ШТАМПОСВАРНАЯ НАДРЕССОРНАЯ БАЛКА ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Предполагаемая полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции штампосварной надрессорной балки тележки грузового вагона.
Известна надрессорная балка сварной конструкции, которая устанавливалась в грузовой поясной тележке. Надрессорная балка поясной тележки содержит верхний пояс, на котором устанавливаются подпятник и два скользуна, а также две вертикальные стенки и нижний лист изогнутой формы, которые соединяются между собой при помощи сварки, образуя несущую конструкцию коробчатого сечения (И.Ф.Скиба., Вагоны - М., Трансжелдориздат, 1961 г., с.94). Многолетняя эксплуатация поясных тележек показала недостаточную прочность упомянутых сварных надрессорных балок.
В настоящее время большинство серийно изготавливаемых тележек (моделей 18-100, 18-578 и др.) для грузовых вагонов оборудуются надрессорными балками литой конструкции.
Однако, острый дефицит литья в отечественном вагоностроении, а также проблемы экологического характера, связанные с загрязнением окружающей среды от металлургического производства, привели к появлению альтернативных решений, заключающихся в разработке и внедрении штампосварных несущих конструкций в грузовых тележках (Б.Л.Недорчук и др., - Перспективные направления развития и промышленного внедрения грузовых тележек нового поколения для повышенных скоростей движения на железнодорожном транспорте., ж. Тяжелое машиностроение, №7, 2004 г., вкладка).
Следует также отметить, что современные расчетные методы (метод конечных элементов) достаточно точно позволяют определить напряженно-деформированное состояние сварной конструкции и создать балку, имеющую усталостную прочность не ниже литого аналога.
Наиболее близкой к заявляемой по совокупности существенных признаков является надрессорная балка, применяемая в тележке КВЗ-ЦНИИ (И.Ф.Пастухов и др., Вагоны - М., Транспорт, 1988 г., с.89).
Надрессорная балка содержит верхний пояс, две боковые стенки и нижний лист, которые соединяются между собой при помощи сварки, образуя несущее коробчатое сечение. Верхний пояс состоит из трех частей, посередине которого при помощи заклепок размещен подпятник, а также два скользуна по концевым частям. Концевые части верхнего пояса и нижнего листа выполнены с уширением для установки пружинных комплектов подвешивания. Подпятник подкреплен двумя внутренними ребрами жесткости, которые размещены внутри балки поперек ее продольной оси и соединены между собой косынкой, причем последние приварены к вертикально расположенной втулке, установленной соосно с отверстием в подпятнике для сопряжения с замковым шкворнем. Внутренние ребра жесткости, косынка и втулка образуют узел усиления средней части балки.
Недостатком данного технического решения применительно к надрессорной балке тележки грузового вагона является ограниченная несущая способность балки, принятой за прототип. Это связано с функциональными отличиями пассажирских тележек от грузовых, а именно:
- опирание кузова пассажирского вагона на надрессорную балку тележки осуществляется через скользуны. При этом расчетная схема - балка на двух опорах с приложением двух
сосредоточенных сил, каждая из которых равна половине нагрузки от веса кузова, при действии их достаточно близко к опорам. В грузовой тележке передача нагрузки от веса кузова осуществляется через подпятник надрессорной балки, расположенный по центру;
- максимальная нагрузка, передаваемая на скользуны надрессорной балки пассажирской тележки в соответствии с ГОСТ 10527-84 составляет 28,5 тс, в то время как для грузовых тележек нагрузка на подпятник составляет от 42 до 45 тс (ГОСТ 9246-2004);
- добавочная динамическая составляющая от вертикальной нагрузки, действующая на балку, для грузовых вагонов значительно больше, чем для пассажирских.
Снижение уровня напряжений от действующих сил и доведение их до допускаемых значений достигается в конструкциях известными способами:
- увеличением момента сопротивления путем увеличения линейных размеров самого сечения, размеров элементов, входящих в это сечение или их совокупностью;
- введением дополнительных элементов жесткости, которые оптимально подбираются по форме, взаимному расположению относительно других элементов, образующих основное несущее сечение, а также соединению их между собой;
- уменьшением влияния геометрических концентраторов (применением плавных переходных сопряжений).
