ПРОДОЛЬНАЯ БАЛКА ШПИНТОННОЙ РАМЫ (ВАРИАНТЫ)
LENGTHWISE BEAM OF ANTI-RATTLE FRAME (VERSIONS)

Заявляемое изобретение относится к вагоностроению, а именно к узлам усиления шпинтонных рам тележек метрополитена.
Известны конструкции рам с продольными балками, описанные в патентах РФ №№23423, 27552, 39560, 57695.
Известные конструкции рам имеют ряд существенных конструктивных и эксплуатационных недостатков, заключающихся в нерациональном распределении массы металла как по длине продольной балки, так и по поперечному сечению в местах заделки шпинтонов, тормозных кронштейнов и др. силовых элементов рамы.
За прототип по первому и второму вариантам принята «Продольная балка шпинтонной рамы» (Российская Федерация, патент №22649, B61F 5/52, опубл. 20.04.2002 г.), содержащая промежуточный профиль коробчатого сечения, выполненный в виде симметрично расположенных участков (1) переменной ширины, оканчивающихся заодно выполненными с ними патрубками, в вертикальные отверстия которых вварены фланцы (7, 8) шпинтонных промежуточных втулок, перекрытые по всей длине их закрепления подкрепляющими частями (9) балки.
Основной недостаток: соединение промежуточной втулки (6) с патрубком (3) промежуточного профиля при недостаточности перекрытия его подкрепляющими частями (9) по сечению балки ослабляет ее в данном сечении. В этом месте нижняя полка продольной балки испытывает усилия растяжения в соединении с промежуточными втулками, и эти растяжения могут приводить к усталости металла и разрушению балки.
Задачей заявляемого изобретения по первому и второму вариантам является повышение эксплуатационной надежности продольной балки в узлах соединения ее с промежуточными втулками шпинтонов за счет более рационального распределения массы металла по длине продольной балки и по ее поперечному сечению.
Вариант 1. Сущность предложения.
Продольная балка шпинтонной рамы содержит переходной профиль с симметрично расположенными участками переменного коробчатого сечения, оканчивающимися заодно выполненными с ними соединительными элементами, в вертикальные отверстия последних вварены фланцы шпинтонных промежуточных втулок, зоны крепления которых перекрыты подкрепляющими частями балки. Новым является то, что подкрепляющие части балки выполнены в виде концевых прямоугольных труб с отверстиями для закрепления промежуточных и крайних втулок, полки и стенки каждой концевой трубы и соединительного элемента совмещены друг с другом плоскостями и скреплены при помощи промежуточных втулок, установленных в отверстиях сдвоенных полок, и боковых сварочных швов, выполненных в продольных вырезах стенок каждого соединительного элемента.
Кроме того, наружная стенка и верхняя полка концевой прямоугольной трубы, собранной из стальных полос, имеет меньшую толщину, чем внутренняя стенка, расположенная со стороны блока поперечных балок, и нижняя полка, расположенная со стороны шпинтонов.
Другой особенностью данной балки является то, что соединительный элемент переходного профиля собран заодно с ним из гнутых швеллеров с утолщенными стенками и подкреплен изнутри полками и стенками концевой прямоугольной трубы, собранной из тонкостенных гнутых швеллеров.
Вариант 2. Сущность предложения.
Продольная балка шпинтонной рамы содержит переходной профиль с симметрично расположенными участками переменного коробчатого сечения, оканчивающимися заодно выполненными с ними соединительными элементами, в вертикальные отверстия последних вварены фланцы шпинтонных промежуточных втулок, зоны крепления которых перекрыты подкрепляющими частями балки. Новым является то, что подкрепляющие части балки выполнены в виде сквозной прямоугольной трубы с отверстиями для закрепления промежуточных и крайних втулок, полки которой и совмещенные с ними плоскостями полки переходного профиля соединены между собой двумя непрерывными сварочными швами, расположенными продольно в одной плоскости с осью балки, при этом полки переменной ширины подкреплены изнутри переходного профиля полками сквозной трубы, перекрывающими в соединительных элементах зоны крепления фланцев промежуточных втулок, при этом стенки соединительных элементов через боковые вырезы приварены к стенкам сквозной трубы с образованием равных консолей для крепления крайних шпинтонных втулок со сквозной трубой при помощи промежуточных втулок, соосно установленных в отверстиях совмещенных полок, и боковых сварочных швов, выполненных в вырезах одинаково утолщенных стенок соединительных элементов и соединяющих их со сквозной тонкостенной трубой.
Кроме того, наружная стенка и верхняя полка сквозной прямоугольной трубы, собранной из стальных полос, равных длине балки, имеют меньшую толщину, чем внутренняя стенка, расположенная со стороны блока поперечных балок, и нижняя полка, расположенная со стороны шпинтонов.
