КОТЁЛ ВАГОНА-ЦИСТЕРНЫ

Полезная модель относится к ёмкостям для хранения и транспортирования различных жидкостей, и может быть использована в железнодорожном транспорте.
Большинство выпускаемых в настоящее время котлов вагонов-цистерн выполнены из листовой углеродистой стали. Поскольку полная масса железнодорожного вагона ограничена правилами, любое уменьшение массы самого вагона при сохранении его конструкционной целостности является желательным, так как позволяет перевозить большую полезную нагрузку, т.е. сделать эксплуатацию более экономически выгодной.
С целью снижения массы вагона цистерны изготавливают из пластиков, армированных стекловолокном, как сказано в патенте США 3,158,383. Но такие цистерны не выдерживают большие статические и динамические нагрузки, поэтому применяются только для определенных видов грузов.
В России также выпускают котлы цистерн из композиционных материалов (см. https://sdelanounas.ru/blogs/67897/). Они предназначены для перевозки химических продуктов. Такие изделия уступают по показателям прочности изделиям, изготовленным из конструкционных сталей.
Для повышения прочности и надежности котлов в международной заявке WO2007/093006 «Изделия сложной конструкции и способы их производства»предлагается производить, в том числе и резервуары для хранения жидкостей, из композитных пластиковых материалов. Согласно данному изобретению, изделие, изготовленное в форме, содержит конструкционный композитный материал из слоев пластика, причем изделие имеет стенку, определяющую внутреннее пространство для удержания в нем содержимого, упомянутая стенка сформована по меньшей мере из двух слоев пластика, причем первый из упомянутых слоев содержит термопластический материал, и второй слой содержит термоотверждающуюся смолу и волокнистый слой.
При изготовлении котлов из композитных материалов можно обеспечить необходимую прочность, но при этом значительно повышается себестоимость изделий.
Известно техническое решение по патенту РФ № 2568623 «Котел вагона-цистерны для перевозки жидких продуктов», которое является наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков и принято за прототип. В известном техническом решении котел содержит внутреннюю оболочку из нержавеющей стали и внешнюю оболочку из композитного материала.
Недостатком данного устройства является низкая его надёжность, вызванная возможным отклеиванием наружной полимерной оболочки от внутренней металлической оболочки и возможным расслаиванием и разрушением наружной полимерной оболочки в процессе эксплуатации цистерны.
Таким образом, технической проблемой, существующей в настоящее время, являются низкая надежность конструкций котлов вагонов-цистерн или их большая масса и себестоимость. На решение данной технической проблемы, а именно, для выбора наиболее оптимального варианта выполнения котла цистерны направлено предлагаемое техническое решение.
В настоящее время активно развивается технология трехмерной печати, которая позволяет изготавливать изделия различных самых сложных конструкций. Таким образом, стало возможным изготовить, в том числе и котлы вагонов-цистерн, такой формы и из таких материалов, которые совместили бы в себе достоинства металлических и композиционных материалов, а именно, обеспечили бы прочность конструкции, сравнительно небольшую их массу и себестоимость.
Технический результат заключается в улучшении технических характеристик котла вагона-цистерны, а, именно, в повышении прочности конструкции с одновременным снижением ее массы и себестоимости.
Достигается технический результат тем, что в котле вагона-цистерны, содержащем обечайку и торцевые днища, выполненные из наружной и внутренней оболочек, люк-лаз, установленный в отверстии обечайки, предлагается оболочки выполнять из затвердевшей формообразующей смеси и располагать их одна в другой с взаимным зазором, в котором заодно с указанными оболочками выполнены связывающие элементы в виде рёбер жёсткости, образующих внутреннюю ячеистую несущую структуру и соединяющих указанные оболочки в единую деталь, при этом в отверстии обечайки между наружной и внутренней оболочками предлагается закреплять  контурную стенку, выполненную  из затвердевшей формообразующей смеси заодно с указанными оболочками.
