Цистерна

Полезная модель относится к транспортной таре для хранения и перевозки грузов, в частности коррозионно-активных и опасных грузов, железнодорожным, водным или наземным транспортом.
Известна цистерна, включающая в себя обечайку и днища, изготовленные из алюминиевого сплава, отличающаяся тем, что обечайка и днища изготовлены из алюминиевого сплава, обладающего гарантируемым значением условного предела текучести не менее 45 МПа, при этом обечайка имеет толщину стенки от 7 мм до менее 25 мм, днища имеют толщину стенок от 7 мм до менее 28 мм (RU 200 905 МПК B61D 5/00, B65D 88/06, опубл. 19.03.2020).
Недостатком аналога является высокая металлоёмкость и сниженная грузоподъёмноость, а также цистерны при отсутствии вариативности толщины на разных участках обечайки с учётом нагруженности участков и исполнении толщины стенок более 20 мм.
Наиболее близким техническим решением является вагон-цистерна для транспортировки жидких грузов, включающий установленный на ходовые части посредством рамы котел в виде горизонтальной емкости, состоящей из днищ и цилиндрической обечайки, выполненной из средней царги, выполненной из соединенных между собой нижнего броневого листа и верхних листов, и двух крайних царг, крайние царги соединены с днищами и свободно размещены на раме, а средняя царга посредством фасонных лап жестко закреплена на раме, отличающийся тем, что крайние царги выполнены из нижнего броневого листа, верхнего листа и двух промежуточных листов, соединяющих нижний броневой и верхний листы, при этом в крайних царгах отношение толщин промежуточных листов к толщине нижнего броневого листа составляет диапазон от 0,8 до 0,85, отношение толщины верхнего листа к толщинам промежуточных листов составляет диапазон от 0,85 до 0,95, а в средней царге отношение толщин верхних листов к толщине нижнего броневого листа составляет диапазон от 0,8 до 0,85 (RU 197050, МПК B61D 5/00, опубл. 26.03.2020).
Недостатком наиболее близкого аналога является высокая металлоёмкость и сниженная грузоподъёмноость цистерны из-за сложности изготовления и большой площади броневого листа, без учёта того, что нагрузка на разные участки броневого листа неравномерна.
Технической проблемой, решаемой заявляемой полезной моделью, является снижение металлоёмкости и увеличение грузоподъёмности.
Техническим результатом, на который направлена заявляемая полезная модель, является снижение металлоёмкости и увеличение грузоподъёмности за счёт подбора оптимальной толщины листов на разных участках обечайки.
Технический результат достигается тем, что цистерна содержит обечайку и днища, стенка обечайки в вертикальном направлении имеет разные толщины в верхней, средней и нижней своих частях, обечайка состоит из трех царг - средней царги и двух крайних царг. Отношение длины обечайки к длине каждой царги – средней царги или каждой из крайних царг находится в диапазоне 2,5-3,5, при этом горизонтальные швы царг смещены относительно друг друга на расстояние не менее 100 мм. Средняя царга состоит из нескольких листов – нижнего, средних и верхних, расположенных в её нижней, средней и верхней частях соответственно. Нижний лист средней царги является броневым и имеет самую большую толщину, толщина нижних листов крайних царг составляет (82-92)% от толщины броневого нижнего листа средней царги.
Толщина верхних листов крайних царг может составлять (80-90)% от толщины нижних листов крайних царг.
Толщина верхнего листа средней царги может составлять (70-80)% от толщины броневого нижнего листа средней царги.
Толщина средних листов 2.2 средней царги 2 может составлять (82-92)% от толщины броневого нижнего листа 2.1 средней царги 2.
Применение в верхней части обечайки листов меньшей толщины, чем листов в средней и нижней частях обечайки обусловлено распределением нагрузки от груза, воспринимаемой различными частями обечайки. Отношение длины обечайки к длине каждой царги, находящееся в диапазоне 2,5-3,5, позволяет обеспечить необходимую прочность и при этом обеспечить оптимальную металлоёмкость и грузоподъёмность.
