ДНИЩЕ ВАГОНА-ЦИСТЕРНЫ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к конструкции железнодорожных вагонов-цистерн.
Уровень техники
Из патента России № 142917, B61D 5/00, опубл. 10.07.2014 (прототип), известен вагон-цистерна с котлом в виде цилиндрической обечайки с днищами. Днища изготовлены из прокатного листа стали или алюминиевого сплава методом штамповки или раскатки, и содержат несколько частей, соединённых стыковыми сварными швами.
Основными недостатками такого решения являются высокая металлоёмкость конструкции днища и трудоёмкость его изготовления, неоптимальная форма, дефекты поверхности, наличие сварных швов днища. При изготовлении днища путём штамповки или раскатки наибольшее утонение листов происходит на краях днища в областях, имеющих наибольший изгиб поверхности и подвергающихся наибольшим механическим напряжениям. Это приводит к снижению прочности конструкции и повышению расхода металла для компенсации такой неоптимальной конструкции днища вагона-цистерны.
Таким образом, актуальной является разработка днища вагона-цистерны с повышенной прочностью конструкции, при изготовлении которого обеспечивается снижение расхода металла.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение прочности конструкции днища вагона-цистерны и снижение металлоёмкости и трудоёмкости его изготовления. Указанный результат достигается за счёт изготовления днища вагона-цистерны прямым лазерным выращиванием в виде бесшовной единой детали, у которой стенка краевого участка толще стенки центрального участка, вследствие чего участок стенки, подвергающийся наибольшим механическим напряжениям, имеет большую толщину, чем центральный участок, подвергающийся наименьшим механическим напряжениям.
,
Таким образом, предметом настоящей полезной модели является днище вагона-цистерны, выполненное в виде детали диаметром D, содержащей центральный участок и краевой участок, плавно сопряжённый с центральным участком, причем днище вагона-цистерны выполнено прямым лазерным выращиванием в виде бесшовной единой детали, при этом краевой участок днища вагона-цистерны выполнен с толщиной большей, чем толщина центрального участкано не более, чем в два раза. В одном из вариантов реализации в качестве материала, из которого выполнено днище вагона-цистерны, использованы металлические порошки. Диаметр днища D может иметь размер от 1000 мм до 3600 мм. Для устранения концентраторов напряжений в виде значительных изменений толщины разница толщин стенки днища в двух точках в радиальном направлении днища может составлять не более 9% от расстояния между этими точками и не менее 5% от расстояния между этими точками.
Краткое описание чертежей.
Предлагаемая полезная модель поясняется следующими графическими материалами:
Фиг. 1 – общий вид вагона-цистерны;
Фиг. 2 – общий вид днища снаружи;
Фиг. 3 – общий вид днища изнутри;
Фиг. 4 – вид днища сбоку;
Фиг. 5 – эпюра напряжённо-деформированного состояния днища;
Фиг. 6 – область перехода толщин стенки днища.
Осуществление полезной модели
Вагон-цистерна, показанный на фиг. 1, включает в себя котёл 1, который содержит днища 3, присоединенные с обеих сторон к котлу, и установлен на раму 2.
На фиг. 2 - 4 показан вид днища вагона-цистерны снаружи, изнутри и сбоку, соответственно. На фиг. 3 диаметр днища обозначен буквой D и может составлять от 1000 мм до 3600 мм. Наиболее предпочтительный диаметр котлов и, соответственно, диаметр днищ вагонов-цистерн может составлять от 2200 мм до 3400 мм. Глубина днища обозначена буквой H, толщины стенки днища - буквой s на фиг. 4.
Диапазон 1000 мм – 3600 мм перекрывает любые возможные диаметры D котлов вагонов-цистерн, при этом технический результат полезной модели достигается для любых значений диаметра днища из указанного диапазона.
На фиг. 5 показано распределение напряжений в днище вагона-цистерны, находящемся в напряжённо-деформированном состоянии. На фигуре выделены зоны с различающимися напряжённостями. В частности, на центральном участке днища наблюдаются «зона 1» с низкой напряжённостью и «зона 2» с минимальной напряжённостью (кольцо 4 в «зоне 2»). Краевой участок днища, характеризующийся изгибом стенки, содержит «зону 3», в которой наблюдается умеренное повышение напряжённости при переходе от центрального участка к краю днища, и «зону 4», в которой имеется участок с максимальной напряжённостью (кольцо 5 в «зоне 4»).
