ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ ЦИСТЕРНА

Изобретение относится к подвижному составу железнодорожного транспорта, а именно к цистернам для перевозки опасных грузов.
При эксплуатации цистерн, которые перевозят опасные грузы, случаются аварийные случаи, когда днища этих цистерн пробиваются ударом автосцепкой или металлическим грузом соседнего вагона. Это приводит к вредному воздействию на окружающую среду, требует значительных материальных затрат на ликвидацию последствий таких аварий.
Известна железнодорожная цистерна для перевозки опасных грузов, которая включает платформу с ходовой частью и закрепленный на ней котел с днищами, вплотную к которым приварены защитные накладные элементы (патент 19074, Украина, 25.12.97 Бюл. №6, МКИ В 61 D 5/00, В 65 D 88/12). Защитные элементы известной цистерны имеют низкую энергетическую емкость, что не позволяет поглотить при ударах большую энергию. Энергия при ударах будет расходоваться на деформацию не только защитных элементов, но и самого котла. Таким образом, при сильных ударах будут повреждаться и защитные элементы, и сам котел. Даже при минимальной деформации защитных элементов будет происходить деформация и котла цистерны. Кроме того, защитные элементы известной цистерны при их повреждении не подлежат замене.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является железнодорожная цистерна, которая включает укрепленный на раме котел, который состоит из обечайки и днищ, ходовую часть и защитные щиты. Каждый из щитов закреплен на раме напротив днищ котла с зазором между ними и имеет вертикальную пластину, жестко закрепленную на горизонтальном листе. На пластине со стороны днищ жестко прикреплены вертикальные и горизонтальные ребра.
При этом вертикальные ребра выполнены так, что их сечение увеличивается сверху вниз, и, по крайней мере, одно из горизонтальных ребер выполнено переменного сечения, увеличивающегося от краев к центру (патент 2038241, Россия, 27.06.95 Бюл. №18, МКИ В 61 D 5/00).
Защита днищ котла известной цистерны при аварийных столкновениях вагонов и концентрированных ударах в днище котла автосцепкой соседнего вагона обеспечивается в основном за счет поглощения энергии удара при упругой деформации консольной части рамы вагона со щитом. Эта деформация происходит в границах конструкционного зазора между щитом и днищем. Кроме того, часть энергии удара поглощается при отрыве сварочных швов, которые соединяют щит с рамой вагона. Такая система защиты может эффективно работать только тогда, когда обеспечен довольно большой конструкционный зазор между щитом и днищем. Однако в большинстве случаев это условие выполнить невозможно из-за существующих ограничений на габариты железнодорожных цистерн. В этом случае энергия, которая расходуется на деформацию щита и рамы вагона, составляет лишь незначительную часть (5-10%) энергии удара. При ударе щит не будет отрываться от рамы вагона, а будет плотно прижиматься к днищу котла. Из-за того, что вертикальные и горизонтальные ребра, которые обеспечивают щиту высокую жесткость, закреплены на щите со стороны днища, в зоне контакта ребер и днища даже при относительно небольших ударах могут возникать напряжения, которые превышают допустимые и приводят к пластической деформации днища. Все это повышает вероятность нарушения целостности котла и загрязнение окружающей среды опасными грузами, которые перевозятся в цистерне.
Таким образом, известные конструкции цистерн не обеспечивают эффективной защиты котла цистерны в аварийных ситуациях.
В данном изобретении ставится техническая задача повышения эксплуатационных характеристик, надежности и экологической
безопасности железнодорожной цистерны в экстремальных ситуациях, снижение вероятности возникновения пластических деформаций днища котла.