Обечайка и днища могут быть выполнены из стали.
Признаками полезной модели являются
1. Цистерна,
2. содержащая обечайку и днища,
3. стенка обечайки в вертикальном направлении имеет разные толщины в верхней, средней и нижней своих частях,
4. Обечайка состоит из трех царг - средней царги и двух крайних царг,
5. Отношение длины обечайки к длине каждой царги находится в диапазоне 2,5-3,5,
6. горизонтальные швы царг смещены относительно друг друга на расстояние не менее 100 мм.
7. Средняя царга состоит из нескольких листов – нижнего, средних и верхнего, расположенных в её нижней, средней и верхней частях соответственно.
8) Нижний лист средней царги является броневым и имеет самую большую толщину,
9. толщина нижних листов крайних царг составляет (82-92)% от толщины броневого нижнего листа средней царги.
10.Толщина верхних листов крайних царг составляет (80-90)% от толщины нижних листов крайних царг.
11.Толщина верхнего листа средней царги составляет (70-80)% от толщины броневого нижнего листа средней царги.
12.Толщина средних листов средней царги составляет (82-92)% от толщины броневого нижнего листа средней царги.
13. Обечайка и днища могут быть выполнены из стали.
Признаки 1-4, 7, 8, 13 являются общими с прототипом, признаки 5-6, 9-12 – отличительными признаками.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
фиг. 1 – общий вид цистерны;
фиг. 2 – аксонометрическая проекция цистерны;
фиг. 3 – эпюра распределения эквивалентных напряжений по конструкции цистерны при действии продольных нагрузок, Мпа.
Обозначения на чертежах
1 - обечайка,
4 - днища,
2 - средняя царга,
3 - крайняя царга,
2.1 - нижний лист средней царги 2,
2.2 - средний лист средней царги 2,
2.3 - верхний лист средней царги 2,
3.1 - нижний лист крайней царги 3,
3.2 - средний лист крайней царги 3,
3.3 - верхний лист крайней царги 3,
Z 1 - зона в нижней части обечайки 1, в области установки опор,
Z 2 - зона в центральной части обечайки 1, в области установки лап котла.
Цистерна (фиг. 1), предназначенная преимущественно для перевозки коррозионно-активных/опасных грузов, включает в себя обечайку 1 и днища 4.
Стенка обечайки 1 в вертикальном направлении имеет разные толщины в верхней, средней и нижней своих частях.
Обечайка 1 состоит из трех царг, средней царги 2 и крайних царг 3. Отношение длины обечайки 1 к длине каждой царги - средней царги 2 или каждой из крайних царг 3 находится в диапазоне 2,5-3,5, при этом горизонтальные швы царг 2, 3 смещены относительно друг друга на расстояние не менее 100 мм.
Средняя царга 2 состоит из нескольких листов - нижнего 2.1, средних 2.2 и верхнего 2.3, расположенных в её нижней, средней и верхней частях соответственно. Также возможно применение и верхних 2.3 листов в средней царге 2.
Каждая крайняя царга 3 состоит из нескольких листов - нижнего 3.1, средних 3.2 и верхних 3.3, расположенных в нижней, средней и верхней частях царг соответственно. Также возможно применение и одного верхнего 2.3 листа в крайней царге 3.
Нижний лист 2.1 средней царги 2 является броневым и имеет самую большую толщину, толщина нижних листов 3.1 крайних царг 3 составляет (82-92)% от толщины броневого нижнего листа 2.1 средней царги 2.
Толщина верхних листов 3.3 крайних царг 3 составляет (80-90)% от толщины нижних листов 3.1 крайних царг 3.
Толщина верхних листов 2.3 средней царги 2 составляет (70-80)% от толщины броневого нижнего листа 2.1 средней царги 2.
