] содержащего цистерну с днищами, две прямоугольные торцовые рамы, через центры которых проходит продольная ось контейнера, не совпадающая с продольной осью цистерны, имеющие верхние и нижние поперечины, вертикальные стойки с закрепленным по углам грузозахватными элементами и верхние и нижние диагональные распорки, соединяющие вертикальные стойки с поперечными. Переходные обечайки связаны посредством сварного соединения с днищами и прямоугольными торцовыми рамами. С каждой стороны цистерны попарно расположены четыре опорные балки, закрепленные на нижних углах торцовых рам и цистерне. Опорные узлы выполнены в виде переходных цилиндрических обечаек, одна из которых выполнена цельной, а другая - составной. Наружный диаметр цельной переходной обечайки и внутренний диаметр части составной переходной обечайки совпадают с внутренним диаметром цилиндрической обечайки цистерны. В торцовых рамах верхняя и нижняя поперечины, диагональные распорки и вертикальные стойки смещены относительно центров грузозахватных элементов внутрь контейнера до совмещения в одну плоскость с боковыми поверхностями грузозахватных элементов, обращенных к цистерне. Все элементы рам, котла контейнера цистерны и переходные обечайки выполнены из стали.
К недостатком данной конструкции контейнера цистерны можно отнести изготовление ее котла из стальных листов. Это обусловлено тем, что котел контейнера-цистерны выполнен несущим, воспринимая на себя нагрузки, которые могут возникать прежде всего при транспортировке грузов в контейнере-цистерне. Несущий котел выполнен с увеличенными толщинами обечайки и днищ, и как результат, контейнер цистерна имеет повышенную материалоемкость, что в конечном итоге снижает грузоподъемность контейнера-цистерны и объем перевозимого груза. Кроме того, поскольку рама контейнера цистерны жестко связана с котлом посредством диагональных раскосов, приваренных к обечайке котла, на самом котле необходимо наваривать платики, тем самым значительно увеличивая количество сварных швов котла контейнера-цистерны.
Наличие сварных швов посредством которых собирается котел контейнера-цистерны и привариваются элементы насыщения в конечном итоге снижает эксплуатационные характеристики контейнера-цистерны.
В случае использования контейнера-цистерны для перевозки и хранения химически агрессивных грузов необходимо применять дорогостоящие нержавеющие стали либо наносить дополнительное внутренние защитное химическое покрытие, что тоже ведет к усложнению технологического процесса изготовления котла контейнера-цистерны.
Также из уровня техники известна конструкция контейнер-цистерна для хранения и транспортировки жидкостей [Патент РФ на изобретение №2096295 от 20.11.1997], включающего в себя раму с грузозахватными узлами, установленную на раме емкость, состоящую из цилиндрической части и днищ. На цилиндрической части емкости размещены опорные кольца с составными бандажными кольцами, части каждого из которых соединены между собой посредством болтов, и седловые вставки, жестко скрепленные с бандажными кольцами и угловыми частями рамы. В стенке цилиндрической части емкости со стороны каждого днища выполнен кольцевой паз для крепления в нем опорного кольца. Каждое опорное кольцо имеет выполненный по наружной его поверхности кольцевой паз с коническими поверхностями, а каждое бандажное кольцо по внутренней его поверхности - кольцевой выступ с цилиндрическим центральным и коническими боковыми участками. Вместе с этим, каждое бандажное кольцо размещено в кольцевом пазу опорного кольца с возможностью взаимодействия по сопряженным коническим поверхностям и с образованием кольцевого зазора между поверхностями цилиндрического центрального участка выступа и коническими поверхностями кольцевого паза опорного кольца. Котел контейнера цистерны и опорные кольца выполнены из композиционного материала на основе волокнистого армирующего материала и полимерного связующего.
Данная конструкция контейнера цистерны выбрана в качестве прототипа для заявляемой полезной модели.
Недостатком технического решения описанного в прототипе, является наличие кольцевого паза выполненного на концах обечайки в котором размещаются элементы крепления котла контейнера-цистерны к его торцевым рамам. Обечайка в зоне кольцевых пазов имеет существенное уменьшение поперечного ее сечения. Поскольку котел контейнера-цистерны выполнен несущим и на зону кольцевых пазов приходятся существенные нагрузки, передаваемые от рамы контейнера-цистерны, при ее эксплуатации в зоне кольцевых пазов будут появляться высокие напряжения, близкие к критическим, которые могут привести к разрушению котла.