Дополнительные отличия предлагаемого решения:
-  отношение диаметра d отверстия обечайки к внешнему диаметру D обечайки лежит в диапазоне от 0,01 до 0,2;
- внешний диаметр D обечайки лежит в диапазоне от 1600 мм до 4000 мм;
- толщина s контурной стенки  лежит в диапазоне от 6 мм до 30 мм;
- в качестве формообразующей смеси использован металлический порошок, или термопластик, или керамические порошки.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется следующим графическим материалом: фиг.1 – котел вагона-цистерны, общий вид; на фиг.2 – фрагмент поперечного сечения обечайки с отверстием, аксонометрическая проекция; фиг.3 - поперечное сечение А-А  на фиг. 1; фиг.4 – выносной элемент Б на фиг.3, где: D – внешний диаметр обечайки; d – диаметр отверстия; s – толщина стенки отверстия; 1 – наружная оболочка; 2 – внутренняя оболочка; 3 – отверстие в обечайке котла; 4 – рёбра жёсткости; 5 – контурная стенка.
Котёл вагона-цистерны содержит обечайку и торцевые днища, выполненные из наружной 1 и внутренней 2 оболочек, которые изготовлены из затвердевшей формообразующей смеси и размещены одна в другой с взаимным зазором, в котором заодно с указанными оболочками 1 и 2 выполнены связывающие элементы в виде рёбер жёсткости 4, образующих внутреннюю ячеистую несущую структуру и соединяющих указанные оболочки 1 и 2 в единую деталь. Ячеистая несущая внутренняя структура может быть выполнена в виде шестигранных сот. В обечайке котла выполнено сквозное отверстие 3, предназначенное для монтажа люка-лаза и разного вида арматуры. В отверстии 3 обечайки между наружной 1 и внутренней 2 оболочками закреплена контурная стенка 5, выполненная из затвердевшей формообразующей смеси заодно с указанными оболочками. При этом отношение диаметра d отверстия 3 к внешнему диаметру D обечайки лежит в диапазоне от 0,01 до 0,2.
Выполнение котла из двух оболочек, соединенных между собой ребрами жесткости, придает конструкции необходимую прочность. Тогда как использование металлического порошка, термопластика или керамических порошков в качестве материалов затвердевшей формообразующей смеси для оболочек позволяет одновременно снизить массу котла вагона-цистерны. Выполнение контурной стенки в отверстии обечайки между наружной и внутренней оболочками повышает прочность котла, а также предотвращает попадание перевозимого груза в пустоты обечайки.
Внешний диаметр D обечайки лежит в диапазоне от 1600 мм до 4000 мм. Минимальное значение внешнего диаметра D обусловлено малым отверстием для предохранительных клапанов или мембран в обечайках диаметра 4000 мм; максимальное значение обусловлено отверстием для люка-лаза в обечайках диаметра 1600 мм.
Толщина s контурной стенки отверстия лежит в диапазоне от 6 мм до 30 мм. Минимальное значение толщины s обусловлено критерием обеспечения необходимой прочности и устойчивости сосудов, перевозящих грузы с низким избыточным давлением паров. При превышении максимального значения толщины s произойдет нерациональное увеличение материалоемкости и массы тары.
Котёл вагона-цистерны выполняют следующим образом. Формируют цифровую 3D модель котла вагона-цистерны, вводят её в память оборудования 3D печати, на котором в соответствие с заложенными в 3D модели координатами и с применением формообразующей смеси осуществляют последовательное послойное формирование поперечных сечений наружной и внутренней оболочек, внутренней ячеистой несущей структуры в виде ребер жесткости и контурной стенки отверстия. В качестве технологии 3D печати может быть использована любая известная технология.
Таким образом, предлагаемое решение обладает улучшенными техническими характеристиками по сравнению с известными конструкциями котлов вагонов-цистерн. А именно повышена прочность конструкции с одновременным снижением ее массы.