РАМА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая полезная модель относится к железнодорожному транспорту, в частности к конструкциям шкворневых балок железнодорожных вагонов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известна рама вагона-хоппера, раскрытая в документе RU 172932, которая содержит хребтовую и шкворневые балки. Шкворневая балка содержит верхний лист, форма которого выполнена так, что верхний лист расширяется в направлении хребтовой балки и образует скругленные углы в месте соединения с верхним листом хребтовой балки, при этом сужающиеся концевые части верхнего листа шворневой балки соединены с верхними листами боковых балок.
Также известна шкворневая балка грузового вагона, раскрытая в документе RU 181479, которая содержит верхний лист, выполненный в виде плоского листа и расширяющийся от торцевых граней листа к хребтовой балке посредством совокупности прямых и дугообразных участков, при этом торцевые грани листа шкворневой балки, имеющие более узкую ширину в отношении центральной части листа шкворневой балки, прикреплены к боковым балкам. Верхний лист шкворневой балки перекрывает вертикальные листы шкворневой балки и хребтовую балку рамы.
Кроме того, известен узел соединения хребтовой и шкворневой балки рамы кузова вагона, раскрытый в документе RU 142972, который содержит усиливающие элементы, соединяющие верхний лист шкворневой балки с верхним листом хребтовой балки. Усиливающие элементы обеспечивают скругление углов между верхним листом шкворневой балки и верхним листом хребтовой балки, при этом соединение верхнего листа шкворневой балки с верхним листом боковых балок не содержит усиливающих элементов.
Недостатком известных решений является то, что узел соединения шкворневой балки, хребтовой балки и боковых балок имеет низкую прочность вследствие неравномерного распределения напряжений, действующих от тележки и кузова вагона.
Шкворневые балки должны обеспечивать достаточную местную прочность, правильно распределять и передавать на конструкцию кузова большие сосредоточенные силы, а также воспринимать опорные реакции.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание конструкции рамы железнодорожного вагона, шкворневая балка которой будет обеспечивать равномерное распределение напряжений, действующих от тележек и кузова вагона.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Указанная проблема решается созданием предлагаемой рамы железнодорожного вагона, которая содержит хребтовую балку с верхней полкой, боковые балки с верхними полками боковых балок, проходящие в продольном направлении по отношению к хребтовой балке, и шкворневую балку, установленную в поперечном направлении по отношению к хребтовой балке и соединенную с боковыми балками. Шкворневая балка содержит два верхних листа шкворневой балки, расположенных по существу симметрично относительно продольной оси хребтовой балки. Каждый верхний лист шкворневой балки содержит среднюю часть и противоположные концевые части, посредством которых каждый верхний лист шкворневой балки соединен с верхней полкой хребтовой балки и с верхними полками боковых балок. Верхние листы шкворневых балок выполнены так, что концевые части каждого верхнего листа шкворневой балки шире его средней части и образуют скругленные углы в месте соединения каждого верхнего листа шкворневой балки с верхней полкой боковой балки, причем радиус скругленных углов выполнен величиной не менее 50 мм.
Технический результат заключается в обеспечении равномерного распределения напряжений, действующих на шкворневую балку, в частности напряжений, действующих от тележки и кузова вагона, повышении прочности конструкции с одновременным обеспечением ее технологичности и сниженной металлоемкости.
На шкворневые балки действуют реакции пятников, в частности динамические нагрузки, возникающие при вилянии тележки во время движения. Кроме того, шкворневые балки передают вертикальную статическую нагрузку от кузова вагона на тележки, вследствие чего место соединения шкворневой балки с хребтовой балкой подвержено интенсивному износу. Благодаря выполнению верхних листов шкворневых балок так, что их концевые части шире средней части, увеличивается площадь соединения каждого верхнего листа шкворневой балки с верхней полкой  хребтовой балки и с верхними полками боковых балок. За счет увеличения площади соединения шкворневой балки с хребтовой и боковыми балками повышается прочность конструкции рамы.
