НАДРЕССОРНАЯ БАЛКА ТЕЛЕЖКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Заявляемая полезная модель относится к конструктивным элементам тележек железнодорожных грузовых вагонов, в частности, к конструкции надрессорной балки.
Известна надрессорная балка тележки железнодорожного вагона, выполненная в виде бруса замкнутого коробчатого сечения, равного сопротивлению изгиба, состоящего из нижнего пояса с внутренним продольным ребром, соединенного боковыми стенками с верхним поясом с подпятником и технологическими отверстиями, и имеющего в области отверстия верхнего пояса окончания дополнительных вертикальных ребер жесткости, начинающихся от выемок фрикционных клиньев и проходящих вдоль или ребра жесткости, или боковой стенки надрессорной балки, а в области подпятника усиления выполнены в виде сопряженных с наружной поверхностью верхнего пояса ребер с увеличивающейся к подпятнику высотой (RU 116109, B61F 5/50, опубл. 20.05.2012).
Технической проблемой указанного технического решения является недостаточная прочность и жесткость надрессорной балки, вследствие ее конструктивного выполнения, а именно геометрического выполнения и взаимного расположения внутреннего продольного ребра и дополнительных вертикальных ребер жесткости, приводящего к снижению несущей способности надрессорной балки.
Известна надрессорная балка тележки грузового вагона, содержащая верхний пояс с опорными площадками под скользуны, нижний пояс, содержащий вертикальное ребро, опорные площадки пружин рессорного комплекта, боковые вертикальные стенки, в которой переход вертикального ребра в верхний пояс выполнен по двум радиусам, причем R1>R2, на нижнем поясе симметрично вертикальному ребру расположены ребра жесткости, при этом ребра жесткости начинаются с внутренней стороны опорных площадок пружин рессорного комплекта, охватывают переходный участок нижнего пояса и заканчиваются на прямом участке нижнего пояса (RU 169160, B61F 5/52, опубл. 07.03.2017).
Технической проблемой указанного технического решения является пониженная прочность и жесткость надрессорной балки, вследствие ее конструктивного выполнения, а именно геометрического выполнения и взаимного расположения вертикального ребра и ребер жесткости, приводящего к снижению несущей способности надрессорной балки.
Известна балка надрессорная железнодорожной тележки в виде стальной отливки коробчатого сечения, состоящая из верхнего пояса, включающего в себя кольцевую плиту подпятника с буртом и системой продольных и поперечных подкрепляющих ребер, боковых вертикальных стенок с технологическими отверстиями, а также нижнего пояса с внутренними продольными ребрами, расположенными симметрично центральной продольной оси балки, и усиленная со стороны подпятника в концевой ее внутренней полости вертикальным ребром с плавным переходом в наклонный элемент нижнего пояса и в наклонный элемент верхнего пояса, горизонтальная концевая часть которого расположена ниже уровня опорной площадки под скользуны и сопряжена с ней с помощью радиусного перехода, в зоне которого выполнены дополнительные ребра жесткости, соединяющие верхний и нижний пояса, при этом расстояние между наружными стенками дополнительных ребер жесткости, плавно развивающихся со стороны торцов балки надрессорной во внутренней ее полости от опорной площадки рессорного комплекта в верхний пояс концевой части балки, а со стороны подпятника плавно сопрягающихся с верхним поясом балки в зоне опорной площадки под скользуны, а в нижней части, ограниченной зоной опорной площадки под скользуны, с продольными ребрами жесткости, расположенными на нижнем поясе по всей длине центральной части надрессорной балки, не превышает ширины опорной площадки рессорного комплекта во внутренней полости балки надрессорной в зоне между карманами для фрикционных клиньев (RU 2565642, B61F 5/00, опубл. 20.10.2015).
