КОНТЕЙНЕР-ЦИСТЕРНА Российский патент 2003 года по МПК B65D88/00 B65D88/12 

Область техники
Изобретение относится к емкостям для хранения и транспортирования жидкостей и газов и может быть использовано на железнодорожном, автомобильном и водном транспорте.

Предшествующий уровень техники
При транспортировке контейнеров-цистерн на торцевые рамы контейнера воздействуют нагрузки, вызванные ускорением контейнера в направлении его продольной оси, существенно, в 4 раза, превышающие вес груженого контейнера. Указанные нагрузки передаются на цистерну через нижние опорные балки, закрепленные одними концами на цистерне, другими - на угловых фитингах торцевых рам.

В известных решениях контейнеров-цистерн зона закрепления нижних опорных балок на цилиндрической цистерне не обосновывается и не рассматривается в качестве критического фактора разрушения угловых фитингов, самих балок и даже цистерны (см. RU патенты по кл. B 65 D 88/12 2072956, опубл. 10.02.97, бюл. 4; 2115606, опубл. 20.07.98, бюл. 20; 2143992, опубл. 10.01.2000, бюл. 1).

Соединение нижних опорных балок с цистерной в каждом из указанных решений выполнено на ее нижней поверхности вдоль центральной образующей, причем балки, идущие от фитингов одной и той же рамы, попарно примыкают друг к другу под углом, составляющим приблизительно 90^o.

В других известных решениях зона закрепления нижних опорных балок на цистерне ограничена углом в 45^o, отсчитываемым от вертикальной центральной плоскости контейнера, а их длина не рассматривается как конструктивный параметр, связанный с углом, и определяется расположением кольцевых шпангоутов или других конструктивных элементов на цистерне (например, расположением опорных площадок для транспортировки контейнера автомобильным транспортом), при этом конструкция балок усложнена, вес завышен (см. UK заявка 2168415 А, кл. B 65 D 88/12, опубл. 18.06.1986; US патент 5083673, фиг.1, нац. класс 220-1.5, опубл. 28.06.1992, ЕПВ патент 0425190 А1, кл. B 65 D 88/12, опубл. 02.05.91).

Указанные решения, не рассматривающие угол установки и длину опорных балок в качестве конструктивных параметров, определяющих работу контейнера при наиболее тяжелых видах нагружения, а также связь и взаимное влияние этих параметров, не являются оптимальными, приводят к возникновению больших нагрузок, действующих на опорные балки, угловые фитинги и на цистерну. Крепление опорных балок к шпангоутам и другим конструктивным элементам контейнера приводит к возникновению изгибающих моментов, вызывающих дополнительные напряжения в элементах конструкции контейнера.

Неоправданно большие нагрузки в неоптимизированной конструкции при эксплуатации контейнера приводят к разрушению угловых фитингов, сварных швов в зонах приварки балок к фитингам и к цистерне, необратимым деформациям опорных балок, необратимым деформациям и трещинам в силовой оболочке цистерны.

Для повышения прочности в известных конструкциях используют более массивный профиль для балок, более толстые подкладные элементы и даже увеличивают толщину стенки цистерны. Кроме того, направленные под острым углом к поверхности цистерны опорные балки нетехнологичны, так как их практически невозможно приварить к цистерне по внутренней линии их контакта с цистерной.

Все это увеличивает трудоемкость и материалоемкость конструкции, снижает ее эффективность как в процессе производства, так и при эксплуатации.

Таким образом, с соответствующим выбором зоны закрепления нижних опорных балок на цистерне контейнера связано решение ряда проблем, включающих обеспечение прочности, устойчивости, снижение материалоемкости, повышение технологичности и, в конечном счете, обеспечение эффективности и надежности конструкции контейнера.

Контейнер-цистерна по US патенту 5083673, фиг.1, является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Раскрытие изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка контейнера-цистерны с оптимальной схемой размещения нижних опорных балок на цистерне, обеспечивающей прочность и устойчивость балок, прочность цистерны и угловых фитингов, снижение материалоемкости и повышение технологичности конструкции.