Особенностью данной балки является то, что нижняя и верхняя полки по всей длине переходного профиля дополнительно подкреплены утолщенной нижней и тонкостенной верхней полками сквозной прямоугольной трубы.
Верхняя и нижняя полки сквозной прямоугольной трубы, равной длине заявляемой балки, и соединенные с ними плоскостями полки переходного профиля образованы гнутыми швеллерами, соединены между собой двумя непрерывными сварочными швами и образуют симметрично расположенные один в другом коробчатые профили, из которых внутренний имеет полки меньшей толщины, чем переходной профиль.
Технический результат выразится в следующем.
Вариант 1.
Выполнение подкрепляющей части балки в виде двойного соединения стенок и полок соединительного элемента переходного профиля и концевой прямоугольной трубы, подкрепляющими полками которой перекрыты зоны крепления фланцев, а также соединение стенок прямоугольной трубы сваркой с кромками боковых симметричных вырезов прямоугольного участка данного профиля обеспечивает при той же массе продольной балки снижение уровня напряжений в указанных сечениях балки и увеличение устойчивости ее стенок в соединениях с промежуточными втулками шпинтонов. Это повысит эксплуатационную надежность балки и рамы в целом.
Дополнительное подкрепление нижней полки и внутренней стенки прямоугольного участка переходного профиля утолщенными нижней полкой и внутренней стенкой прямоугольной концевой трубы, собранной из стальных пластин разной толщины, позволит рационально использовать массу металла по сечениям балки.
Сборка прямоугольного участка упомянутого профиля заодно с ним из гнутых швеллеров с утолщенными стенками и подкрепление переходного профиля изнутри полками прямоугольной концевой трубы, собранной из тонкостенных гнутых швеллеров, позволит рационально использовать массу металла по длине балки и уменьшит трудоемкость ее сборки за счет сокращения сварочных работ.
Вариант 2.
Выполнение подкрепляющей части балки в виде двойного безмуфтового соединения стенок и полок прямоугольного участка и прямоугольной одиночной трубы, проходящей через полость переходного профиля, а также перекрытие подкрепляющими полками одиночной трубы зон крепления фланцев, соединение стенок одиночной трубы сваркой с кронштейнами боковых симметричных вырезов прямоугольных участков переходного профиля, симметричное совмещение верхней и нижней полок одиночной трубы с полками переменной ширины, соединение их между собой по горизонтали и по вертикали продольным сварочным швом, расположенным в вертикальной плоскости с осью балки, увеличит несущую способность продольной балки и надежность ее соединения с промежуточными шпинтонными втулками.
Соосное закрепление промежуточных втулок в отверстиях совмещенных полок переходного профиля и одиночной прямоугольной трубы увеличит несущую способность продольных балок и в целом жесткость всей рамы тележки.
Дополнительное подкрепление нижней и верхней полок по всей длине переходного профиля утолщенной нижней полкой прямоугольной одиночной трубы и ее верхней тонкостенной полкой позволит при той же массе продольной балки увеличить ее жесткость в среднем сечении.
Сборка переходного профиля и подкрепляющей его прямоугольные участки одиночной тонкостенной трубы из гнутых швеллеров, полки которых совмещены по всей длине переходного профиля плоскостями друг с другом и собраны симметрично относительно оси балки посредством двух продольных сварочных швов, снизит трудоемкость изготовления балок и увеличит их жесткость в среднем сечении.
Прилагаемые чертежи изображают:
Первый вариант.
На фиг.1 - продольная балка, вид сбоку, средняя часть этой балки выполнена из более толстых листовых деталей, а прямоугольные концевые трубы - из более тонких стальных пластин (в данном варианте балка собрана из трех групп взаимно удлиняющих друг друга листовых деталей);
На фиг.2 - вид сверху на продольную балку;
На фиг.3 - поперечный разрез по А-А на фиг.2 (показано сечение прямоугольной концевой трубы, изготовленной из тонких и утолщенных стальных пластин);
На фиг.4 - поперечный разрез по А-А на фиг.2 (показано сечение прямоугольной концевой трубы, изготовленной из гнутых швеллеров, толщина полок которых меньше, чем толщина стенок переходного профиля).
Второй вариант.