Толщина средних листов 2.2 средней царги 2 составляет (82-92)% от толщины броневого нижнего листа 2.1 средней царги 2.
Применение в верхней части обечайки 1 листов меньшей толщины, чем листов в средней и нижней частях обечайки обусловлено распределением нагрузки от груза, воспринимаемой различными частями обечайки 1 (фиг.3).
Отношение длины обечайки 1 к длине каждой царги, находящееся в диапазоне 2,5-3,5, позволяет обеспечить необходимую прочность и при этом обеспечить оптимальную металлоёмкость и грузоподъёмность. Данный диапазон является оптимальным и определён расчётами. При отношении длины обечайки 1 к длине средней царги менее 2,5 длина средней царги увеличена и соответственно длина среднего броневого листа увеличена, что приводит к увеличению металлоёмкости и снижению грузоподъёмности; при отношении длины обечайки 1 к длине одной из крайних царг менее 2,5 увеличены длины крайних царг и соответственно уменьшается длина средней царги, и, соответственно уменьшается длина среднего броневого листа, что может привести к недостаточной надёжности котла. При отношении длины обечайки 1 к длине каждой царги более 3,5 будет наблюдаться такая же закономерность - увеличение длины средней царги за предел диапазона приведёт к увеличению металлоёмкости и снижению грузоподъёмности, уменьшение длины средней царги за предел диапазона приведёт к недостаточной надёжности котла.
Груз всем своим весом полностью воздействует на нижнюю часть обечайки 1, преимущественно в области установки опор (зона Z 1 на фиг. 2,3) при вертикальном нагружении Fверт, и в центральной части в области установки лап котла (зона Z 2 на фиг. 2,3) при нагружении продольными нагрузками Fпрод, поэтому нижними листами 2.1 средней царги 2 воспринимается наибольшая нагрузка (фиг. 3), расчёты на опытной модели показали, что нагрузка на нижний лист 2.1 средней царги (в зоне Z 2)  превышает нагрузку на нижние листы 3.1 крайних царг 3 (в зоне Z 1) примерно на 14%.
Обечайка 1 и днища 4 могут быть выполнены из стали.
Средней частью обечайки нагрузки от груза воспринимаются в меньшей степени, и в большей степени от суммарного расчетного давления, действующего внутри котла, при этом влияние груза снижается пропорционально высоте гидравлического столба, с учетом диаметра котла. На верхнюю часть обечайки 1 воздействует преимущественно давление паров от перевозимого груза.
Данными решениями принимается в расчёт распределение нагрузки и конструкция цистерны учитывает нагрузку и оптимально соответствует данной нагрузке.
Выполнение стенки обечайки 1 с различными толщинами в вертикальном направлении позволило усилить цистерну в местах, воспринимающих большую нагрузку, тем самым распределить напряжения, возникающие на корпусе цистерны, то есть создать прочную, надежную и способную к долгой эксплуатации цистерну.
Применение нижних листов 3.1 крайних царг 3 меньшей толщины, чем толщина нижнего листа 2.1 средней царги 2 позволяет снизить металлоёмкость, что обуславливает снижение себестоимости цистерны при увеличении полезного объема и грузоподъемности.
Описанная цистерна может применяться для хранения грузов, а также использоваться в вагонах-цистернах, контейнерах-цистернах.
В качестве примера реализации предлагаемой полезной модели может быть цистерна, в которой три царги, отношение длины обечайки к длине царги равно 3, горизонтальные швы царг смещены относительно друг друга на расстояние не менее 500 мм, толщина нижних листов крайних царг и толщина средних листов средней царги составляет 88% от толщины броневого нижнего листа средней царги, толщина верхних листов крайних царг составляет 86% от толщины нижних листов крайних царг, толщина верхнего листа средней царги составляет 75% от толщины броневого нижнего листа средней царги.
Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает создание надежной и способной к длительной эксплуатации цистерны, при сохранении её полезного объема и грузоподъемности.