Технической проблемой указанного технического решения является пониженная прочность и жесткость надрессорной балки, вследствие ее конструктивного выполнения, а именно геометрического выполнения вертикальных ребер, дополнительных ребер жесткости и продольных ребер жесткости, расположенных на нижнем поясе по всей длине центральной части надрессорной балки, приводящего к снижению запаса прочности в наиболее нагруженных зонах надрессорной балки - в местах сопряжения наклонных участков верхнего и нижнего поясов с концевыми частями надрессорной балки и в центральной горизонтальной части нижнего пояса, зоне повышенных изгибных напряжений.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение прочности и жесткости надрессорной балки тележки железнодорожного грузового вагона.
1
2
3
2
3
4
max
max
Указанный технический результат достигается надрессорной балкой тележки железнодорожного грузового вагона, содержащей верхний пояс с технологическими отверстиями, боковые вертикальные стенки, нижний пояс с внутренними продольными ребрами высотой N, расположенными симметрично относительно центральной продольной оси надрессорной балки, дополнительные внутренние ребра жесткости, соединяющие верхний и нижний пояса и развивающиеся в верхней своей части от горизонтальной концевой части верхнего пояса в центральную часть надрессорной балки, плавно сопрягающиеся с верхним поясом в зоне опорной площадки под скользуны, а в нижней своей части развивающиеся от опорной площадки для рессорного комплекта нижнего пояса в центральную часть надрессорной балки, сопрягаясь с внутренними продольными ребрами, и внутренние центральные ребра, расположенные в концевых частях надрессорной балки, выполненные от торцов надрессорной балки с плавным переходом в наклонную часть нижнего пояса и в технологические отверстия верхнего пояса, дополнительные внутренние ребра жесткости выполнены между горизонтальной концевой частью верхнего пояса и опорной площадкой для рессорного комплекта нижнего пояса с переходом по радиусу R, выполненному в диапазоне от 45 до 58 мм, и выполнены между сопряжениями с верхним поясом в зоне опорной площадки под скользуны и с внутренними продольными ребрами с переходом по двум радиусам R и R, при этом R>R, внутреннее центральное ребро выполнено с переходом по радиусу R, выполненному в диапазоне от 78 до 90 мм между технологическим отверстием верхнего пояса и сопряжением с наклонной частью нижнего пояса, также внутренние продольные ребра в центральной горизонтальной части нижнего пояса выполнены с увеличением высоты N в направлении к вертикальной поперечной оси надрессорной балки до высоты N, при этом отношение суммы высоты N внутренних продольных ребер и толщины S нижнего пояса в своей центральной горизонтальной части к высоте Н центрального вертикального поперечного сечения надрессорной балки составляет от 0,15 до 0,3.
1
2
3
4
2
3
max
max
max
max
В качестве развития полезной модели переход по радиусу R может составлять 52,5 мм, переход по радиусу R может быть выполнен в диапазоне от 92 до 100 мм, переход по радиусу R может быть выполнен в диапазоне от 56 до 65 мм, переход по радиусу R может составлять 84 мм; переход по радиусу R предпочтительно может составлять 96 мм и переход по радиусу R предпочтительно может составлять 60 мм; отношение значений высоты N внутренних продольных ребер к наибольшей их высоте N в центральной горизонтальной части нижнего пояса может составлять 0,5≤N/N<1; толщина S нижнего пояса в своей центральной горизонтальной части может быть выполнена в диапазоне от 25 до 35 мм; высота N внутренних продольных ребер в центральной горизонтальной части нижнего пояса может быть выполнена в диапазоне от 17,5 до 83 мм; высота N внутренних продольных ребер в центральной горизонтальной части нижнего пояса может предпочтительно составлять 60 мм; высота Н центрального вертикального поперечного сечения надрессорной балки может быть выполнена в диапазоне от 350 до 360 мм; высота Н центрального вертикального поперечного сечения надрессорной балки может предпочтительно составлять 356 мм; толщина Т внутренних продольных ребер в центральной горизонтальной части нижнего пояса может быть выполнена в диапазоне от 20 до 30 мм.
