Економічна бочка для рідких матеріалів

Реферат: Винахід належить до галузі тари і використовується для пакування, транспортування та збереження рідких матеріалів (наприклад, нафтопродуктів, продукції хімічних та лакофарбових підприємств, харчових рідин, желеподібних речовин, гелів, смол тощо). Об'єктом винаходу є економічна бочка для рідких матеріалів, яка має циліндричну форму і складається з кришки, денця, бічної замкненої стінки та двох підсилюючих полос, встановлених у вузлах з'єднання кришки і денця із бічною замкненою стінкою, причому діаметри кришки та денця бочки є технологічно збільшеними на величину 2Δ порівняно із внутрішнім діаметром бочки d=2r для утворення вертикальних ребер жорсткості з однаковою висотою Δ по периметрах кришки та донця з наступним з'єднанням цих ребер з краями бічної стінки бочки з її середини та двох підсилюючих полос по зовнішньому периметру її країв шляхом зварювання в єдине замкнене ребро жорсткості у вигляді кола для кожного з двох країв бочки. Новизна конструкції заявленої бочки полягає в тому, що величини внутрішнього радіуса бочки г та внутрішньої висоти h її бічної стінки визначаються з таких формул:  V V   r 3     2  2   r 2  0  0; h  0 ,   2   r2 1   де V0 - заданий корисний об'єм бочки; δ1 - товщина сталевого листа, з якого виготовлено кришку, денце та бічну стінку бочки; 2 - товщина сталевого листа, з якого виготовлено кожну з підсилюючих полос; Δ - величина технологічного збільшення внутрішнього радіуса денця і UA 102030 C2 (12) UA 102030 C2 кришки бочки, а також висота прямокутного перерізу кожної з підсилюючих полос; π - стала, яка дорівнює   3,14159. За рахунок спеціального вибору оптимального співвідношення між конструктивними параметрами бочки забезпечується зменшення її матеріалоємності на 11,67%. UA 102030 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі тари і використовується для пакування, транспортування та збереження рідких матеріалів (наприклад, нафтопродуктів, продукції хімічних та лакофарбових підприємств, харчових рідин, желеподібних речовин, гелів, смол тощо). Аналогом запропонованої бочки є бочка типу III (код ОКП 14 1535) корисним об'ємом V0 = 3 250 дм , яка виготовляється згідно із ГОСТ 26155-84 "Бочки из коррозионно-стойкой стали. Технические условия". - Μ.: Издательство стандартов, 1984.-16 с. Вона складається з двох однакових круглих денець, з'єднаних зварюванням з бічною циліндричною стінкою, двох накладних обручів для перекочування бочки, наварених симетрично по периметру її бічної стінки, двох кінцевих обручів, з'єднаних зварюванням з відповідними денцями і бічною циліндричною стінкою в два ребра жорсткості для підсилення двох її країв та зливного отвору на її бічній поверхні. Головний недолік конструкції такої бочки - неоптимальне співвідношення між розмірами внутрішнього діаметра d бічної циліндричної стінки та внутрішньої (корисної) висоти h бочки, яке призводить до значних перевитрат матеріалу (дорогої антикорозійної сталі) на її виготовлення. Найбільш близькою за своєю технічною суттю до заявленого винаходу є конструкція 3 металевої бочки типорозміру І об'ємом V0 = 200 дм (код БСІ - 200), яка виготовляється із дотриманням ГОСТ 13950-91 "Бочки стальные сварные и закатные с гофрами на корпусе. Технические условия". - М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. - 34 с. Згідно із ГОСТ 13950-91 кожна зварна бочка типорозміру І складається з кришки, денця та бічної замкненої стінки, причому кожний з цих елементів виготовляється із листового металу товщиною δ1 зі спеціальним антикорозійним покриттям зсередини для захисту від агресивної дії нафтових, хімічних, лакофарбових продуктів тощо. У бочках типорозміру І денце, кришка та бічна замкнена циліндрична стінка з'єднуються як єдине ціле за допомогою зварювання. В місцях з'єднання денця та кришки із бічною циліндричною стінкою для підсилення жорсткості зварних з'єднань по зовнішньому периметру бочки використовуються дві стальні полоси товщиною δ2 і висотою перерізу Δ. Для надійного з'єднання кришки та денця з бічною циліндричною стінкою бочки їхні діаметри технологічно збільшуються на величину 2Δ для утворення вертикальних ребер