Кроме того, дополнительные напряжения в котле могут возникнуть в виду отсутствия в конструкции контейнера-цистерны подкрепляющих элементов в средней его части, что нежелательно при изготовлении котла контейнера-цистерны из композиционного материала. Для обеспечения целостности композитного котла при нагрузках при подъеме контейнера-цистерны за фитинговые крепления несущим должен быть каркас контейнера-цистерны с дополнительными опорами нижней цилиндрической части котла
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключатся в создании конструкции контейнера-цистерны позволяющей расширить ее эксплуатационные возможности путем увеличения полезного объема контейнера-цистерны и грузоподъемности, вида перевозимого (хранимого) груза, в том числе за счет применения альтернативных стали материалов. Не менее важной задачей является повышение эксплуатационной надежности конструкции контейнера-цистерны, обеспечив его необходимым запасом прочности всех ее несущих элементов и равномерно распределив нагрузку между ними.
Поставленная задача решается следующим образом.
Корпус котла контейнера-цистерны представляет собой цилиндрическую обечайку, выполненную из композиционного материала. Торца обечайки образуют днища, также изготовленные из композиционного материала. К каждому из днищ котла к внешней его поверхности примыкает опорное соединительное кольцо котла, которое также изготовлено из композиционного материала. Опорное соединительное кольцо котла может охватывать дополнительно своей внутренней поверхностью цилиндрическую часть днища и обечайку котла в зоне их соединения между собой. Цилиндрическая часть котла усилена кольцевыми шпангоутами. Обечайка, днища, опорные соединительные кольца котла, а также кольцевые шпангоуты обечайки представляют собой единую цельную высокопрочную конструкцию, которая в целом получена путем филаментной и кольцевой намотки ровинга. Обечайка контейнера-цистерны опирается на установленные в центральной части в зонах кольцевых шпангоутов кронштейны, размещенные на промежуточных боковых продольных брусьях, расположенных ниже уровня центральной продольной оси котла и дополнительно связывающих между собой торцевые рамы цельносварной конструкции с угловыми фитингами. Промежуточные боковые продольные брусья, в зонах опирания котла контейнера-цистерны, подкреплены вертикальными и наклонными поясами. Нижние боковые продольные брусья, соединяющие по нижним угловым фитинговым упорам торцевые рамы контейнера-цистерны соединены с нижними поперечными поясами торцевых рам с помощью угловых распорок, а верхние боковые продольные брусья, соединяющие торцевые рамы по верхним угловым фитинговым упорам соединены между собой как минимум одной поперечной балкой. Котел контейнера-цистерны соединен с его торцевыми рамами посредством замыкающего опорного кольца торцевой рамы, которое охватывает своей внутренней поверхностью наружную поверхность опорного соединительного кольца котла контейнера-цистерны. В зависимости от диаметра котла контейнера-цистерны, как вариант, внутренняя поверхность опорного соединительного кольца котла может охватывать наружную поверхность замыкающего опорного кольца торцевой рамы. Опорное соединительное кольцо котла и замыкающее опорное кольцо торцевой рамы соединены между собой по всей длине сопряжения с помощью или болтов с гайками, или заклепок, или ШОГ-соединений.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что контейнер-цистерна содержит две прямоугольные торцовые рамы. Торцевые рамы соединены между собой с помощью боковых нижних и верхних продольных брусьев и имеют верхние и нижние поперечные пояса, вертикальные стойки с закрепленными по углам грузозахватными угловыми фитинговым упорами и верхние и нижние диагональные распорки, соединяющие вертикальные стойки с поперечными поясами. Нижние боковые продольные брусья соединены с нижними поперечными поясами торцевых рам с помощью угловых распорок, а верхние боковые продольные брусья соединены между собой как минимум одной поперечной балкой. Также торцевые рамы контейнера цистерны соединены дополнительными промежуточными боковыми продольными брусьями на которые опирается котел контейнера-цистерны в зонах кольцевых шпангоутов. Промежуточные боковые продольные брусья расположенные ниже уровня центральной продольной оси котла и подкреплены в зонах опирания котла контейнера-цистерны, вертикальными и наклонными поясами. Корпус котла контейнера-цистерны выполненный в виде цилиндрическую