1
2
3
2
3
4
max
max
1
2
3
4
2
3
max
max
max
max
Заявляемая полезная модель отличается от прототипа тем, что дополнительные внутренние ребра жесткости выполнены между горизонтальной концевой частью верхнего пояса и опорной площадкой для рессорного комплекта нижнего пояса с переходом по радиусу R, выполненному в диапазоне от 45 до 58 мм, и выполнены между сопряжениями с верхним поясом в зоне опорной площадки под скользуны и с внутренними продольными ребрами с переходом по двум радиусам R и R, при этом R>R, внутреннее центральное ребро выполнено с переходом по радиусу R, выполненному в диапазоне от 78 до 90 мм между технологическим отверстием верхнего пояса и сопряжением с наклонной частью нижнего пояса, также внутренние продольные ребра в центральной горизонтальной части нижнего пояса выполнены с увеличением высоты N в направлении к вертикальной поперечной оси надрессорной балки до высоты N, при этом отношение суммы высоты N внутренних продольных ребер и толщины S нижнего пояса в своей центральной горизонтальной части к высоте Н центрального вертикального поперечного сечения надрессорной балки составляет от 0,15 до 0,3; переход по радиусу R может составлять 52,5 мм, переход по радиусу R может быть выполнен в диапазоне от 92 до 100 мм, переход по радиусу R может быть выполнен в диапазоне от 56 до 65 мм, переход по радиусу R может составлять 84 мм; переход по радиусу R предпочтительно может составлять 96 мм и переход по радиусу R предпочтительно может составлять 60 мм; отношение значений высоты N внутренних продольных ребер к наибольшей их высоте N в центральной горизонтальной части нижнего пояса может составлять 0,5≤N/N<1; толщина S нижнего пояса в своей центральной горизонтальной части может быть выполнена в диапазоне от 25 до 35 мм; высота N внутренних продольных ребер в центральной горизонтальной части нижнего пояса может быть выполнена в диапазоне от 17,5 до 83 мм; высота N внутренних продольных ребер в центральной горизонтальной части нижнего пояса может предпочтительно составлять 60 мм; высота Н центрального вертикального поперечного сечения надрессорной балки может быть выполнена в диапазоне от 350 до 360 мм; высота Н центрального вертикального поперечного сечения надрессорной балки может предпочтительно составлять 356 мм; толщина Т внутренних продольных ребер в центральной горизонтальной части нижнего пояса может быть выполнена в диапазоне от 20 до 30 мм. Такое отличие от прототипа дает основание утверждать о соответствии предлагаемого технического решения критерию патентоспособности полезной модели - «новизна».
Заявляемое техническое решение поясняется графическим изображениями, где на фиг. 1 показана надрессорная балка тележки железнодорожного грузового вагона, вид сверху; на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1; на фиг. 3 - выносной элемент Б фиг. 3.
Надрессорная балка тележки железнодорожного грузового вагона выполнена в виде стальной отливки коробчатого сечения и содержит верхний пояс 1 с технологическими отверстиями 2, боковые вертикальные стенки 3, нижний пояс 4 с внутренними продольными ребрами 5 высотой N, расположенными симметрично относительно центральной продольной оси надрессорной балки, дополнительные внутренние ребра жесткости 6, соединяющие верхний пояс 1 и нижний пояс 4 и развивающиеся в верхней своей части от горизонтальной концевой части 1.1 верхнего пояса 1 в центральную часть надрессорной балки, плавно сопрягающиеся с верхним поясом 1 в зоне опорной площадки 1.2 под скользуны, а в нижней своей части развивающиеся от опорной площадки 4.1 рессорного комплекта нижнего пояса 4 в центральную часть надрессорной балки, сопрягаясь с внутренними продольными ребрами 5, и внутренние центральные ребра 7, расположенные в концевых частях надрессорной балки, выполненные от торцов надрессорной балки с плавным переходом в наклонную часть 4.2 нижнего пояса 4 и в технологические отверстия 2 верхнего пояса 1.