Кроме того, благодаря выполнению верхнего листа предлагаемой формы отсутствует необходимость в дополнительных усиливающих элементах, что повышает технологичность и снижает металлоемкость конструкции. Также, дополнительные усиливающие элементы предполагают дополнительные места соединений, в которых концентрируются напряжения. Таким образом, предлагаемая форма верхнего листа обеспечивает равномерное распределение нагрузок за счет того, что из конструкции исключаются дополнительные соединения, необходимые для усиливающих элементов, что обеспечивает упрочнение конструкции. Кроме того, радиус, образуемый в месте соединения каждого верхнего листа с боковой балкой, выполняется величиной не менее 50 мм. При этом целесообразно выполнять указанный радиус величиной не более 200 мм. Оптимально величина радиуса должна находиться в диапазоне от 50 до 200 мм. Предлагаемые величины радиуса, входящие в указанный диапазон, позволяют обеспечить оптимальный радиус, который исключает резкий перепад площади в местах соединения каждого верхнего листа с боковой балкой, что положительно влияет на картину напряженно-деформированного состояния. Радиус, равный величине, меньшей, чем 50 мм, формирует резкий перепад площади в местах соединения верхнего листа шкворневой балки с боковой балкой, что способствует возникновению напряжений в данных местах и разрушению соединения. Радиус, равный величине, большей, чем 200 мм, формирует плавный переход между верхним листом шкворневой балки и боковой балкой, однако увеличивает металлоемкость конструкции и, как следствие, вес конструкции. Соединение верхнего листа шкворневой балки с боковой балкой выполняется сварным швом с полным проплавлением. Такое выполнение сварного соединения обеспечивает минимум концентраторов напряжений, что повышает прочность конструкции.
Разделение верхнего листа шкворневой балки на две части позволяет с высокой технологичностью изготовить предлагаемую форму, в которой концевые части шире средней части. Кроме того, предлагаемое решение снижает металлоемкость конструкции.
В еще одном из вариантов реализации хребтовая балка может содержать верхнюю полку хребтовой балки. Верхние листы шкворневой балки могут быть соединены встык с верхней полкой хребтовой балки. При этом соединение верхних листов шкворневой балки с верхней полкой хребтовой балки может быть выполнено сварным швом с полным проплавлением. Верхние листы шкворневой балки могут быть соединены встык с верхними полками боковых балок сварными швами с полным проплавлением. Такое выполнение сварного соединения обеспечивает минимум концентраторов напряжений, что повышает прочность конструкции. Каждый верхний лист шкворневой балки может быть соединен с верхней полкой хребтовой балки посредством одного сварного шва. Предлагаемое соединение обеспечит высокую технологичность и прочность конструкции.
Верхняя полка хребтовой балки может иметь выступы для соединения с верхними листами шкворневой балки. Выступы верхней полки хребтовой балки могут быть выполнены со скругленными углами, что способствует равномерному распределению напряжений.
Верхние листы шкворневой балки и верхняя полка хребтовой балки могут лежать в одной плоскости, благодаря чему обеспечивается технологичность конструкции и снижается металлоемкость. Верхняя полка хребтовой балки может быть сформирована двумя верхними полками отдельных элементов хребтовой балки, например, двух Z-образных балок, их которых может состоять хребтовая балка.
Расширение от средней части в направлении к концевой части каждого верхнего листа шкворневой балки в месте соединения с боковой балкой может быть выполнено в виде скругленных углов. Скругленные углы позволяют снизить уровень напряжений в месте соединения и способствуют их распределению.
Расширения от средней части в направлении к концевым частям каждого верхнего листа шкворневой балки могут быть выполнены симметрично относительно центральной продольной оси шкворневой балки. Симметричное расширение верхнего листа шкворневой балки обеспечивает равномерное распределение напряжений.
Таким образом, предлагаемая конструкция рамы железнодорожного вагона, в частности шкворневой балки, обеспечивает распределение напряжений, чем повышает прочность конструкции в целом, при этом предлагаемое решение обеспечивает высокую технологичность и низкую металлоемкость конструкции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность полезной модели более подробно поясняется со ссылкой на предлагаемые чертежи:
Фиг. 1 - общий вид рамы железнодорожного вагона согласно настоящей полезной модели;
Фиг. 2 - шкворневая балка;
Фиг. 3 - график, показывающий зависимость коэффициента запаса сопротивления усталости n от радиуса R.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Рама 1 железнодорожного вагона (Фиг. 1) содержит хребтовую балку 2 и боковые балки 3, проходящие в продольном направлении по отношению к хребтовой балке 2. Также рама 1 содержит поперечные концевые балки 4 (показана только одна поперечная концевая балка), шкворневые балки 5 (показана только одна шкворневая балка) и промежуточные балки 6, расположенные между шкворневыми балками. Поперечные концевые балки 4, шкворневые 5 и промежуточные балки 6 закреплены в поперечном направлении по отношению к хребтовой балке 2 и соединены с боковыми балками 3.
