КОНТЕЙНЕР-ЦИСТЕРНА Российский патент 2007 года по МПК B65D88/12 B65D88/06 

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

Для обеспечения прочности и жесткости торцевых рам в контейнерах-цистернах используют прямолинейные распорки, связывающие стойки рам с их нижними и верхними поперечинами. На стойках, поперечинах и распорках торцевых рам закрепляют опорные обечайки, входящие в состав узлов крепления торцевых рам к цистерне (RU патент №2155152, МПК⁷ В 65 D 88/12, опубл. 27.08.2000, бюл. №24; RU патент №2072956, МПК⁷ В 65 D 88/12, опубл. 10.02.97, бюл. №4).

Использование прямолинейных распорок в торцевых рамах приводит к тому, что нагрузки, действующие на контейнер при эксплуатации, через распорки передаются на стойки и поперечины торцевых рам в виде сосредоточенных сил и моментов, что вызывает концентрацию напряжений в местах примыкания распорок к стойкам и поперечинам рам. При длительных циклических нагрузках, имеющих место при эксплуатации во время транспортировки контейнера с грузом, в местах концентрации напряжений образуются усталостные трещины, что приводит к разрушению рам при такелажных операциях, падению контейнера, разрушению цистерны и проливу опасного груза.

Известны попытки исключить распорки из конструкции контейнера-цистерны. Так, известна конструкция контейнера-цистерны, в которой торцевые рамы не имеют распорок, а опорные обечайки закреплены на торцевых рамах с помощью кольцевых сегментов уголкового профиля (ЕР патент №0654421 В1, МПК В 65 D 88/12, опубл. 06.08.97).

Известная конструкция предназначена для малых и средних контейнеров-цистерн и не пригодна для большегрузных контейнеров-цистерн как недостаточно прочная и жесткая.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции является конструкция контейнера-цистерны, описанная в ЕР патенте №0869081 А1, фиг.1, 2, МПК В 65 D 88/12, опубл. 07.10.1998.

В известном контейнере-цистерне цилиндрическая цистерна связана с торцевыми рамами через узлы крепления, каждый из которых включает бандажное кольцо коробчатого профиля и цилиндрическую опорную обечайку, при этом указанное кольцо закреплено в торцевой раме встык с внутренними, обращенными друг к другу поверхностями ее стоек и поперечин, а опорная обечайка закреплена одной ее стороной на днище цистерны, другой - с нахлестом на внутренней поверхности бандажного кольца. Бандажное кольцо имеет замкнутый коробчатый профиль и в местах соединений со стойками и поперечинами торцевых рам имеет вырезы в профиль указанных стоек и поперечин.

Известная конструкция имеет следующие недостатки:

- выбор коробчатого профиля для бандажного кольца обусловливает недостаточную прочность мест соединений этого кольца со стойками и поперечинами торцевой рамы из-за большого объема удаленного металла в результате вырезов. Кроме того, коробчатый профиль существенно затрудняет технологическое исполнение бандажа уголкового или коробчатого профиля, так как такие профили затруднительно свальцевать на стандартном оборудовании, применяющемся в машиностроении;

- описанное крепление опорной обечайки к бандажному кольцу инициирует изгибные напряжения в стенках стоек и поперечин, а также концентрацию напряжений в местах примыкания стоек и поперечин к бандажному кольцу;

- описанное крепление опорной обечайки к бандажному кольцу исключает использование не цилиндрической, а например, конической опорной обечайки;

- используемые в креплении нахлесточные сварные швы не обеспечивают прочность конструкции контейнера-цистерны, поскольку работают на сдвиг, а не на растяжение-сжатие, что существенно (в 2-3 раза) снижает прочность конструкции, особенно при циклических нагрузках.