На фиг.5 - прямоугольная одиночная труба, средняя часть которой охвачена переходным профилем переменной ширины, выполненным из более толстого листового проката;
На фиг.6 - вид сверху на продольную балку, соединенную жестко с блоком поперечных балок коробчатого сечения;
На фиг.7 - поперечный разрез по Б-Б на фиг 6. (показано сечение прямоугольной одиночной трубы, изготовленной из тонких и утолщенных продольных пластин, соединенных между собой продольными сварочными швами; сечение переходного профиля, в котором утолщенные полки переменной ширины собраны из предварительно сваренных в швеллера продольных пластин, образующих между собой переходной профиль, плоскости полок которого совмещены с плоскостями полок прямоугольной одиночной трубы);
На фиг.8 - поперечный разрез по Б-Б на фиг.6 (тонкостенные полки гнутых швеллеров соединены сваркой встык и образуют полки прямоугольной одиночной трубы; аналогично собраны в переходном профиле полки переменной ширины, выполненными уширенными в середине, а на концах переходного профиля образованы прямоугольные участки с вертикальными отверстиями, выполненными соосно вертикальным отверстиям прямоугольной одиночной трубы под фланцы промежуточных втулок).
Первый вариант.
Продольная балка шпинтонной рамы содержит переходной профиль 1 (фиг.1) коробчатого сечения (фиг.3, 4), собранный из утолщенных стальных пластин или гнутых швеллеров одинаковой толщины. Профиль 1 имеет симметрично расположенные участки 2 переменного коробчатого сечения, оканчивающиеся заодно выполненными соединительными элементами 3 (фиг.2, 6) с боковыми продольными вырезами 4 (фиг.1, 5), выполненными в его стенках 5 (фиг.3, 4). Переходной профиль имеет уширенные в середине нижнюю 6 и верхнюю 7 полки (фиг.1, 5) переменной ширины, оканчивающиеся нижней 8 и верхней 9 полками (фиг.3, 4) соединительного элемента 3 (фиг.2, 6).
В вертикальных отверстиях 10 и 11 (фиг.1, 5) соединительных элементов 3 и подкрепляющих частей балки, выполненных в виде концевых прямоугольных труб (фиг.1, 2), закреплены соосно фланцы 13, 14 (фиг.3, 4) промежуточных втулок 15, 16 (фиг.3, 4).
Полки 8, 9 с зонами крепления 17, 18 (фиг.3, 4) фланцев 13, 14 перекрыты полками 19, 20 (фиг.3, 4) концевой трубы 12 (фиг.1.), подкрепляющими изнутри зоны крепления фланцев 13, 14 промежуточных втулок.
Промежуточные втулки закреплены в соосных отверстиях 10, 11 (фиг.1) совмещенных полок переходного профиля 1 (фиг.2) и концевых труб 12 равной длины.
Переходный профиль 1 (фиг.1, 2) и соединительные элементы 3 выполнены из листового проката, одинаково утолщенными по сравнению с подкрепляющими частями балки. Последние имеют форму прямоугольных труб: сквозной одиночной 21 (фиг.5, 6) на всю длину заявляемой балки или двух концевых 12 (фиг.1, 2) с вертикальными отверстиями 10, 11 (фиг.3, 4) для подкрепления фланцев промежуточных втулок и с вертикальными отверстиями 22 и 23 (фиг.1) для соосного крепления крайних шпинтонных нижних 24 и верхних 25 втулок (фиг.1).
Подкрепляющая часть балки выполнена в виде двойного соединения стенок 5 и полок 8 и 9 соединительного элемента 3 и прямоугольной концевой трубы 12, подкрепляющими полками 19 и 20 (фиг.3, 4) которой перекрыты зоны крепления 17, 18 фланцев 13 и 14, вваренных в отверстия соединительного элемента 3.
Наружная 26 и внутренняя 27 стенки каждой концевой прямоугольной трубы соединены сварочными швами 28, 29 с кромками боковых вырезов 4 соединительного элемента 3.
Нижняя полка 8 и внутренняя стенка 5' соединительного элемента (фиг.3) дополнительно подкреплены утолщенными нижней полкой 19 и наружной стенкой 26 концевой прямоугольной трубы, собранной из стальных пластин разной толщины.
Соединительный элемент 3 переходного профиля 1, собранного из гнутых швеллеров (фиг.4) с утолщенными стенками в его соединениях с фланцами 13, 14 промежуточных втулок 15, 16 подкреплен полками 19 и 20 концевой прямоугольной трубы, собранной из тонкостенных гнутых швеллеров.
Полки 8, 9 соединительных элементов 3 и полки 19, 20 концевой прямоугольной трубы жестко соединены между собой посредством нижней 15 и верхней 16 соосно закрепленных сварочными швами втулок.
По первому варианту продольную балку собирают с помощью сварочного автомата из стальных полос (фиг.3) разной толщины. Для этого полосы предварительно фиксируются в кондукторе, а затем их сваривают между собой в два швеллера: внешний - с наружной стенкой 26 и внутренний - с утолщенной полкой 27.
Аналогично описанному собирают из стальных полос два швеллера переменной ширины, оканчивающиеся каждый выступами, имеющими сечение швеллера, полученного сваркой из трех полос.