Шкворневые балки 5 состоят из двух частей, расположенных по существу симметрично относительно продольной оси хребтовой балки 2. Нижние листы 7 и боковые листы 8  двух частей шкворневой балки 5 приварены внахлест и встык к хребтовой балке 2. Также шкворневая балка 5 содержит два верхних листа 9, также расположенных по существу симметрично относительно продольной оси хребтовой балки 2. Каждый верхний лист 9 содержит среднюю часть 10 и противоположные концевые части 11 (Фиг. 2), посредством которых каждый верхний лист 9 соединен с верхней полкой хребтовой балки 2 и с верхними полками боковых балок 3.
Верхние листы 9 шкворневых балок 5 выполнены так, что концевые части 11 шире средней части 10. Расширение от средней части 10 в направлении к концевой части 11 каждого верхнего листа 9 шкворневой балки 5 в месте соединения с боковой балкой 3 выполнено в виде скругленных углов 12. Радиус скругленных углов 12, т.е. места соединения каждого верхнего листа шкворневых балок с боковой балкой, находится в диапазоне от 50 до 200 мм. Предлагаемый диапазон позволяет исключить резкий перепад площади в местах соединения каждого верхнего листа с боковыми балками, что положительно влияет на напряженно-деформированное состояние конструкции. При этом расширения от средней части 10 в направлении к концевым частям 11 каждого верхнего листа 9 шкворневой балки 5 выполнены симметрично относительно центральной продольной оси шкворневой балки 5. Благодаря выполнению верхних листов шкворневых балок так, что их концевые части шире средней части, увеличивается площадь верхнего листа шкворневой балки в месте соединения шкворневой балки с хребтовой балкой и с боковыми балками, что повышает прочность конструкции рамы. Кроме того, за счет повышения прочности создается возможность исключения из конструкции усиливающих элементов. Незначительное повышение массы из-за расширения верхних листов шкворневой балки компенсируется за счет снижения массы из-за исключения усиливающих элементов, так что масса рамы остается по существу неизменной или снижается.
Хребтовая балка 2 содержит верхнюю полку 13, которая имеет выступы 14, выполненные со скругленными углами 15. Однако также возможен вариант, когда верхняя полка хребтовой балки не содержит указанных выступов.
Верхние листы 9 шкворневой балки 5 и верхняя полка 13 хребтовой балки 2 лежат в одной плоскости. Посредством выступов 14 обеспечивается соединение хребтовой балки 2 с верхними листами 9 шкворневой балки 5. Соединение каждого верхнего листа 9 шкворневой балки 5 с соответствующим выступом 14 хребтовой балки 2 выполнено встык одним сварным швом 16. Сварные швы могут быть выполнены в соответствии с любой технологией сварки. При этом сварные швы выполняются с полным проплавлением. Стоит отметить, что скругленные углы обеспечивают плавные переходы, которые позволяют снизить уровень напряжений в соединениях верхних листов шкворневой балки с хребтовой балкой и боковыми балками.
В месте соединения каждого верхнего листа шкворневых балок с верхней полкой хребтовой балки имеется скругленный угол, радиус которого находится в диапазоне от 50 до 200 мм. Предлагаемый диапазон позволяет исключить резкий перепад площади в местах соединения верхней полки хребтовой балки с верхним листом шкворневой балки, что положительно влияет на напряженно-деформированное состояние конструкции. Радиус, равный величине, меньшей, чем 50 мм, формирует резкий перепад площади в местах соединения каждого верхнего листа шкворневой балки с верхней полкой хребтовой балки, что способствует разрушению соединения. Радиус, равный величине, большей, чем 200 мм, формирует плавный переход между верхним листом шкворневой балки и верхней полкой хребтовой балки, однако увеличивает металлоемкость конструкции и, как следствие, вес конструкции. Усталостная прочность является определяющей для данного узла. На Фиг. 3 представлена зависимость коэффициента запаса сопротивления усталости n от радиуса R.
Из представленной зависимости, показанной на Фиг. 3, видно, что при значении радиуса менее 50 мм коэффициент запаса сопротивления усталости ниже, чем минимально допускаемый 1,5. Значения радиуса более 200 мм нецелесообразны, т.к. коэффициент запаса избыточен, даже с учетом возможного действия на платформу ненормативных нагрузок.
Таким образом, предлагаемая конструкция рамы железнодорожного вагона, в частности конструкция шкворневых балок рамы, обеспечивает равномерное распределение напряжений, действующих на шкворневую балку, в частности нагрузок, действующих от тележки и кузова вагона, а также повышает прочность конструкции рамы с одновременным обеспечением ее технологичности и сниженной металлоемкостью.
Настоящая полезная модель не ограничена конкретными вариантами, раскрытыми в описании в иллюстративных целях, и охватывает все возможные модификации и альтернативы, входящие в объем настоящей полезной модели, определенный формулой полезной модели.