Конструкция контейнера-цистерны по ЕР патенту №0869081, фиг.1 и 2 выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка прочной и долговечной конструкции контейнера-цистерны с такой схемой крепления цистерны к торцевым рамам, которая могла бы за счет применения кольцевого бандажа выбранного профиля обеспечить равномерную передачу нагрузок с цистерны на торцевые рамы без возникновения опасных концентраций напряжений в элементах торцевой рамы (стойках и поперечинах), обеспечивала бы необходимую прочность и жесткость конструкции контейнера в целом при длительном воздействии эксплуатационных нагрузок, а также была бы более технологична по сравнению с конструкцией-прототипом, т.е. позволила бы снизить издержки производства контейнеров за счет более высокой точности изготовления и использования автоматизированных методов сборки и сварки.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении надежности контейнера-цистерны, снижении издержек при его изготовлении и в расширении его эксплуатационных возможностей.

Для решения поставленной задачи в контейнере-цистерне, содержащем цилиндрическую цистерну с продольной осью, две прямоугольные торцевые рамы, каждая из которых имеет вертикальную ось симметрии и горизонтальную ось, проходящую через точку пересечения ее вертикальной оси симметрии с продольной осью цистерны, и состоит из двух стоек, имеющих каждая верхний и нижний участки, расположенные, соответственно, выше и ниже ее горизонтальной оси, и из верхней и нижней поперечин, соединенных со стойками угловыми фитингами, и узлы крепления, связывающие днища цистерны с торцевыми рамами, включающие каждый установленное в торцевой раме с закреплением встык с внутренними, обращенными друг к другу поверхностями стоек и поперечин, бандажное профильное кольцо с вырезами в профиль указанных стоек и поперечин торцевой рамы, и цилиндрическую опорную обечайку, закрепленную одной стороной на днище цистерны, другой - на бандажном профильном кольце, согласно изобретению профиль бандажного кольца в узле крепления имеет вид швеллера, образованного основанием и двумя полками, при этом бандажное кольцо обращено основанием к продольной оси цистерны, установлено и закреплено в торцевой раме с охватом обращенных к цистерне поверхностей стоек и поперечин одной его полкой, имеющей номинальную высоту, и встык с внутренними, обращенными друг к другу, поверхностями тех же стоек и поперечин другой его полкой, имеющей вырезы в профиль указанных стоек и поперечин, а опорная обечайка дополнительно выполнена конической и закреплена на полке бандажного кольца, имеющей номинальную высоту, при этом узел крепления дополнительно снабжен элементами разгрузки напряжений, возникающих в местах примыкания бандажного кольца к торцевой раме, выполненными в виде фасонных, полых, замкнутых сварных коробов, размещенных, по меньшей мере, по одному в угловых зонах торцевой рамы между ее стойкой и/или поперечиной и бандажным кольцом, сопряженных и скрепленных с ними сварным соединением, причем в частном случае выполнения изобретения сечение вертикальной плоскостью закрепленного в торцевой раме бандажного кольца имеет U-образный профиль, удовлетворяющий следующим соотношениям:

a/h≤0.75; b/h≤0.5,

где а - минимальная высота полки бандажного кольца, имеющей вырезы;

b - высота закрепления опорной обечайки на полке бандажного кольца, имеющей номинальную высоту;

h - номинальная высота полки бандажного кольца.

Еще в одном частном случае выполнения изобретения бандажное кольцо на его длине между нижним участком каждой из стоек и нижней поперечиной усилено ответным ему отрезком швеллера, при этом короба элементов разгрузки напряжений скреплены с бандажным кольцом через указанный отрезок. В других частных случаях, по меньшей мере, один короб элемента разгрузки напряжений выполнен клиновидным, обращен его одной клинообразующей поверхностью к поперечине или к стойке торцевой рамы, другой - к бандажному кольцу, расположен встык к месту примыкания бандажного кольца к указанным поперечине или стойке, причем размеры короба в зависимости от места его размещения в угловой зоне торцевой рамы, имеющей ширину В и высоту Н, выбраны из следующих соотношений:

c/B≥0.1; d/B≥0.04; e/H≥0.05; f/H≥0.03,

где с - длина короба, скрепленного с верхней поперечиной;

d - длина короба, скрепленного с нижней поперечиной;

е - высота короба, скрепленного с верхним участком стойки;

f - высота короба, скрепленного с нижним участком стойки торцевой рамы.