Концы полок и стенок внешнего и внутреннего швеллеров совмещают с внутренними поверхностями полок и стенок выступов, в совмещенные соосно отверстия сдвоенных полок собранных профилей коробчатых сечений устанавливают две пары промежуточных шпинтонных втулок и соединяют сваркой зафиксированные составные части в продольную балку по всей ее длине.
Переходный профиль 1 коробчатого сечения собирается из одинаково утолщенных стальных полос, а удлиняющие его концевые прямоугольные трубы - из стальных полос разной толщины. Аналогично описанному собирают продольную балку из гнутых швеллеров.
Второй вариант.
Особенностью данного варианта продольной балки по сравнению с ее первым вариантом является то, что подкрепляющая часть балки выполнена в виде сквозной прямоугольной трубы 21 по всей длине балки с нижними 30 и верхними 31 промежуточными отверстиями, с нижним 32 и верхним 33 концевыми отверстиями (фиг.5) для закрепления шпинтованными швами промежуточных 15, 16 и крайних 24, 25 шпинтонных втулок.
Сквозная прямоугольная труба 21 скреплена сваркой с соединительными элементами 3 (фиг.6). В отверстиях 10, 11 (фиг.1) и 30, 31 (фиг.5) совмещенных полок 8, 9 (фиг.3) каждого соединительного элемента 3 (фиг.2, 6) полок 34, 35 (фиг.8) сквозной прямоугольной трубы 21 (фиг.5) соосно установлены промежуточные втулки 15 и 16 (фиг.4).
В продольных вырезах 4 одинаково утолщенных стенок 5 (фиг.4) соединительного элемента 3 выполнены сварочные швы 28 и 29, соединяющие стенки 5 (фиг.3,4) со сквозной прямоугольной трубой 21 (фиг.6).
Полки 34, 35 (фиг.7, 8) сквозной трубы 21 симметрично совмещены с плоскостями полок 6 и 7 переменной ширины и собраны посредством расположенных в одной плоскости с осью балки сварочных швов 36, 37 в контурные подкрепляющие друг друга профили.
Наружная стенка 26 и верхняя полка 35 (фиг.7) сквозной прямоугольной трубы 21, собранной из шести стальных полос, равных длине заявляемой балки, имеют меньшую толщину, чем внутренняя стенка 27 (фиг.7), расположенная со стороны блока поперечных коробчатых балок 38, и нижняя полка 34, расположенная со стороны шпинтонов 39 (фиг.1).
Одинаково утолщенные полки 6 и 7 переменной ширины переходного профиля 1 (фиг.5) дополнительно подкреплены утолщенной нижней 34 (фиг.7) и тонкостенной верхней 35 полками (фиг.7) сквозной прямоугольной трубы 21.
Сквозная прямоугольная труба 21 (фиг.5, 6) собрана из тонкостенных, равных длине заявляемой балки, гнутых швеллеров 26, 27 (фиг.8) и периметрически охвачена в зонах крепления шпинтонных промежуточных втулок 15, 16 (фиг.3) соединительными элементами 3 (фиг.6) утолщенного переходного профиля 1 (фиг.5) и соединена со стенками 5 (фиг.4) замкнутыми в круг сварочными швами 24, 25 (фиг.5, 6).
По второму варианту переходный профиль собирают также из одинаково утолщенных стальных полос, а расположенную внутри его сквозную прямоугольную трубу собирают из шести равных длине всей балки стальных полос разной толщины (фиг.7).
Для этого стальные полосы фиксируют и собирают в кондукторе с помощью сварочного автомата в два одинаковых по высоте, но разных по сечению швеллера: внешний - с тонкостенной полкой 26 и внутренний - с утолщенной полкой 27 (фиг.7).
Аналогично описанному собирают из стальных полос два швеллера переменной ширины, оканчивающиеся каждый выступами, имеющими сечение швеллера, полученного сваркой из трех полос равной толщины. Кромки полок и плоскости совмещенных горизонтальных стенок четырех полученных сваркой швеллеров постоянного и переменного сечений совмещают между собой и сваривают в коробчатые сечения двумя продольными швами 36 и 37, расположенными в одной плоскости с осью балки. В совмещенные соосно отверстия сдвоенных полок собранных профилей коробчатых сечений устанавливают две пары промежуточных шпинтонных втулок и соединяют сваркой в замкнутые по сечению профили, при этом полки и стенки выступов образуют соединительные элементы 3 (фиг.6), охватывающие жестко сквозную трубу.
Аналогично описанному собирают продольную балку из гнутых тонкостенных швеллеров. Тонкостенная сквозная труба, собранная из гнутых швеллеров, имеет продольные стенки, которые выполняют функцию разделительных ребер жесткости в переходном профиле.