При создании полезной модели решалась задача увеличения несущих способностей и повышения надежности в эксплуатации штампосварной надрессорной балки тележки грузового вагона.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель - повышение прочностных и усталостных
характеристик штампосварной надрессорной балки тележки грузового вагона путем введения в ее конструкцию дополнительного элемента жесткости, а также его расположения и соединения с другими элементами балки.
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что в штампосварной надрессорной балке тележки грузового вагона, содержащей соединенные между собой при помощи сварки две продольные боковые стенки, верхний пояс и нижний лист, концевые части которых выполнены с уширением, скользуны, а также два внутренних ребра жесткости, расположенных поперек продольной оси балки между продольными боковыми стенками и верхним поясом, и соединенные между собой косынкой и вертикально расположенной втулкой, образующие узел усиления средней части балки, последняя дополнительно снабжена на всю длину вертикальным листом. Упомянутый лист расположен внутри между боковыми стенками и имеет посередине прямоугольный вырез. Нижняя кромка вертикального листа соединена с нижним листом, повторяя его конфигурацию, а верхняя кромка установлена по отношению к верхнему поясу с зазором. Прямоугольный вырез, выполненный в вертикальном листе, охватывает два внутренних ребра жесткости, образуя неразъемное соединение. Верхний пояс состоит из трех частей: двух листов и подпятниковой плиты с подпятником, которые соединены между собой встык при помощи сварки. Кроме того, нижний лист выполнен изогнутой формы с радиусами сопряжения по средней части балки R равному от 780 до 820 мм, а по концевым - R равному от 180 до 220 мм.
Повышение прочностных и усталостных характеристик надрессорной балки достигается за счет уменьшения изгибных напряжений в ней путем установки между продольными боковыми стенками по всей длине вертикального листа, неподвижно соединяемого
с нижним листом и подкрепления им элементов узла усиления средней части балки, состоящего из двух внутренних ребер жесткости, косынки и втулки их объединяющих.
Выполненные методом конечного элемента прочностные расчеты балки показали, что заявляемая полезная модель имеет значительно меньшую деформацию нижнего листа, и как следствие - депланацию всего несущего сечения по сравнению с балкой без вертикального листа.
Нагружение балки без вертикального листа силой, приложенной вертикально к подпятнику, вследствие значительной депланации нижнего листа и продольных боковых стенок приводит к изменению конфигурации поперечного сечения балки. При этом существенно изменяется угол между продольной боковой стенкой и нижним листом, который должен быть 90°. Это приводит к нагружению сварного шва подламывающими силами, на восприятие которых он не рассчитан. В условиях действия знакопеременной нагрузки циклического характера, упомянутое нерегламентированное нагружение сварного шва приводит к образованию усталостных трещин, что было выявлено при проведении стендовых усталостных испытаний.
Введение в конструкцию надрессорной балки вертикального листа существенно снижает депланацию нижнего листа и продольных боковых стенок и практически устраняет действие подламывающих сил, что приводит к повышению прочности надрессорной балки.
Уменьшение изгибных напряжений в средней части балки у заявляемой полезной модели достигается за счет соединения элементов узла усиления с вертикальным листом посредством выреза, расположенного посередине упомянутого листа и охватывающего внутренние ребра жесткости, образуя неразъемное соединение. Такое соединение перераспределяет изгибные напряжения, возникающие в средней части балки, между верхним поясом, продольными боковыми
стенками, нижним листом и дополнительно установленным вертикальным листом в сторону их уменьшения по каждому вышеупомянутому элементу.
Кроме того, подпятник, выполненный заодно с подпятниковой плитой в предлагаемой полезной модели, включен в расчетную силовую схему балки путем соединения подпятниковой плиты с двумя листами сваркой встык и увеличивает момент сопротивления изгибу по средней части балки.
1
2
Уменьшение влияния геометрических концентраторов на напряженно-деформированное состояние надрессорной балки достигается применением плавных переходных сопряжений в нижнем листе. По средней части балки радиус сопряжения R принят в пределах от 780 до 820 мм, а по концевым частям - R принят от 180 до 220 мм.