В отличие от вагонов-цистерн из уровня техники, в которых днища изготавливаются штамповкой или раскаткой металлического листа и, вследствие этого, имеют минимальную толщину в местах максимального изгиба днища, т.е. в «зоне 4» (фиг. 5)  с максимальными механическими напряжениями, днище вагона-цистерны в соответствии с настоящей полезной моделью имеет бóльшую толщину стенки на краевом участке днища, то есть в «зоне 4», где возникают наибольшие внутренние механические напряжения, а меньшая толщина стенки предусмотрена на центральном участке, то есть в «зонах 1 и 2», где внутренние механические напряжения малы.
Рассмотрим, как это реализовано.
Толщина стенки днища должна удовлетворять условию:
s ≥ s
+ с
р
,
где: с - прибавка для компенсации коррозии и эрозии материала котла при взаимодействии с грузом за срок службы, мм,
s
р
– расчётная толщина стенки днища в зоне с минимальными напряжениями.
s
р_
x
Расчётная толщина  стенки – это параметр, имеющий переменное значение. Для зон с более высокими напряжениями расчётная толщина стенки может изменяться в диапазоне, удовлетворяющему условию:
s
≤   s
≤   2 s
р
p
_
x
р,
s
p
_
x
где расчётная толщина стенки. При толщине ниже минимальной возникают напряжения, превышающие допускаемые, а при толщине выше максимальной - повышенная металлоемкость.
s
s
р
р
Например, в зоне 3 на фиг. 5, переходной от центрального участка («зон 1 и 2»), где толщина стенки равна , к «зоне 4», входящей также, как и «зона 3», в краевой участок и предназначенной для соединения со стенкой котла вагона-цистерны, толщина стенки может составлять до 2  (включительно).
Таким образом, краевой участок днища имеет стенку с толщиной большей, чем толщина стенки центрального участка днища. Это обеспечивает повышенную прочность конструкции днища, так как краевой участок стенки днища, подвергающийся наибольшим механическим напряжениям вследствие изогнутой формы, имеет большую толщину, чем более плоский центральный участок, подвергающийся наименьшим механическим напряжениям. Такое распределение толщин также позволяет снизить металлоёмкость, поскольку для обеспечения прочности теперь не требуется делать запас по толщине по всей площади днища вследствие того, что стенка днища согласно настоящей полезной модели имеет повышенную толщину только там, где наблюдаются повышенные механические напряжения, а там, где повышенных напряжений нет, достаточно минимальной толщины стенки.
s
p
_
x
Приведённое выше соотношение для расчётной толщины стенки показывает, что толщина стенки краевого участка днища превышает толщину стенки центрального участка днища предпочтительно не более чем в два раза. Это дополнительно снижает металлоёмкость днища вагона цистерны при обеспечении его необходимой прочности.
1
2
Для обеспечения необходимой прочности и снижения металлоёмкости также может предусматриваться устранение концентраторов напряжений в виде значительных изменений толщины стенки днища. Для этого разница толщин t и t стенки днища между двумя точками, в частности, между точкой центрального участка и точкой краевого участка, расположенными в радиальном направлении днища, в преимущественном варианте реализации составляет не более 9% и не менее 5% от расстояния L между этими точками (см. фиг. 6).
Таким образом, для обеспечения плавности перехода толщины днища в радиальном направлении должно выполняться соотношение:
≤
t
-  t
/ L  ≤
1
2
0,05 ()0,09,
Днище вагона-цистерны согласно настоящей полезной модели изготовлено в виде единой бесшовной детали по 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 выполнить днище вагона-цистерны в соответствии с настоящей полезной моделью в виде единой конструкции, в которой обеспечены необходимые соотношения, а также необходимая плавность перехода толщин днища в различных его зонах, при этом деталь днища может быть изготовлена с минимальными дефектами при отсутствии сварных швов и с большой скоростью выращивания детали, что обеспечивает повышение прочности днища, большой запас прочности конструкции, снижение его металлоёмкости и снижение трудоёмкости его изготовления.