жорсткості з однаковою висотою Δ по периметрах кришки та донця. Ці ребра з'єднуються з краями бічної стінки бочки з її середини та двома підсилюючими полосами по зовнішньому периметру її країв шляхом зварювання в єдине замкнене ребро жорсткості у вигляді кола для кожного з двох країв бочки. Для зручності перекочування бочки з місця на місце на її бічній поверхні виконані гофри. На кришці бочки ближче до її краю розміщено горловину з герметичною пробкою для наливу (завантаження) рідкого матеріалу. Розміри відповідних складових елементів (наприклад, внутрішньої висоти h бічної циліндричної стінки та її внутрішнього діаметра d) бочок кожного типорозміру наведені у таблицях ГОСТ 13950-91 у відповідності до їх корисного об'єму V0. Головним недоліком конструкції таких бочок є неоптимальні розміри внутрішньої висоти h їх бічної стінки та внутрішнього діаметра d бочки. Це, в свою чергу, тягне за собою надмірне витрачання дорогого матеріалу (сталевого листа зі спеціальним антикорозійним покриттям) на їх виготовлення. В основу винаходу було поставлено наступну задачу створення економічної бочки для рідких або в'язких матеріалів: шляхом оптимізації розмірів внутрішньої висоти h бічної циліндричної стінки та внутрішнього діаметра d бочки суттєво зменшити її матеріалоємність. Поставлена задача вирішується тим, що в економічній бочці для рідких матеріалів, яка має циліндричну форму і складається з кришки, денця, бічної замкненої стінки та двох підсилюючих полос, встановлених у вузлах з'єднання кришки і денця із бічною замкненою стінкою, причому діаметри кришки та денця бочки є технологічно збільшеними на величину 2Δ порівняно із внутрішнім діаметром бочки d = 2r для утворення вертикальних ребер жорсткості з однаковою висотою Δ по периметрах кришки та денця з наступним з'єднанням цих ребер з краями бічної стінки бочки з її середини та двох підсилюючих полос по зовнішньому периметру її країв шляхом зварювання в єдине замкнене ребро жорсткості у вигляді кола для кожного з двох країв бочки, згідно з винаходом, величини внутрішнього радіуса бочки r та внутрішньої висоти h її бічної стінки визначаються з таких формул:  V V   r 3     2  2   r 2  0  0; h  0 ,   1  2 r 2  де V0 - заданий корисний об'єм бочки; δ1 - товщина сталевого листа, з якого виготовлено кришку, денце та бічну стінку бочки; δ2 - товщина сталевого листа, з якого виготовлено кожну з підсилюючих полос; Δ - величина технологічного збільшення внутрішнього радіуса донця і 1 UA 102030 C2 5 10 15 кришки бочки, а також висота прямокутного перерізу кожної з підсилюючих полос; π - стала, яка дорівнює π  3,14159. Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими ознаками та очікуваним результатом полягає в наступному. Основна ознака винаходу полягає у виборі оптимальних величин внутрішнього діаметра d = 2r і внутрішньої висоти h бічної стінки бочки, що забезпечує її мінімальну матеріалоємність. Обґрунтуємо це. На фіг. 1 показано зварну циліндричну бочку (вид збоку), де 1 - кришка, 2 - денце, 3 - бічна стінка бочки, 4 - підсилююча полоса; 5 - вузол з'єднання кришки 1 (або денця 2), бічної стінки 3 та підсилюючої полоси 4 бочки в єдине ребро жорсткості; 6 - гофри для перекочування бочки; на фіг. 2 – вузол з'єднання денця, вертикальної стінки бочки та підсилюючої полоси (розріз крупно). Зливні отвори бочки на фіг. 1 не показані. Виведемо формулу для загального об'єму металу W заг, який витрачається на виготовлення бочки. Нехай бочка має форму круглого прямого циліндра з радіусом основи r = 0,5d та зовнішньою висотою H = h + 2Δ (див. фіг. 1). Спочатку знайдемо об'єм металу W бічн., який потрібно використати на виготовлення бічної поверхні бочки з листової сталі товщиною δ1: Wбічн.  