Технический результат, который может быть получен от использования изобретения, заключается в повышении надежности конструкции контейнера-цистерны.

Для решения поставленной задачи в контейнере-цистерне, содержащем цистерну, имеющую продольную ось и длину, большую ее диаметра, состоящую из цилиндрической части, имеющей горизонтальную ось симметрии, и выпуклых торцевых днищ, две торцевые прямоугольные рамы, состоящие каждая из стоек и поперечин, соединенных угловыми фитингами, служащими для фиксации контейнера на транспортных средствах и его подъема при погрузочных и разгрузочных операциях, а по пролетам - диагональными распорками, и систему крепления цистерны к торцевым рамам, включающую, по меньшей мере, нижние опорные балки, расположенные попарно с каждой стороны цистерны, закрепленные одними концами на соответствующих угловых фитингах, другими - через подкладные элементы на цилиндрической части цистерны ниже ее горизонтальной оси в пределах выбранной зоны, согласно изобретению зона закрепления конца каждой нижней опорной балки на цилиндрической части цистерны выбрана с учетом минимизации силовых воздействий на цистерну, нижние опорные балки и угловые фитинги, вызванных внешними нагрузками на контейнер, расположена между двумя образующими цилиндрической поверхности указанной части цистерны, соответствующими углам в 30^o и 60^o к горизонтальной оси симметрии цистерны, и ограничена в осевом направлении дугами двух окружностей, проходящих по цилиндрической поверхности цистерны и отстоящих от соответствующего углового фитинга на расстояние, измеренное вдоль продольной оси цистерны, равное, соответственно, 0,8R и 1,2R, где R - наружный радиус цистерны.

Отличительными от прототипа особенностями заявляемого контейнера-цистерны являются следующие признаки:
- выбор зоны закрепления конца каждой нижней опорной балки на цилиндрической части цистерны с учетом минимизации силовых воздействий на цистерну, нижние опорные балки и угловые фитинги, вызванных внешними нагрузками на контейнер;
- расположение зоны в окружном направлении между двумя образующими цилиндрической поверхности цилиндрической части цистерны, соответствующими углам в 30^o и 60^o к горизонтальной оси симметрии цистерны;
- ограничение зоны в осевом направлении дугами двух окружностей, проходящих по цилиндрической поверхности цистерны и отстоящих от соответствующего углового фитинга на расстояние, измеренное вдоль продольной оси цистерны, равное, соответственно, 0,8R и 1,2R, где R - наружный радиус цистерны.

Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все совместно, направлены на решение поставленной задачи и являются существенными.

Использование совокупности этих признаков в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено.

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными позволит решить поставленную задачу.

По сравнению с ближайшим аналогом (прототипом) заявляемый контейнер-цистерна обладает повышенной надежностью за счет использования оптимальной схемы размещения нижних опорных балок на цистерне, выбранной с учетом минимизации силовых воздействий на цистерну, нижние опорные балки и угловые фитинги торцевых рам, вызванных внешними нагрузками на контейнер.

Указанная схема включает зоны, в пределах которых (и только в них) можно без ущерба для прочности и устойчивости конструкции закреплять нижние опорные балки.

Выход за пределы этих зон приводит к снижению способности балок к восприятию нагрузок и повышению напряженного состояния цистерны и фитингов.

Местоположение зон определено расчетным путем и подтверждено экспериментально путем нагружения натурного образца в соответствии с программой испытаний контейнеров-цистерн, включающей приложение к контейнеру вертикальных, продольных и поперечных нагрузок, имитирующих эксплуатационные.