Предполагаемая штампосварная надрессорная балка тележки грузового вагона иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2, 3, 4 где:
на фиг.1 - изображен общий вид надрессорной балки с местным вырезом;
на фиг.2 - вид сверху на фиг.1 с местным вырезом;
на фиг.3 - вид на вертикальный лист с прямоугольным вырезом;
на фиг.4 - общий вид на подпятниковую плиту с элементами усиления.
Штампосварная надрессорная балка тележки грузового вагона, содержит соединенные между собой при помощи сварки, две продольные боковые стенки 1, верхний пояс 2, нижний лист 3, концевые части которых выполнены с уширением 4, скользуны 5, а также два внутренних ребра жесткости 6, расположенные поперек продольной оси балки между боковыми стенками 1 и верхним поясом 2. Два внутренних ребра жесткости 6 соединены между собой косынкой 7 и вертикально
установленной втулкой 8, которые образуют узел усиления 9 средней части балки. Балка внутри между боковыми стенками 1 на всю длину дополнительно снабжена вертикальным листом 10 с прямоугольным вырезом 11 посередине. При этом нижняя кромка вертикального листа 10 соединена сварным швом с нижним листом 3 и повторяет его конфигурацию. Верхняя кромка вертикального листа 10 установлена по отношению к верхнему поясу 2 с зазором, а прямоугольный вырез 11 охватывает два внутренних ребра жесткости 6, образуя неразъемное соединение, выполняемое сваркой.
Верхний пояс 2 состоит по крайней мере из трех частей: двух листов 12 и подпятниковой плиты 13 с подпятником 14, которые соединены между собой сваркой встык. Исполнение верхнего пояса 2 из трех частей необходимо для обеспечения провариваемости при сборке балки внутренних ребер жесткости 6 с боковыми стенками 1 и вертикальным листом 10.
1
2
Нижний лист 3 выполнен изогнутой формы с радиусами сопряжения по средней части балки R равному от 780 до 820 мм, а по концевым - R равному от 180 до 220 мм.
Для обеспечения местной прочности в зоне концевых частей верхнего пояса 2 и нижнего листа 3, выполненных с уширением 4 для установки пружин подвешивания устанавливаются ребра 15.
Сборка надрессорной балки осуществляется в следующей последовательности. В сборочно-сварочный кондуктор устанавливаются нижний лист 3, затем две боковые стенки 1 и вертикальный лист 10 с прямоугольным вырезом 11. Производится их сварка между собой.
Подпятниковая плита 13, два внутренних ребра жесткости 6, косынка 7 и втулка 8 представляют собой отдельно изготавливаемую сборочную единицу, в которой все вышеназванные элементы соединены между собой при помощи сварки. Упомянутая сборочная единица
устанавливается на боковые стенки 1 так, чтобы внутренние ребра жесткости 6 вошли в прямоугольный вырез 11. Ввиду отсутствия листов 12, в зоне уширения 4 производится установка и сварка ребер 15 к нижнему и вертикальному листам 3 и 10, а также боковым стенкам. Далее производится приварка внутренних ребер жесткости 6 к боковым стенкам 1 и вертикальному листу 10, а также подпятниковой плиты 13 к боковым стенкам 1. После установки листов 12, выполняется их приварка к боковым стенкам 1 и к подпятниковой плите 13. Конечный этап сборки надрессорной балки - установка и приварка на верхнем поясе 2 двух скользунов 5.
Предлагаемая штампосварная надрессорная балка тележки грузового вагона работает следующим образом. Нагрузка от кузова грузового вагона воспринимается подпятником 14, выполненным заодно с подпятниковой плитой 13, и далее путем включения в работу верхнего пояса 2, боковых стенок 1 и элементов узла усиления 9 средней части балки передается на нижний и вертикальный листы 3 и 10 с равномерным ее распределением на концевые части балки, выполненные с уширением 4. В зоне уширения 4, где устанавливаются пружинные комплекты подвешивания, нагрузка передается на боковые рамы тележки. В челюстных проемах боковых рам устанавливаются буксы колесных пар, которые далее передают нагрузку от кузова вагона на рельсовый путь.
Применение предполагаемой модели по сравнению с прототипом позволит увеличить несущие способности и повысить надежность в эксплуатации штампосварной надрессорной балки путем повышения ее прочностных и усталостных характеристик.