2rH1  2r h  21 , 20 Тепер запишемо формулу для об'єму металу W осн, який витрачається на виготовлення одного денця (або кришки) з урахуванням технологічного збільшення його радіуса на величину Δ1  Δ для зварювання (тут товщина листової сталі теж дорівнює δ1): Wосн  r   2 1 , 25 (1) (2) Після цього встановимо формулу для об'єму металу W пол, який витрачається на виготовлення одної підсилюючої полоси товщиною перерізу δ2 і висотою перерізу Δ: Wпол  2r  1 2 , (3) Тепер запишемо вираз для загального об'єму металу W заг, необхідного для виготовлення всієї бочки: 30 Wзаг  Wбічн  2Wосн  2Wпол , (4) Після підстановки правих частин формул (1) - (3) у формулу (4) дістанемо: W  2[r h  2 1  r   2 1  2r  1  2 ] , (5) 35 Через те, що корисний об'єм V0 = const бочки для кожного типорозміру є заданою сталою 40 величиною, то виходячи з формули для об'єму бочки V0  r 2h виразимо внутрішню висоту h бочки через її внутрішній радіус r: V h 0 . r 2 Підставимо цей вираз у формулу (5) замість h і запишемо цільову функцію W(r), яку потрібно мінімізувати відносно r:  V   W r   2 r  0  2 1  r   2 1  2r  1  2   min ,    2  r    r  45 (6) Відомо, що необхідною умовою існування екстремуму для диференційованої функції є таке співвідношення: W'(r) = 0. Знайдемо похідну W'(r) та прирівняємо її нулю.   V W' (r)  0  W' r   2 r  2 1  0 1   2   0.   2 2r   2 UA 102030 C2 В результаті елементарних перетворень знайдемо нелінійне рівняння відносно r:  V   r 3   2  2 r 2  0  0 ,   1  2  (7) Після знаходження дійсного додатного кореня r з цього рівняння остаточно визначаємо 5 10 15 20   внутрішню висоту h бочки: h  V0 / r 2 . Для ілюстрації наведемо порівняльні розрахунки кількості витраченого матеріалу на 3 виготовлення стальної зварної циліндричної бочки типу І об'ємом 200 літрів, тобто V0 = 0,2м (див. ГОСТ 13950-91, стор. 4) і бочки з оптимальними розмірами. Величини Δ, δ1, δ2 виберемо згідно із ГОСТ 13950-91, а саме: Δ = 0,02 м; δ1 = 0,0015 м; δ2 = 0,004 м. Для таких вихідних даних рівняння (7) для обчислення внутрішнього радіуса r набуває 3 2 такого вигляду: r + 0,0933r - 0,03183 = 0. Розв'язавши це рівняння числовими методами, дістанемо єдиний дійсний корінь: r = 0,289м. Тепер знайдемо величину h: h = 0,762 м. За формулою (5) обчислимо загальний об'єм металу W заг, необхідного для виготовлення бочки такого типорозміру зі знайденими параметрами h = 0,762 м та r = 0,289 м. В результаті 3 розрахунків дістанемо: W заг = 0, 003377 м . Тепер обчислимо масу такої бочки Мвинах при густині 3 3 вуглецевої сталі ρ = 7,85·10 кг/м у відповідності із ГОСТ 16523-89: Мвинах = 26,51 кг. Порівняємо знайдену масу Мвинах із масою МГОСТ прототипу по ГОСТ 13950-91 (стор. 4, 3 табл. 1), яка для бочки із корисним об'ємом V0 = 0,2 μ дорівнює: МГОСТ = 30 кг. Отже, економія листового металу при виготовленні однієї бочки цього типорозміру дорівнює: ΔM = МГОСТ - Мвинах = 3,49 кг. У процентному відношенні отримана економія на одній бочці складає 11,63 %. Таким чином, запропонований нами винахід, який полягав у створенні економічної бочки для рідких матеріалів, забезпечив зменшення матеріалоємності бочки з корисним об'ємом V0 = 3 0,2 м на 11,63 % за рахунок спеціального вибору оптимального співвідношення між основними її конструктивними параметрами h і r. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 Бочка для рідких матеріалів, яка має циліндричну форму і складається з кришки, денця, бічної замкненої стінки та двох підсилюючих полос, встановлених у вузлах з'єднання кришки і денця із бічною замкненою стінкою, причому діаметри кришки та денця бочки є технологічно збільшеними на величину 2Δ порівняно із внутрішнім діаметром бочки d=2r для утворення вертикальних ребер жорсткості з однаковою висотою Δ по периметрах кришки та денця з наступним з'єднанням цих ребер з краями бічної стінки бочки з її середини та двох підсилюючих смуг по зовнішньому периметру її країв шляхом зварювання в єдине замкнене ребро жорсткості у вигляді кола для кожного з двох країв бочки, яка відрізняється тим, що величини внутрішнього радіуса бочки r та внутрішньої висоти h її бічної стінки визначаються з таких формул:  V V   r 3     2  2   r 2  0  0; h  0 ,   2 r 2 1   де V0 - заданий корисний об'єм бочки; δ1 - товщина сталевого листа, з якого виготовлено кришку, денце та бічну стінку бочки; δ2 - товщина сталевого листа, з якого виготовлено кожну з підсилюючих смуг; Δ - величина технологічного збільшення внутрішнього радіуса денця і кришки бочки, а також висота прямокутного перерізу кожної з підсилюючих смуг; π - стала, яка дорівнює π  3,14159. 3 UA 102030 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4