Полученные расчетные и экспериментальные результаты позволили локализовать зоны оптимального закрепления нижних опорных балок на цистерне ниже ее горизонтальной оси симметрии и описать их расположение через углы, отсчитываемые от указанной оси симметрии цистерны и определяющие положение образующих, ограничивающих зоны в окружном направлении, и через расстояние, отсчитываемое от углового фитинга, определяющее положение границ зоны в осевом направлении.

Таким образом, в отличие от прототипа в заявляемом контейнере-цистерне нижние опорные балки закрепляют не произвольно, с неблагоприятными последствиями для прочности цистерны, угловых фитингов и самих опорных балок, привязывая их установку к расположению других элементов конструкции (шпангоутов, опорных площадок и т. п.), а в пределах зон, обеспечивающих наиболее выгодные для конструкции контейнера условия работы.

Знание расположения указанных зон позволяет создать более прочную, надежную и технологичную конструкцию с меньшей по отношению к аналогу материалоемкостью.

В зависимости от системы крепления цистерны к торцевым рамам, а она может включать только нижние опорные балки или, кроме них, переходные обечайки в виде оболочек вращения или в виде отдельных криволинейных панелей, а также верхние опорные балки, вес нижних опорных балок и подкладных элементов может быть увеличен или уменьшен, но он никогда не будет избыточным вследствие точного знания нагрузок, приходящихся на их долю.

Расположение балок в заявляемых зонах под менее острыми углами, чем в прототипе, обеспечивает более высокую технологичность монтажа конструкции и ее прочность и надежность благодаря более благоприятному расположению свариваемых элементов, возможности контроля качества сварных швов на всем их протяжении, существенно меньшей суммарной длине сварных швов.

Заявляемые зоны определены для стандартных большегрузных контейнеров с цистерной, имеющей длину, большую ее диаметра. В конструкциях контейнеров с цистернами иных размеров аналогичные зоны следует определять отдельно.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлен контейнер-цистерна, общий вид, на фиг.2 - то же, вид сбоку, на фиг.3 представлено схематическое изображение одной из зон закрепления на цистерне контейнера нижней опорной балки. Зоны закрепления остальных балок аналогичны представленной и располагаются на поверхности цистерны симметрично ей.

Контейнер-цистерна содержит цистерну 1 с наружным радиусом R, равным 1,25 м и длиной L, равной 6 м, имеющую продольную ось O₁ и горизонтальную ось симметрии O₂, состоящую из цилиндрической части 2 и двух выпуклых торцевых днищ 3, две торцевые прямоугольные рамы 4 и систему крепления цистерны 1 к торцевым рамам 4, включающую нижние опорные балки 5 (фиг.1, 2).

Каждая прямоугольная торцевая рама 4 содержит две поперечины 6 (верхнюю и нижнюю) и две стойки 7, соединенные между собой по углам угловыми фитингами 8, а по пролетам - диагональными распорками 9 (фиг.2).

Нижние опорные балки 5, имеющие прочность, рассчитанную на воздействие заданных внешних нагрузок, расположены попарно с каждой стороны цистерны 1. Каждая из них закреплена одним ее концом на угловом фитинге 8, а другим - через подкладной элемент 10 на цилиндрической части 2 цистерны 1 ниже ее горизонтальной оси симметрии O₂ в зоне 11, выбранной с учетом минимизации силовых воздействий на цистерну 1, нижние опорные балки 5 и угловые фитинги 8, вызванных воздействием внешних нагрузок на контейнер (фиг.3).

На фиг.3 справа показана зона 11 на схематическом изображении общего вида контейнера-цистерны. Как видно, зона 11 расположена между образующими АВ и CD цилиндрической поверхности цистерны 1, которые соответствуют углам в 30^oи 60^o к горизонтальной оси симметрии О₂ цистерны 1. В осевом направлении зона 11 ограничена дугами EF и GH, принадлежащими, соответственно, двум окружностям а и b на цилиндрической поверхности цистерны 1, расположенным на расстоянии 1 м (0,8R) и 1,5 м (1,2R) от углового фитинга 8.