Технический результат заявляемой полезной модели, заключающийся в увеличении прочности и жесткости надрессорной балки тележки железнодорожного грузового вагона, обеспечивается следующим образом.
1
1
2
3
2
3
4
max
max
Дополнительные внутренние ребра жесткости 6 выполнены между горизонтальной концевой частью 1.1 верхнего пояса 1 и опорной площадкой 4.1 для рессорного комплекта нижнего пояса 4 с переходом по радиусу R, выполненным в диапазоне от 45 до 58 мм. Выполнение перехода по радиусу R предпочтительно составляет 52,5 мм. Внутренние ребра жесткости 6 выполнены между сопряжением с верхним поясом 1 в зоне опорной площадки 1.2 под скользуны и сопряжением с внутренними продольными ребрами 5 с переходом по двум радиусам R и R, при этом R>R. Внутреннее центральное ребро 7 выполнено между технологическим отверстием 2 верхнего пояса 1 и сопряжением с наклонной частью 4.2 нижнего пояса 4 с переходом по радиусу R, выполненному в диапазоне от 78 до 90 мм. Внутренние продольные ребра 5 в центральной горизонтальной части 4.3 нижнего пояса 4 выполнены с увеличением высоты N в направлении к вертикальной поперечной оси надрессорной балки до высоты N, при этом отношение суммы высоты N внутренних продольных ребер 5 и толщины S нижнего пояса 4 в своей центральной горизонтальной части 4.3 к высоте Н центрального вертикального поперечного сечения надрессорной балки составляет от 0,15 до 0,3. Такое геометрическое выполнение дополнительных внутренних ребер жесткости 6, внутренних центральных ребер 7 и внутренних продольных ребер 5 обеспечивает повышение запаса прочности в наиболее нагруженных зонах надрессорной балки - местах сопряжения наклонного участка верхнего пояса и наклонного участка 4.2 нижнего пояса с концевыми частями надрессорной балки, и в центральной горизонтальной части 4.3 нижнего пояса 4.
2
3
2
3
2
2
3
3
4
1
2
3
4
Выход за указанные диапазоны радиусов не обеспечит выход из зоны высоких растягивающих напряжений дополнительных внутренних ребер жесткости 6 и внутренних центральных ребер 7, которые выступят в роли концентраторов напряжений, что быстро приведет к снижению прочности и жесткости надрессорной балки. При выполнении переходов по двум радиусам R и R, где R≤R, не обеспечат снижение изгибных напряжений в дополнительных внутренних ребрах жесткости 6, что также отразится на прочности и жесткости надрессорной балки в целом. Переход по радиусу R может быть выполнен в диапазоне от 92 до 100 мм. Выполнение перехода по радиусу R предпочтительно составляет 96 мм. Переход по радиусу R может быть выполнен в диапазоне от 56 до 65 мм. Выполнение перехода по радиусу R предпочтительно составляет 60 мм. Выполнение перехода по радиусу R предпочтительно составляет 84 мм. Указанные диапазоны являются допустимыми для восприятия дополнительными внутренними ребрами жесткости 6 и внутренними центральными ребрами 7 напряжений. Указанные предпочтительные значения переходов по радиусам R, R и R, а также R определены расчетами напряжений, выполненными методом конечных элементов и анализом изломов в зонах с наибольшими напряжениями, и являются оптимальными для упрочнения конструкции надрессорной балки.
