НАДРЕССОРНАЯ БАЛКА ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта и касается конструкции надрессорной балки тележки для грузовых вагонов.
Известна конструкция надрессорной балки (полезная модель №79509, МПК В61F 5/52, заявлен 22.07.2008).
Сущность конструкции в том, что надрессорная балка тележки грузового вагона, содержащая верхний пояс с внутренним вертикальным ребром, подпятником с плоской опорной плитой и упорным кольцевым буртом, нижний пояс, вертикальные боковые стенки и расположенную между верхним и нижним поясами опорную колонку подпятника, причем верхний пояс выполнен с технологическими отверстиями и посадочными поверхностями под скользуны.
Посадочные поверхности под скользуны выполнены с системой из отверстий, расположенных несимметрично относительно оси надрессорной балки, позволяющих устанавливать различные типы съемных скользунов на посадочную поверхность.
2
1
2
1
2
1
Каждая посадочная поверхность под скользун выполнена в виде плоской площадки, имеющей в плане форму прямоугольника и сопрягающейся с вертикальными боковыми стенками надрессорной балки посредством плоских наклонных стенок, а с верхним поясом - посредством криволинейной стенки, при этом в зоне установки скользунов надрессорная балка выполнена с плавным переходом радиуса сопряжения вертикальных стенок с верхним поясом и радиуса сопряжения внутреннего вертикального ребра с верхним поясом от величины R до величины R на расстоянии в обе стороны от вертикальной плоскости симметрии плоской площадки под скользун. Причем соотношение радиусов сопряжения составляет R≥2R, а расстояние, на котором радиус сопряжения вертикальных стенок с верхним поясом и радиус сопряжения внутреннего вертикального ребра с верхним поясом изменяется от величины R до величины R составляет от 10 до 400 мм.
Технологические отверстия, расположенные в верхнем поясе, выполнены с дополнительным усилением в виде округленного выступа на наружной поверхности, при этом вертикальный пояс выполнен без отверстия в вертикальной стенке в зоне установки скользунов.
К недостаткам следует отнести появление напряженных мест в наклонной плоскости нижнего пояса надрессорной балки, следствием которых является возникновение микротрещин.
Известна конструкция надрессорной балки тележки грузового вагона (патент RU №2193987, МПК В61F 5/52, от 11.09.2000).
Сущность конструкции заключается в том, что надрессорная балка тележки грузового вагона, содержащая верхний пояс с технологическими отверстиями, включающий в себя плиту подпятника с кольцевым буртом, нижний пояс с внутренними продольными ребрами, вертикальные боковые стенки и расположенную между верхним и нижним поясами опорную колонку подпятника, сопряженную в своей нижней части с внутренними продольными ребрами нижнего пояса, которая в верхней части на расстоянии от основания подпятника не более 2/3 от ее высоты расчленена в поперечном сечении при помощи жесткой технологической перегородки на две части, соединенные упругоподатливыми в вертикальной плоскости перемычками, огибающими перегородку с торца. Опорная колонка расчленена при помощи фасонной технологической перегородки, образующей на торцевых поверхностях обеих частей выступы сферической формы и расположенные напротив них сферические гнезда.
Высота сферических выступов и глубина сферических гнезд не превышает 1/2 толщины стенки колонки.
Предложена конструкция надрессорной балки повышает в целом ее жесткость, но вместе с тем, самым напряженным местом остается наклонная плоскость нижнего пояса.
Наиболее близким аналогом является конструкция надрессорной балки тележки (патент на полезную модель №104523, МПК В61F 5/52, заявлен 27.10.2010).
Сущность конструкции в том, что надрессорная балка тележки грузового вагона, содержащая верхний пояс с подпятником с плоской опорной поверхностью и упорным кольцевым буртом, с технологическими отверстиями и плоскими опорными площадками под скользуны с крепежными отверстиями, нижний пояс, вертикальные боковые стенки. Нижний пояс выполнен с опорной поверхностью на пружины тележки, переходящей в наклонный пояс, в зоне опорной поверхности на пружины по центру балки выполнено ребро, соединяющее верхний и нижний пояс, плавно переходящее под опорной площадкой скользуна в два вертикальных ребра, проходящих по всей длине балки до ее центра, под упорным кольцевым буртом подпятника ребра соединены поперечной перемычкой, уровень опорных площадок боковых скользунов ниже уровня опорной поверхности подпятника на величину L, опорные площадки под скользуны имеют прямоугольную форму со скругленными выступами в средней части, под опорными площадками скользунов в боковых стенках выполнены отверстия овальной формы, имеющие усиленные внутрь балки стенки, в концевых частях надрессорной балки выполнены карманы под фрикционные клинья, наклонные поверхности карманов имеют выступы над верхним поясом, на боковых стенках с внешней и внутренней стороны от кармана выполнены поперечные упоры, между карманом и внутренним поперечным упором на вертикальных боковых стенках расположены плоские упорные площадки.
Расстояние между двумя внутренними вертикальными ребрами может быть в 3,5…4 раза меньше расстояния между боковыми стенками в зоне подпятника.
Высота поперечной перемычки может составлять 55…65% от высоты сечения в зоне подпятника, а уровень площадок для установки боковых скользунов ниже уровня опорной поверхности подпятника на величину L, которая может быть 43…47 мм.
К недостаткам следует отнести тот факт, что данная конструкция надрессорной балки не обеспечивает достаточную надежность в эксплуатации. Статистические данные по изломам надрессорных балок показывают, что за полный период 2011 года число отцепок грузовых вагонов в ремонт из-за наличия трещин и изломов надрессорной балки на 35%. При этом 22,5% рекламаций приходится на износ, трещины и излом надрессорной балки по нижнему поясу.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение рабочего ресурса надрессорной балки тележки грузового вагона путем повышения ее прочности в зоне наклонной плоскости нижнего пояса.