Суть заявляемого изобретения заключается в придании железнодорожной цистерне таких конструктивных свойств, при которых обеспечивается надежная защита котла цистерны от перфорации при сверхнормативных ударах в днище. Этот технический результат достигается путем пластической деформации защитных элементов и перераспределением действующих на цистерну концентрированных нагрузок на большую площадь днища ее котла. Это позволяет предотвратить нарушение целостности котла цистерны и загрязнение окружающей среды опасными грузами, которые перевозятся в цистерне, снижает вероятность возникновения пластических деформаций котла, что существенным образом облегчает проведение работ по ремонту и восстановлению подвижного состава после аварий.
Существенными признаками железнодорожной цистерны общими для прототипа и предлагаемого решения есть наличие в них укрепленного на раме котла, который состоит из обечайки и днищ, ходовой части и защитных щитов. При этом каждый из защитных щитов жестко закреплен на раме напротив днищ котла и выполнен в виде пластины с вертикальными и горизонтальными ребрами, жестко закрепленной на горизонтальном листе, причем вертикальные ребра выполнены так, что их сечение увеличивается сверху вниз, и, по крайней мере, одно из горизонтальных ребер выполнено переменного сечения которое увеличивается от краев к центру. Существенными отличительными признаками предлагаемого технического решения есть то, что железнодорожная цистерна дополнительно оборудована, размещенными между каждым из днищ и соответствующими щитами, блоками, которые имеют возможность деформироваться, и которые жестко закреплены на пластинах щитов, при этом дополнительные блоки и пластины повторяют
по конфигурации форму днища, вертикальные и горизонтальные ребра установлены на внешней стороне щита, а дополнительные блоки выполнены в виде сотовой или ячеистой конструкции из гофрированных листов пластичной низкоуглеродистой стали жестко соединенных между собой.
Кроме того, существенным отличительным признаком является также то, что пластина защитного щита выполнена из плоских сегментов, жестко соединенных между собой, к каждому из которых прикреплен плоский фрагмент дополнительного блока.
Еще одним отличием является то, что горизонтальный лист закреплен на раме в передней части с помощью стержневых элементов, которые имеют возможность деформироваться или разрываться, а в задней -  Ω-образной пластиной, один из концов которой жестко соединен с рамой цистерны, а второй - с задней частью горизонтального листа.
К отличиям цистерны, которая заявляется, относится то, что горизонтальный лист выполнен Г-образным.
Суть изобретения поясняется иллюстрациями, где на представленных фигурах схематично изображены:
фиг.1 - Общий вид железнодорожной цистерны;
фиг.2 - Защитный щит;
фиг.3 - Вид цистерны со щитом, пластина которого выполнена из отдельных плоских сегментов;
фиг.4 и 5 - Защитный щит, пластина которого выполнена из отдельных плоских сегментов;
фиг.6 - Фрагмент дополнительного блока, выполненного в виде сотовой конструкции;
фиг.7 - Вариант крепления защитного щита к раме цистерны.
Предлагаемая железнодорожная цистерна (см. фиг.1 и 3) содержит котел 1, жестко закрепленный на раме 2, и ходовую часть 3. Напротив днищ 4 котла 1 к раме 2 жестко прикреплены защитные щиты 5. Защитный
щит 5 (см. фиг.2) включает стальную пластину 6, к внешней части которой приварены вертикальные 7 и горизонтальные 8 ребра. Для обеспечения минимальной массы щита 5 и одновременного сохранения необходимой жесткости вертикальные 7 и горизонтальные 8 ребра выполнены переменного сечения. При этом сечение вертикальных ребер 7 увеличивается сверху вниз, а горизонтальных 8 - от краев к центру. Пластина 6 и нижние концы некоторых вертикальных ребер 7 приварены к горизонтальному листу 9. К пластине 6 со стороны днища 4 жестко прикреплен дополнительный блок 10, выполненный в виде сотовой или ячеистой конструкции из гофрированных листов 11 пластичной низкоуглеродистой стали, жестко соединенных между собой. Пластина 6 и блок 10 повторяют по форме конфигурацию днища 4. Пластина 6 может быть выполнена из отдельных плоских сегментов 12, сваренных между собой так, чтобы удовлетворялось требование повторения формы днища с достаточной степенью аппроксимации (см. фиг.4 и 5). В этом случае блок 10 изготовляется в виде плоских фрагментов 13, которые крепятся к плоским сегментам 12.