В другом частном случае, по меньшей мере, один короб элемента разгрузки напряжений выполнен трапециевидным, расположен между стойкой и поперечиной торцевой рамы и бандажным кольцом с упором в них его сопряженными с ними гранями. Еще в двух частных случаях, по меньшей мере, один короб элемента разгрузки напряжений выполнен с внутренними ребрами жесткости, а, по меньшей мере, одна опорная обечайка узла крепления имеет вырезы.

Отличительными от прототипа особенностями заявляемого контейнера-цистерны являются следующие признаки:

- профиль бандажного профильного кольца в узле крепления, имеющий вид швеллера, образованного основанием и двумя полками,

- основание бандажного кольца, обращенное к продольной оси цистерны,

- установка бандажного кольца в торцевой раме с охватом обращенных к цистерне поверхностей стоек и поперечин одной его полкой, имеющей номинальную высоту, и встык с внутренними, обращенными друг к другу поверхностями тех же стоек и поперечин другой его полкой, имеющей вырезы в профиль этих стоек и поперечин,

- выполнение опорной обечайки дополнительно конической,

- закрепление ее на полке бандажного кольца, имеющей номинальную высоту,

- снабжение узла крепления элементами разгрузки напряжений, возникающих в местах примыкания бандажного кольца к торцевой раме,

- выполнение указанных элементов в виде фасонных, полых, замкнутых сварных коробов,

- размещение этих коробов, по меньшей мере, по одному в угловых зонах торцевой рамы между ее стойкой и/или поперечиной и бандажным кольцом,

- сопряжение и скрепление коробов с элементами торцевой рамы сварным соединением,

- сечение вертикальной плоскостью закрепленного в торцевой раме бандажного кольца, имеющее U-образный профиль, удовлетворяющий следующим соотношениям:

a/h≤0.75; b/h≤0.5,

где а - минимальная высота полки бандажного кольца, имеющей вырезы,

b - высота закрепления опорной обечайки на полке бандажного кольца, имеющей номинальную высоту,

h - номинальная высота полки бандажного кольца,

- усиление бандажного кольца на его длине между нижним участком каждой из стоек и нижней поперечиной ответным ему отрезком швеллера и скрепление коробов элементов разгрузки напряжений с бандажным кольцом через указанный отрезок,

- выполнение, по меньшей мере, одного короба элемента разгрузки напряжений клиновидным,

- обращение короба одной клинообразующей поверхностью к поперечине или к стойке торцевой рамы, другой - к бандажному кольцу,

- расположение короба встык к месту примыкания бандажного кольца к указанным поперечине или стойке,

- выбор размеров короба в зависимости от места его размещения в угловой зоне торцевой рамы, имеющей ширину В и высоту Н, из следующих соотношений:

с/В≥0.1; d/B≥0.04; e/H≥0.05; f/H≥0.03,

где с - длина короба, скрепленного с верхней поперечиной;

d - длина короба, скрепленного с нижней поперечиной;

е - высота короба, скрепленного с верхним участком стойки;

f - высота короба, скрепленного с нижним участком стойки торцевой рамы,

- выполнение, по меньшей мере, одного короба элемента разгрузки напряжений трапециевидным,

- расположение трапециевидного короба между стойкой и поперечиной торцевой рамы и бандажным кольцом с упором в них его сопряженными с ними гранями,

- выполнение, по меньшей мере, одного короба элементов разгрузки напряжений с внутренними ребрами жесткости,

- выполнение, по меньшей мере, одной опорной обечайки узла крепления с вырезами.

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 позволяет решить поставленную задачу.

Заявляемый контейнер-цистерна обладает повышенной надежностью за счет нового конструктивного исполнения узлов крепления цистерны к торцевым рамам, обеспечившего прочное скрепление бандажного кольца со стойками и поперечинами торцевой рамы, снижение до минимума изгибных напряжений в стойках и поперечинах, имевших место в конструкции узла крепления по прототипу.