Решение достигается тем, что надрессорная балка тележки грузового вагона коробчатого сечения содержит верхний пояс, включающий на концах балки посадочные поверхности в виде горизонтальных площадок под скользуны, в средней части плоскую опорную плиту с кольцевым буртом, технологические отверстия, нижний пояс имеет в средней части перегородки переходящие затем в продольное ребро, с наружной стороны на концах балки опорные места под рессорный комплект, вертикальные стенки имеют технологические отверстия, между верхним и нижним поясами установлены опорные колонки, отличающаяся тем, что металл надрессорной балки в зонах возникновения максимальных эквивалентных напряжений (например, от сопряжения горизонтальной площадки нижнего пояса с внутренним радиусом, и до сопряжения наружного радиуса с наклонной плоскостью нижнего пояса) содержит: хрома 0,8…1,2%, никеля 2…4%, молибдена 0,2…0,4%, ванадия до 0,5%, остальные элементы в пределах основного металла боковой рамы тележки согласно ОСТ (углерода 0,15-0,25; марганца 0,9-1,4; кремния 0,3-0,5; фосфора менее 0,04; серы менее 0,04; хрома менее 0,3; никеля менее 0,3; медь менее 0,6; ванадия 0,07-0,13).
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены:
Фиг.1 - зоны концентрации напряжении;
Фиг.2 - сечение А-А по фиг.2;
Фиг.3 - сечение Б-Б по фиг.2.
На фиг.1 - представлена зона между сечениями (А-А) и (Б-Б) распределения эквивалентных напряжений в надрессорной балке при третьем расчетном режиме (движение вагона с максимальной конструкционной скоростью в кривой малого радиуса) по программе специализированного вычислительного комплекса ANSYS, метод конечных элементов.
Наибольшие напряжения находятся между сечениями (А-А) и (Б-Б) в нижнем горизонтальном поясе надрессорной балки.
Балка выполнена коробчатого сечения и содержит верхний пояс 1, включающий по концам балки горизонтальные площадки 2 под скользуны, плоскую опорную плиту 3 с кольцевым буртом, технологические отверстия 4, нижний пояс 5 снабжен с обеих сторон перегородкой, переходящей в продольное ребро 6 на всю длину балки. Вертикальные стенки 7 имеют технологические отверстия 8, между верхним 1 и нижним 5 поясами расположены опорные колонки 8.
На фиг.2 представлено сечение А-А фиг.1, из него видно, что сечение надрессорной балки в том месте имеет коробчатое сечение разделенная перегородкой, переходящей в продольное ребро 6.
Показаны зоны максимальных напряжений.
На фиг.3 представлено сечение Б-Б фиг.1, из него видно, что сечение надрессорной балки в этом месте имеет коробчатое сечение и в нижней части балки видно продольное ребро 6 и зона максимального напряжения.
Под воздействием веса вагона на надрессорную балку передаются высокочастотные динамическим усилия.
При движении вагона в кривых участках дополняются усилия скручивания балки, что еще увеличивает эквивалентные напряжения в наиболее опасных зонах надрессорной балки.
Как показали исследования и расчеты, наибольшее напряжение возникает именно в нижнем поясе между сечением А-А и сечением Б-Б фиг.1.
Металл надрессорной балки между сечением А-А и Б-Б находится под наибольшей нагрузкой за счет изгибающих моментов.
Чтобы увеличить сопротивление металла в указанных зонах надрессорной балки (например, от сопряжения горизонтальной площадки нижнего пояса с внутренним радиусом, и до сопряжения наружного радиуса с наклонной плоскостью нижнего пояса) предлагается повысить прочностные характеристики металла в указанных местах за счет введения хрома 0,8…1,2%, никеля 2…4%, молибдена 0,2…0,4%, ванадия до 0,5%, остальные элементы в пределах основного металла.
Предложенное легирование предает металлу высокое временное сопротивления и высокий предел текучести с сохранением при этом большой вязкости, что характеризуется большой ударной сопротивляемостью.
Растворение легирующих элементов в Fea происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов.
Атомы легирующих элементов, отличаясь от атомов железа размерами и строением, создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. (А.П.Гуляев. «Металловедение». Издательство «Металлургия» 1978 г. стр.349-350).
Там же на рис.280 показаны влияние легирующих элементов на свойства феррита (твердость и ударная вязкость) и на рис.281 показано влияние легирующих элементов на порог хладостойкости.
Именно влияние присадки хрома и никеля обеспечивают повышение механических качеств и хладостойкость. Для получения необходимой прочности металла надрессорной балки предложено добавлять никеля от 2…4% и хрома до 0,8…1,2%.
Для обеспечения теплоустойчивости стали, т.е. повышение предела текучести, вводится молибден 0,2…0,5%.
Молибден, растворяясь в фазах железа, измельчает зерно, что очень благотворно влияет на механические качества металла, повышает прочность и сопротивление удару.
Для дисперсионного упрочнения и измельчения зерна вводится ванадий.
Наиболее эффективное действие ванадия на свойства стали достигается при содержании ванадия в стали 0,5%. В этом случае в раствор переходит упрочняющая фаза в количестве, достаточном для последующего дисперсионного упрочнения, а нерастворенной остается такое его количество, которое необходимо для торможения роста зерен при нагреве.
При этом сталь должна быть, хорошо раскислена, иметь достаточную температуру для создания благоприятной формы и расположения образующихся микровключений.
Предложенная конструкция надрессорной балки тележки грузового вагона была изготовлена и испытана на цикличность.
Результаты испытаний положительные.