обечайки изготовлен из композиционного материала путем кольцевой намотки. Торца обечайки образуют днища, также изготовленные из композиционного материала. К каждому из днищ котла к внешней его поверхности примыкает опорное соединительное кольцо котла, которое также изготовлено из композиционного материала. Опорное соединительное кольцо котла может охватывать дополнительно своей внутренней поверхностью цилиндрическую часть днища и обечайку котла в зоне их соединения между собой. Цилиндрическая часть котла усилена кольцевыми шпангоутами. Обечайка, днища, опорные соединительные кольца котла, а также кольцевые шпангоуты обечайки представляют собой единую цельную высокопрочную конструкцию, которая в целом получена путем филаментной и кольцевой намотки ровинга. Котел контейнера-цистерны соединен с его торцевыми рамами посредством сопряжения замыкающего опорного кольца торцевой рамы и соединительного опорного кольца котла. По основному варианту исполнения внутренняя поверхность замыкающего опорного кольца торцевой рамы охватывает наружную поверхность опорного соединительного кольца котла контейнера-цистерны. В зависимости от диаметра котла контейнера-цистерны, как вариант, внутренняя поверхность опорного соединительного кольца котла может охватывать наружную поверхность замыкающего опорного кольца торцевой рамы. Опорное соединительное кольцо котла и замыкающее опорное кольцо торцевой рамы соединены между собой по всей длине сопряжения с помощью или болтов с гайками, или заклепок, или ШОГ-соединений. Замыкающее опорное кольцо одной из торцевой рам может быть изготовлено составным из двух колец одинакового диаметра, либо разного диаметра, с нахлестом одного по отношению к другому. Все элементы торцевых рам, а также соединяющие и усиливающие брусья и пояса, как и опорные замыкающие кольца торцевых рам выполнены из стали.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг. 1 - аксонометрическая проекция контйнера-цистерны с разрезом;
фиг. 2 - зона опирания котла контейнера-цистерны на промежуточные боковые продольные брусья;
фиг. 3 - зона соединения обечайки, днища и опорного соединительного кольца котла контейнера-цистерны.
Контейнер-цистерна состоит из котла 1 корпус 2 которого выполнен из композиционного материала. Корпус 2 представляет из себя цилиндрическую обечайку 3 усиленную кольцевыми шпангоутами 4. Торца цилиндрической обечайки 3 соединены с днищами 5. К внешней поверхности 6 каждого из днищ 5 примыкает опорное соединительное кольцо 7 котла 1, также выполненное из композиционного материала. Контейнер-цистерна кроме того включает в себя две прямоугольные торцовые рамы 8 к которым привариваются при сборке контейнера-цистерны замыкающие опорные кольца 9. Прямоугольные торцовые рамы 8 соединены между собой с помощью боковых нижних 10, верхних 11 и промежуточных 12 продольных брусьев. Торцевые рамы 8 образованы верхними 13 и нижними 14 поперечными поясами, вертикальными стойками 15 с закрепленными по углам грузозахватными угловыми фитинговым упорами 16 и верхними 17 и нижними 18 диагональными распорками. Диагональные распорки 17 и 18 соединяют вертикальные стойки 15 с поперечными поясами 13 и 14. Цилиндрическая обечайка 3 котла1, торцевые днища 5, опорные соединительные кольца 7 котла, а также кольцевые шпангоуты 4 обечайки 3 представляют собой единую цельную конструкцию, которая в целом получена путем филаментной и кольцевой намотки ровинга.
Опорное соединительное кольцо 7 котла 1 может охватывать своей внутренней 19 поверхностью цилиндрическую часть 20 днища 5 и обечайку 3 котла в зоне 21 их соединения между собой.
Котел 1 соединен с торцевыми рамами 8 посредством сопрягающихся между собой соединительного опорного кольца 7 и замыкающего опорного кольца 9 торцевой рамы 8 и опирается в зонах 22 кольцевых шпангоутов 4 на промежуточные боковые продольные брусья 12. Опорное соединительное кольцо 7 котла 1 и замыкающее опорное кольцо 9 торцевой рамы 8 соединены между собой по всей длине сопряжения с помощью крепежных элементов которыми могут быть или болты с гайками, или заклепки, или ШОГ-соединения. По одному варианту исполнения внутренняя поверхность 19 опорного соединительного кольца 7 котла 1 охватывает наружную поверхность 23 замыкающего опорного кольца 9 торцевой рамы 8. По другому варианту исполнения внутренняя поверхность 24 замыкающего опорного кольца 9 торцевой рамы 8 охватывает наружную поверхность опорного 25 соединительного кольца 7 котла 1 контейнера-цистерны.