Предложенное исполнение узла крепления включает:

- использование для бандажного кольца не коробчатого профиля, как в прототипе, а в виде швеллера,

- использование оптимальной схемы размещения и закрепления бандажного кольца в торцевой раме,

- использование средств разгрузки напряжений, возникающих в местах примыканий бандажного кольца к стойкам и поперечинам торцевой рамы.

Выбранный профиль бандажного кольца существенно облегчает технологическое исполнение узла крепления, особенно вальцовку профиля, и делает возможным применение автоматизированных методов сборки и сварки, благодаря чему значительно снижаются издержки производства контейнера.

Бандажное кольцо в виде швеллера, установленное с охватом одной его полкой, не имеющей вырезов, наиболее нагруженных поверхностей стоек и поперечин торцевой рамы, позволяет закрепить на нем опорную обечайку (цилиндрическую или коническую) в строго определенном месте, чем свести к минимуму напряжения в стенках стоек и поперечин.

Места закрепления опорной обечайки на бандажном кольце определяют расчетным путем. Выход за пределы этих мест приводит к увеличению напряжений в элементах торцевой рамы.

Прочность скрепления бандажного кольца со стойками и поперечинами торцевой рамы достигается за счет минимального нарушения целостности его профиля (вырезы только в одной полке) и за счет использования стыковых, а не нахлесточных, как в прототипе, сварных швов. При необходимости бандажное кольцо на его длине между нижним участком каждой из стоек и нижней поперечиной усилено ответным ему отрезком швеллера и скреплено его отвальцованными наружу полками встык с полками этого отрезка, а короба элементов разгрузки напряжений скреплены с бандажным кольцом через указанный отрезок.

Для обеспечения гарантированного срока эксплуатации, во время которой в местах примыкания бандажного кольца к стойкам и поперечинам торцевой рамы возможна концентрация напряжений, предусмотрены средства разгрузки напряжений в виде фасонных, полых, замкнутых сварных коробов. Именно эти короба обеспечивают необходимую жесткость и прочность скрепления бандажного кольца с торцевой рамой при длительном воздействии на контейнер всей совокупности эксплуатационных нагрузок. Они способствуют повышению сопротивления конструкции контейнера как к экстремальным эксплуатационным нагрузкам (соударения при такелажных работах, продольные и поперечные перегрузки при транспортировке), так и к длительным циклическим напряжениям, имеющим место при нормальной эксплуатации.

Форму коробов, их количество и местоположение определяют расчетным путем.

Предложенное техническое решение применимо к контейнерам с цистернами различного диаметра благодаря возможности использования в новом узле крепления обечаек не только цилиндрической, но и конической формы.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен общий вид контейнера-цистерны с изображением клиновидных коробов, служащих для снижения напряжений в местах примыкания бандажного кольца к поперечинам и вертикальным стойкам торцевой рамы.

На фиг.2 (а, б) показано сечение бандажного кольца вертикальной плоскостью. На фиг.2,а представлен вариант изобретения с конической опорной обечайкой, на фиг.2,б - вариант с цилиндрической опорной обечайкой.

На фиг.3 представлен вариант изобретения с использованием трапециевидных коробов для разгрузки напряжений.

На фиг.4 показан вариант изобретения с опорной обечайкой, имеющей вырезы.

На фиг.5 показан вариант изобретения с коробами, имеющими внутренние ребра жесткости.

На фиг.6 представлен вариант изобретения с усиленным бандажным кольцом.

Контейнер-цистерна (фиг.1) содержит цилиндрическую цистерну 1 с выпуклыми днищами 2, две прямоугольные торцевые рамы 3, узлы крепления цистерны к торцевым рамам 3, включающие бандажные кольца 4, конические, расширяющиеся в сторону торцевой рамы 3, опорные обечайки 5 и клиновидные, полые, замкнутые сварные короба 6. Продольная ось цистерны O₁ проходит через центр бандажного кольца 4.

Каждая прямоугольная торцевая рама 3 (фиг.1) имеет вертикальную ось симметрии O₂ и содержит две вертикальные стойки 7 и две поперечины: верхнюю 8 и нижнюю 9. Стойки 7 и поперечины 8 и 9 соединены между собой по углам грузозахватными фитингами 10.

