Економічна бочка для рідких матеріалів

Реферат: Економічна бочка для рідких матеріалів 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. Діаметри кришки та денця бочки є технологічно збільшеними на величину 2 порівняно із внутрішнім діаметром бочки d  2r для утворення вертикальних ребер жорсткості з однаковою висотою  по периметрах кришки та донця. Величини внутрішнього радіуса бочки r та внутрішньої висоти h її бічної стінки визначаються з формул. UA 72760 U (12) UA 72760 U UA 72760 U Корисна модель належить до 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 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 V0  250 дм 3 , яка виготовляється згідно із ГОСТ 26155-84 "Бочки из коррозионно-стойкой стали. Технические условия". - М.: 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 заявленої корисної моделі є конструкція металевої бочки типорозміру І об'ємом V0  250 дм 3 (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 1 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  2 і висотою перерізу  . Для надійного з'єднання кришки та денця з бічною циліндричною стінкою бочки їхні діаметри технологічно збільшуються на величину 2 для утворення вертикальних ребер жорсткості з однаковою висотою  по периметрах кришки та денця. 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 корисної моделі поставлена задача 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 2 порівняно із внутрішнім діаметром бочки d  2r для утворення вертикальних ребер жорсткості з однаковою висотою  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 корисною моделлю, величини внутрішнього радіуса бочки r та внутрішньої висоти h її бічної стінки визначаються з таких формул:  V   V r 3     2  2   r2  0  0, h  0 ,   1  2  r 2 де V0 - заданий корисний об'єм бочки; 1 UA 72760 U 5 10 15 20 1 - товщина сталевого листа, з якого виготовлено кришку, денце та бічну стінку бочки;  2 - товщина сталевого листа, з якого виготовлено кожну з підсилюючих полос;  - величина технологічного збільшення внутрішнього радіуса донця і кришки бочки, а також висота прямокутного перерізу кожної з підсилюючих полос;  - стала, яка дорівнює;   3,14159 . Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими ознаками та очікуваним результатом полягає в наступному. Основна ознака корисної моделі 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 Wзаг , який витрачається на виготовлення бочки. Нехай бочка має форму круглого прямого циліндра з радіусом основи r  0.5 d та зовнішньою висотою H  h  2 (див. фіг. 1). Спочатку знайдемо об'єм металу Wбічн , який потрібно використати на виготовлення бічної поверхні бочки з листової сталі товщиною 1 : (1) Wбічн  2rH1  2r(h  2)1 . Тепер запишемо формулу для об'єму металу Wосн , який витрачається на виготовлення одного денця (або кришки) з урахуванням технологічного збільшення його радіуса на величину 1   для зварювання (тут товщина листової сталі теж дорівнює 1 ): Wосн  (r   ) 2 1 . Після цього встановимо формулу для об'єму металу 25 30 (2) Wпол , який витрачається на виготовлення одної підсилюючої полоси товщиною перерізу  2 і висотою перерізу  : (3) Wпол  2(r  1) 2 . Тепер запишемо вираз для загального об'єму металу Wзаг , необхідного для виготовлення всієї бочки: Wзаг  Wбічн  2Wосн  2Wпол . Після підстановки правих частин формул (1) - (3) у формулу (4) дістанемо: (5) Wзаг  2 r(h  2 )1  (r   ) 2 1  2(r  1 )1  .     Через те, що корисний об'єм V0  const бочки для кожного типорозміру є заданою сталою величиною, то виходячи з формули для об'єму бочки V0  r 2h виразимо внутрішню висоту h бочки через її внутрішній радіус r: h  35 V0 . r 2 Підставимо цей вираз у формулу (5) замість h і запишемо цільову функцію W(r ) , яку потрібно мінімізувати відносно r:  V   (6) W (r )  2 r  0  2 1  (r   ) 2 1  2(r  1 ) 2  .  2       r  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r 2   В результаті елементарних перетворень знайдемо нелінійне рівняння відносно r.  V   r 3   2  2 r 2  0  0  1  2   (7). 2 UA 72760 U Після знаходження дійсного додатного кореня r з цього рівняння остаточно визначаємо оптимальну внутрішню висоту h бочки: h  V0 ( r 2 ) . Для ілюстрації наведемо порівняльні розрахунки кількості витраченого матеріалу на 5 виготовлення стальної зварної циліндричної бочки типу І об'ємом 200 літрів, тобто V0  0,2 м 3 (див. ГОСТ 13950-91, стор. 4) і бочки з оптимальними розмірами. Величини  , 1 ,  2 виберемо із ГОСТ 13950-91, а саме:   0,02 м ; 1  0,0015 м ;  2  0,004 м . Для таких вихідних даних рівняння (7) для обчислення внутрішнього радіуса r набуває такого вигляду: r 3  0,0933 r 2  0,03183  0 . Розв'язавши це рівняння числовими методами, дістанемо єдиний дійсний корінь: r  0,289 м . Тепер знайдемо величину h: h  0,762 м . 10 За формулою (5) обчислимо загальний об'єм металу Wзаг , необхідного для виготовлення бочки такого типорозміру зі знайденими параметрами h  0,762 м та r  0,289 м . В результаті розрахунків дістанемо: Wзаг  0,003377 м 3 . Тепер обчислимо масу такої бочки Мвинах при густині вуглецевої сталі   7,85  10 3 кг / м3 у відповідності із ГОСТ 16523-89: Мвинах  26,51кг . Порівняємо знайдену масу Мвинах із масою МГОСТ прототипу по ГОСТ 13950-91 (стор.4, 15 20 табл.1), яка для бочки із корисним об'ємом V0  0,2 м 3 дорівнює: МГОСТ  30 кг . Отже, економія листового металу при виготовленні однієї бочки цього типорозміру дорівнює: М  МГОСТ  Мвинах  3,49 кг . У процентному відношенні отримана економія на одній бочці складає 11,63 %. Таким чином, запропонована нами корисна модель по створенню економічної бочки для рідких матеріалів за рахунок спеціального вибору оптимального співвідношення між основними її конструктивними параметрами h і r забезпечила зменшення матеріалоємності бочки з корисним об'ємом V0  0,2 м 3 на 11,63 %. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 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 2 порівняно із внутрішнім діаметром бочки d  2r для утворення вертикальних ребер жорсткості з однаковою висотою  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, 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   r2  0  0, h  0 ,   1  2  r 2 де V0 - заданий корисний об'єм бочки; 40 1 - товщина сталевого листа, з якого виготовлено кришку, денце та бічну стінку бочки;  2 - товщина сталевого листа, з якого виготовлено кожну з підсилюючих полос;  - величина технологічного збільшення внутрішнього радіуса донця і кришки бочки, а також висота прямокутного перерізу кожної з підсилюючих полос;  - стала, яка дорівнює   3,14159 . 3 UA 72760 U 5 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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