Замыкающее опорное кольцо 9 одной из торцевой рам 8 может быть изготовлено составным из двух колец одинакового диаметра, либо разного диаметра, с нахлестом одного по отношению к другому.
Промежуточные боковые продольные брусья 12 дополнительно связывают между собой торцевые рамы 8 и подкреплены в зонах опирания 26 котла 1, вертикальными 27 и наклонными 28 поясами. Промежуточные боковые продольные брусья 12 расположены ниже уровня центральной продольной оси котла 1. Нижние боковые продольные брусья 10 соединены с нижними поперечными поясами 14 торцевых рам 8 с помощью угловых распорок 29, а верхние боковые продольные брусья 11 соединены между собой как минимум одной поперечной балкой 30.
Технический результат от решения поставленной задачи заключается в том, что создана конструкция контейнера-цистерны с котлом из композиционного материала с повышенным уровнем эксплуатационной надежности и обладающая необходимым запасом прочности всех ее несущих элементов, за счет равномерного распределения нагрузки между ними.
При этом для обеспечения целостности композитного котла от воспринимаемых нагрузок при подъеме контейнера-цистерны за фитинговые упоры несущим выполнен каркас контейнера-цистерны образованный торцевми рамами продольными боковыми брусьями.
Предлагаемая силовая схема с несущей рамой в форме прямоугольного параллелепипеда с креплением котла к торцевым рамам посредством сопряженных между собой соединительного и замыкающего опорных колец (соответственно изготовленных из композиционного материала и металла, скрепленные по радиусу болтовыми соединениями) с дополнительным опиранием нижней цилиндрической части котла на продольные боковые брусья имеет преимущества по отношению к конструкциям с несущим котлом в связи со снижением толщины стенок композитного котла. Общее снижение веса контейнера-цистерны, с учетом дополнительных продольных промежуточных боковых брусьев и подкрепляющих их поясов, составит 25%, что позволит перевозить грузы, имеющие более высокую плотность, как например, серная кислота с концентрацией более 50% и т.п.
Композиционный материал, из которого изготавливается котел можно изготавливать с внутренний химически стойкий слоем, что позволит перевозить грузы, с высокой степенью коррозионного воздействия на стальные материалы, как например соляную кислота с концентрацией до 37%. В настоящее время данный груз перевозится в контейнерах-цистернах с котлом из дорогостоящей нержавеющей стали и внутренним гумированием.
Изготовление обечайки котла, днища и опорных соединительных колец котла, а также кольцевых шпангоутов обечайки единой цельную конструкцией, полученной путем филаментной и кольцевой намотки ровинга позволило создать котел обладающий высокими прочностными характеристиками при продольных нагрузках 4g при соударении, в том числе в зоне соединения торцев обечайки котла и днищ, за счет того что примыкающие к ним соединительные опорные кольца могут охватывать их в зоне соединения, тем самым увеличивая поперечное сечение котла в указанной зоне.
Наличие кольцевых шпангоутов расположенных на обечайки котла позволяет снизить толщину его стенок и тем самым снизить массу тары и увеличить грузоподъемность контейнера-цистерны. Опирание котла контейнера-цистерны на промежуточные боковые продольные брусья в зонах кольцевых шпангоутов исключает возникновение повышенных напряжений в обечайке котла и позволяет перераспределить нагрузки между котлом контейнера-цистерны и соединенными между собой торцевыми рамами.
Сборка опорного соединительное кольца котла и замыкающего опорного кольца торцевой рамы с помощью крепежных элементов обеспечивает надежное крепление опорных колец выполненных из разных конструкционных материалов (композита и стали).
Взаимное расположение опорных колец контейнера-цистерны относительно друг друга позволяет применять в конструкции контейнера-цистерны котлы различных наружных диаметров, но не выходящих за габаритные размеры рамы контейнера-цистерны.
Применение различных подкрепляющих и соединяющих поясов исключает вероятность появления повышенных напряжений в эксплуатации в элементах торцевых рам и соединяющих их продольных боковых брусах.
В настоящее время на данную конструкцию контейнера-цистерны разрабатывается конструкторская документация и ведется подготовка производства для изготовления опытных образцов, которые должны будут пройти всесторонние испытания.