max
max
Заявляемое выполнение внутренних продольных ребер 5 обеспечивает перераспределение металла в наиболее нагруженную часть нижнего пояса 4 надрессорной балки - центральную горизонтальную часть 4.3, тем самым снижая в данной зоне изгибные напряжения от вертикальной нагрузки, что позволяет уменьшить уровень концентрации напряжений и повысить запас прочности, способствует улучшению прочностных и усталостных характеристик надрессорной балки тележки железнодорожного грузового вагона в целом. При отношении суммы высоты N внутренних продольных ребер 5 и толщины S нижнего пояса 4 в своей центральной горизонтальной части 4.3 к высоте Н центрального вертикального поперечного сечения надрессорной балки менее 0,15 внутренние продольные ребра 5 в центральной горизонтальной части 4.3 нижнего пояса 4 не выходят из зоны высоких растягивающих напряжений и выступают в роли концентраторов напряжений, что быстро приведет к развитию в них трещин. При отношении суммы высоты N внутренних продольных ребер 5 и толщины S нижнего пояса 4 в своей центральной горизонтальной части 4.3 к высоте Н центрального вертикального поперечного сечения надрессорной балки более 0,3 внутренние продольные ребра 5 выходят из зоны высоких напряжений, однако это не приведет к большему увеличению прочности, но приведет к излишнему увеличению массы нижнего пояса 4 надрессорной балки.
max
max
Отношение значений высоты N внутренних продольных ребер 5 к наибольшей их высоте N в центральной части 2.1 нижнего пояса 2 составляет 0,5≤N/N<1. Это позволяет обеспечить прочность и жесткость надрессорной балки за счет выполнения геометрии внутренних продольных ребер 5, в том числе и толщиной Т внутренних продольных ребер 5 в центральной горизонтальной части 4.3 нижнего пояса 4, которая может быть выполнена в диапазоне от 20 до 30 мм. Все это соответствует характеру напряжений при воздействии вертикальной нагрузки, обеспечивая увеличение момента сопротивления в данном сечении, что ведет к снижению напряжений, увеличению прочности и жесткости и препятствует возникновению деформаций.
Толщина S нижнего пояса 4 в своей центральной горизонтальной части 4.3 выполнена в диапазоне от 25 до 35 мм. Указанный диапазон является оптимальным для обеспечения местной прочности и несущей способности нижнего пояса 4 в его центральной горизонтальной части 4.3. Выход за нижние границы диапазона приведет к снижению прочности и жесткости нижнего пояса 4 и надрессорной балки в целом, а выход на верхнюю границу не приведет к большему увеличению прочности и жесткости нижнего пояса 4, однако приведет к увеличению его массы.
max
max
max
max
Высота N внутренних продольных ребер 5 в центральной горизонтальной части 4.3 нижнего пояса 4 может быть выполнена в диапазоне размеров от 17,5 до 83 мм, предпочтительно выполнение наибольшей высоты N, составляющей 60 мм. Выполнение наибольшей высоты N более 83 мм внутренние продольные ребра 5 в центральной горизонтальной части 4.3 нижнего пояса 4 не приведет к большему увеличению прочности нижнего пояса 4, однако приведет к увеличению его массы. При значении наибольшей высоты N менее 17,5 мм внутренние продольные ребра 5 в центральной горизонтальной части 4.3 нижнего пояса 4 не обеспечат достаточной и необходимой прочности для передачи и распределения нагрузок на нижний пояс 4 и будут выступать в роли концентраторов напряжений.
Надрессорная балка выполнена высотой Н в центральном вертикальном поперечном сечении в диапазоне от 350 до 360 мм, предпочтительно высотой Н, составляющей 356 мм. Превышение верхней границы диапазона обеспечит большее увеличение прочности и жесткости надрессорной балки тележки железнодорожного грузового вагона, однако приведет к излишнему увеличению ее массы. Выход за нижнюю границу диапазона не обеспечит допустимой прочности надрессорной балки.
Надрессорная балка тележки железнодорожного грузового вагона работает следующим образом.
Нагрузка от веса железнодорожного грузового вагона передается на верхний пояс 1, а затем через опорную площадку 4.1 рессорного комплекта нижнего пояса 4 на пружины рессорного комплекта (не показано).
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет уменьшить уровень концентрации напряжений и повысить запас прочности и способствует повышению жесткости надрессорной балки тележки железнодорожного грузового вагона в целом.