Горизонтальная ось О₃ рамы, проходящая через точку пересечения осей O₁ и О₂, делит стойки 7 на верхний 11 и нижний 12 участки, расположенные, соответственно, выше и ниже оси О₃ рамы 3.

Каждое бандажное кольцо 4 (фиг.2) имеет профиль швеллера, образованного основанием 13, полкой 14, имеющей номинальную высоту, и полкой 15, имеющей вырезы в профиль стоек 7 и поперечин 8 и 9 рамы 3. Кольцо 4 обращено основанием 13 к оси O₁ цистерны, установлено в раме 3 его полкой 14 с охватом поверхностей 16 стоек 7 и поперечин 8 и 9, обращенных к цистерне 1, а полкой 15 - встык с внутренними, обращенными друг к другу поверхностями 17 тех же стоек 7 и поперечин 8 и 9.

Каждая опорная обечайка 5 (фиг.2) закреплена стороной 18 меньшего диаметра на днище 2 цистерны 1, а стороной 19 большего диаметра - на полке 14 бандажного кольца 4 на высоте, определенной расчетным путем.

Сечение вертикальной плоскостью бандажного кольца 4, закрепленного в раме 3, имеет U-образный профиль, удовлетворяющий соотношениям

a/h≤0.75; b/h≤0.5,

где а - минимальная высота полки 15 бандажного кольца 4, имеющей вырезы 16,

b - высота закрепления опорной обечайки 5 на полке 14 бандажного кольца 4, имеющей номинальную высоту,

h - номинальная высота полки 14 бандажного кольца 4.

Опорная обечайка 5, кроме конической, расширяющейся в сторону рамы 3 (фиг.2, а), может быть конической, расширяющейся в сторону цистерны 1, или цилиндрической (фиг.2, б). Одна или обе опорные обечайки 5 могут иметь вырезы 20 (фиг.4).

Каждый короб 6 имеет две клинообразующие поверхности 21 (фиг.1) и две поверхности 22, замыкающие поверхности 21. Одной поверхностью 21 короб 6 обращен к поперечине 8 ияли 9, или к стойке 7, другой - к бандажному кольцу 4.

Короба 6 размещены по два в каждой из угловых зон 23 рамы 3 и расположены встык с местами примыкания бандажного кольца 4 к поперечинам 8 или 9 или к стойкам 7: один - между поперечиной 8 или 9 и бандажным кольцом 4, другой - между стойкой 7 и бандажным кольцом 4. В зависимости от конкретного места размещения коробов 6 рассчитаны их размеры с, d, e и f, связанные с шириной В или высотой Н рамы 3 следующими соотношениями:

с/В≥0.1; d/B≥0.04; е/H≥0.05; и f/H≥0.03,

где с - длина короба 6, скрепленного с верхней поперечиной 8;

d - длина короба 6, скрепленного с нижней поперечиной 9;

е - высота короба 6, скрепленного с верхним участком 11 стойки 7;

f - высота короба 6, скрепленного с нижним участком 12 стойки 7 торцевой рамы 3.

Вариантом исполнения коробов 6 являются трапециевидные короба (фиг.3), размещаемые по одному в угловых зонах 23 рамы 3 между стойкой 7 и поперечинами 8 или 9, с одной стороны, и бандажным кольцом 4, с другой, с упором в них гранями 24. По меньшей мере, один короб 6 выполнен с внутренними ребрами жесткости 25 (фиг.5).

Бандажное кольцо 4 может быть усилено ответным отрезком 26 швеллера (фиг.6), расположенным на длине кольца 6 между нижним участком 12 каждой из стоек 7 и нижней поперечиной 9. В этом случае короба 6 скрепляют с кольцом 4 через отрезок 26.