kp
T
Для эффективной защиты котла 1 цистерны при ударах в днище 4 в аварийной ситуации необходимо чтобы жесткость пластины 6 с ребрами 7 и 8 была больше жесткости днища 4, а жесткость блока 10 - меньше жесткости днища 4. При выборе геометрических размеров сотовой конструкции блока 10, которые определяют его жесткость (см. фиг.6), необходимо, чтобы критическое напряжение потери устойчивости σ стенки сотовой ячейки как шарнирно опертой пластинки было не менее границы текучести σ материала листов 11
c
где Е -модуль упругости материала листов 11;
h - толщина листа 11;
R - радиус описанной окружности сотовой ячейки;
bc
-
σ граница прочности материала листов 11.
Откуда
Для пластичных низкоуглеродистых сталей значения отношения h/R составляет
Величина силы, при которой сминаются соты шестигранной структуры, определяется по формуле
c
где n - число ячеек, которые сминаются;
F - площадь участка блока 10, которая деформируется.
При этом энергия, которая поглощается блоком 10, определяется по формуле
где П - энергия пластической деформации блока 10;
- коэффициент, который характеризует степень сжатия сотового пакета;
l - начальная высота сотового пакета;
k
l - конечная высота сотового пакета по окончании сжатия.
Защитные щиты 5 могут быть закреплены на раме 2 с помощью сварки или с помощью стержневых элементов 14, которые имеют возможность деформироваться или разрываться (болтов, шпилек и т.п.), и  Ω-образной пластины 15 (см. фиг.7). Один из концов ^-образной пластины 15 жестко соединен с рамой 2 цистерны, а второй - с задней
частью горизонтального листа 9.  Ω-подобная пластина 15 удерживает щит 5 при разрыве (срезании) стержневых элементов 14. При этом, деформируясь, она позволяет прижать щит 5 вплотную к днищу 4. Как вариант, горизонтальный лист 9 может быть выполнен Г-образным. Такая форма листа 9 позволяет установить дополнительные стержневые элементы 14 и тем самым повысить энергоемкость устройства защиты.
Предлагаемая железнодорожная цистерна работает следующим образом.
1
1
При воздействии на цистерну усилий Р в направления котла 1 защита его днищ 4 обеспечивается, прежде всего, защитным щитом 5. Если усилие Р не превышает некоторого значения P, энергия удара через защитный щит 5 передается на всю конструкцию цистерны и расходуется на упругую деформацию ее элементов. При более сильных ударах, превышающих значение P происходит отрыв сварных швов, которые закрепляют защитный щит 5 на раме 2, или разрушение стержневых элементов 14. Щит 5 прижимается к днищу 4 и происходит пластическая деформация сотовых элементов блока 10. При этом часть кинетической энергии удара расходуется на пластическую деформацию элементов конструкции цистерны, которые разрушаются.
Избыточная энергия удара, не поглощенная этими элементами, передается на днище 4 котла цистерны через жесткую пластину 6 с ребрами 7 и 8 и смятые блоки 10. Это приводит к распределению концентрированного удара практически на всю поверхность защитного щита 5. Поскольку значительная часть энергии удара поглощается при разрушении стержневых элементов 14 и деформации сотового элемента блока 10, а удар распределяется на большую поверхность, то вероятность перфорации днища 4, а в некоторых случаях даже его пластической деформации, существенным образом уменьшается.
Для восстановления железнодорожной цистерны после аварии в большинстве случаев достаточно сделать замену поврежденного защитного щита 5.
Использование предлагаемого технического решения позволит повысить надежность железнодорожных цистерн для перевозки опасных грузов и обеспечить их экологическую безопасность.