На фиг. 3 слева показано на схематическом изображении вида сбоку определение местоположения образующих АВ и CD на цилиндрической поверхности цистерны 1 через точки P₁ и P₂ пересечения сторон углов в 30^o и 60^o с указанной поверхностью.

Кроме более благоприятного распределения нагрузок, действующих на балку, цистерну и угловой фитинг, пределы указанной зоны позволяют закрепить балку под менее острым углом к цистерне, чем в прототипе, обеспечить более высокую технологичность монтажа конструкции и ее прочность и надежность благодаря более благоприятному расположению свариваемых элементов, возможности контроля качества сварных швов на всем их протяжении, существенно меньшей суммарной длины сварных швов.

Таким образом, контейнер-цистерна с предлагаемыми зонами закрепления на цистерне нижних опорных балок более технологичен, надежен и менее материалоемок.

Промышленная применимость
Контейнер-цистерну заявляемой конструкции изготавливают в промышленных условиях на стандартном оборудовании.

Изобретение относится к емкостям для транспортировки и хранения жидкостей и газов и может быть использовано на железнодорожном, автомобильном и водном транспорте. Контейнер-цистерна содержит цистерну с выпуклыми торцевыми днищами, две торцевые прямоугольные рамы, состоящие из стоек и поперечин, соединенных по углам угловыми фитингами, а по пролетам - диагональными распорками. Система крепления цистерны к торцевым рамам включает, по меньшей мере, нижние опорные балки, расположенные попарно с каждой стороны цистерны, закрепленные одними концами на соответствующих угловых фитингах, другими - через подкладные элементы на цилиндрической части цистерны ниже ее горизонтальной оси симметрии в пределах зон, выбранных на поверхности цистерны с учетом минимизации силовых воздействий, вызванных внешними воздействиями на контейнер, на цистерну, нижние опорные балки и угловые фитинги торцевых рам. Каждая зона расположена между двумя образующими цилиндрической поверхности цистерны, соответствующими углам в 30 и 60^o к горизонтальной оси симметрии цистерны, и ограничена в осевом направлении дугами двух окружностей, проходящих по цилиндрической поверхности цистерны на расстоянии от соответствующего углового фитинга, измеренном вдоль продольной оси цистерны, равном, соответственно, 0,8R и 1,2R, где R - наружный радиус цистерны. Изобретение позволяет повысить надежность конструкции контейнера-цистерны при эксплуатации с одновременным снижением затрат при его производстве, снизить материалоемкость. 3 ил.

Контейнер-цистерна, содержащий цистерну, имеющую продольную ось и длину, большую ее диаметра, состоящую из цилиндрической части, имеющей горизонтальную ось симметрии, и выпуклых торцевых днищ, две торцевые прямоугольные рамы, состоящие каждая из стоек и поперечин, соединенных по углам угловыми фитингами, а по пролетам - диагональными распорками, и систему крепления цистерны к торцевым рамам, включающую, по меньшей мере, нижние опорные балки, расположенные попарно с каждой стороны цистерны, закрепленные одними концами на соответствующих угловых фитингах, другими - через подкладные элементы на цилиндрической части цистерны ниже ее горизонтальной оси симметрии в пределах выбранных зон, отличающийся тем, что зона закрепления конца каждой нижней опорной балки на цилиндрической части цистерны выбрана с учетом минимизации силовых воздействий на цистерну, нижние опорные балки и угловые фитинги торцевых рам, вызванных внешними нагрузками на контейнер, расположена между двумя образующими цилиндрической поверхности указанной части цистерны, соответствующими углам в 30 и 60^o к горизонтальной оси симметрии цистерны, и ограничена в осевом направлении дугами двух окружностей, расположенных на цилиндрической поверхности цистерны и отстоящих от соответствующего углового фитинга на расстояние, измеренное вдоль продольной оси цистерны, равное 0,8R и 1,2R, соответственно, где R - наружный радиус цистерны.