Частные случаи исполнения изобретения обеспечивают достижение заявленного технического результата в соответствии с поставленной задачей.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

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

Изобретение относится к емкостям для хранения и транспортирования жидкостей и газов и может быть использовано на железнодорожном, автомобильном и водном транспорте. В контейнере-цистерне цилиндрическую цистерну с прямоугольными торцевыми рамами связывают узлы крепления, включающие каждый цилиндрическую или коническую опорную обечайку, бандажное кольцо, имеющее профиль швеллера, образованного основанием и двумя полками: одной, имеющей номинальную высоту, и другой, имеющей вырезы в профиль стоек и поперечин торцевой рамы, и фасонные, полые, замкнутые сварные короба. Бандажное кольцо обращено основанием к продольной оси цистерны, полкой закреплено на поверхностях стоек и поперечин, обращенных к цистерне, а полкой - на поверхностях тех же стоек и поперечин, обращенных друг к другу, при этом на длине между нижним участком каждой из стоек и нижней поперечиной кольцо усилено ответным ему отрезком швеллера. Опорная обечайка закреплена одной стороной на днище цистерны, другой - на полке бандажного кольца. Короба размещены, по меньшей мере, по одному в угловых зонах рамы между ее стойкой и/или поперечиной и бандажным кольцом, сопряжены с ними и скреплены сварным соединением. По меньшей мере один короб имеет внутренние ребра жесткости, а опорная обечайка - вырезы. Техническим результатом изобретения является повышение надежности контейнера-цистерны, расширение его эксплуатационных возможностей и снижение издержек производства. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Контейнер-цистерна, содержащий цилиндрическую цистерну с продольной осью, две прямоугольные торцевые рамы, каждая из которых имеет вертикальную ось симметрии и горизонтальную ось, проходящую через точку пересечения ее вертикальной оси симметрии с продольной осью цистерны, и состоит из двух стоек, имеющих каждая верхний и нижний участки, расположенные соответственно выше и ниже ее горизонтальной оси, и из верхней и нижней поперечин, соединенных со стойками угловыми фитингами, и узлы крепления, связывающие днища цистерны с торцевыми рамами, включающие каждый установленное в торцевой раме с закреплением встык с внутренними обращенными друг к другу поверхностями стоек и поперечин, бандажное профильное кольцо с вырезами в профиль указанных стоек и поперечин торцевой рамы и цилиндрическую опорную обечайку, закрепленную одной стороной на днище цистерны, другой - на бандажном профильном кольце, отличающийся тем, что профиль бандажного кольца в узле крепления имеет вид швеллера, образованного основанием и двумя полками, при этом бандажное кольцо обращено основанием к продольной оси цистерны, установлено и закреплено в торцевой раме с охватом обращенных к цистерне поверхностей стоек и поперечин одной его полкой, имеющей номинальную высоту, и встык с внутренними обращенными друг к другу поверхностями тех же стоек и поперечин, другой его полкой, имеющей вырезы в профиль указанных стоек и поперечин, а опорная обечайка дополнительно выполнена конической и закреплена на полке бандажного кольца, имеющей номинальную высоту, при этом узел крепления дополнительно снабжен элементами разгрузки напряжений, возникающих в местах примыкания бандажного кольца к торцевой раме, выполненными в виде фасонных, полых, замкнутых сварных коробов, размещенных, по меньшей мере, по одному в угловых зонах торцевой рамы между ее стойкой и/или поперечиной и бандажным кольцом, сопряженных и скрепленных с ними сварным соединением.2. Контейнер-цистерна по п.1, отличающийся тем, что сечение вертикальной плоскостью закрепленного в торцевой раме бандажного кольца имеет U-образный профиль, удовлетворяющий следующим соотношениям:

a/h≤0,75 и b/h≤0,5,

где а - минимальная высота полки бандажного кольца, имеющей вырезы;

b - высота закрепления опорной обечайки на полке бандажного кольца, имеющей номинальную высоту;

h - номинальная высота полки бандажного кольца.

с/В≥0,1; d/B≥0,04;e/H≥0,05 и f/H≥0,03,

где с - длина короба, скрепленного с верхней поперечиной;

d - длина короба, скрепленного с нижней поперечиной;

е - высота короба, скрепленного с верхним участком стойки;

f - высота короба, скрепленного с нижним участком стойки торцевой рамы.