Корпус поглощающего аппарата
DRAFT GEAR HOUSING

Заявляемое изобретение относится к железнодорожному транспорту и касается устройств, предназначенных для поглощения энергии взаимодействия единиц подвижного состава.
Известен корпус поглощающего аппарата и аппарат с его применением [Патент на изобретение RU 2735558 С1 от 03.11.2020г.], образованный днищем и сопряженными между собой стенками, образующими горловину, с котором днище и стенки сопряжены между собой ребрами, при этом стенки вблизи днища выполнены в форме выпуклых наружных арок, снабженных вершинами и основаниями, при этом ребра ориентированы наружу и расположены по одному у каждой вершины и у каждого основания.
Также известен поглощающий аппарат железнодорожного вагона, имеющий большой рабочий ход [Патент на изобретение RU 2225306 С2 от 10.03.2004г.], содержащий корпус с закрытой концевой частью и противоположной открытой концевой частью, между которыми проходит главная ось, при чем указанная открытая концевая часть выполнена со сходящимися на конус внутрь удлиненными фрикционными поверхностями, а также содержащий воспринимающий усилия клин, установленный с возможностью осевого перемещения в открытой концевой части корпуса, фрикционные элементы, расположенные в корпусе между клином и внутренними фрикционными поверхностями и способные контактировать с клином и внутренней фрикционной поверхностью для поглощения ударной нагрузки, возникающей при приложении усилия к клину. Пружинный упор, прилегающий к фрикционным элементам, и пакет эластомерных подушек, установленный между закрытой концевой частью корпуса и пружинным упором для воздействия через упор на фрикционные элементы для обеспечения их контакта с клином и внутренней фрикционной поверхностью, при этом фрикционные элементы выполнены в виде комплекта размещенных по окружности фрикционных башмаков, каждый из которых имеет наклонную внутреннюю поверхность, контактирующий с наклонной внутренней поверхностью клина, причем наклонная внутренняя поверхность фрикционного башмака и внутренняя поверхность клина расположены относительно главной оси корпуса под углом 35±3°, каждый из фрикционных башмаков имеет наклонную поверхность, контактирующую с удлиненными сходящимися на конус внутренними фрикционными поверхностями, причем наклонная наружная поверхность и удлиненная сходящаяся на конус внутренняя фрикционная поверхность расположены относительно оси пол углом 2,25±0,25°, каждый из фрикционных башмаков имеет плоскую внутреннюю поверхность, контактирующую с плоской наружной поверхностью, с которой выполнен указанный пружинный упор, причем плоская внутренняя поверхность фрикционных башмаков и плоская наружная поверхность упора расположены относительно оси корпуса под углом 90±4°.
Данная конструкция выбрана в качестве прототипа для заявляемого изобретения.
Недостатком вышеуказанных конструкций является небольшая толщина стенок корпуса аппарата в месте контакта поверхностей фрикционных клиньев с внутренней поверхностью корпуса. Это приводит к выработке поверхностей корпуса в процессе эксплуатации и к критическому уменьшению толщины стенок, что может привести к выходу из строя аппарата. Тем самым снижается надежность и уменьшается срок службы аппарата.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции корпуса поглощающего аппарата, позволяющей повысить надежность и стабильность работы поглощающего аппарата за счет увеличения запаса прочности в критических зонах горловины и снизить материальные затраты на ремонт.
Поставленная задача решается путём того, что внутренний шестигранник горловины корпуса развернут относительно внешнего шестигранника корпуса на угол в интервале от 28° до 32°, при этом ось симметрии одного из выступов, расположенного внутри горловины корпуса совпадает с поперечной осью большей стороны прямоугольного основания корпуса.
Сущность изобретения заключается в том, что корпус поглощающего аппарата, выполненный в виде стальной отливки, включающий стакан с прямоугольным основанием, ребра, выполненные у основания корпуса, расположенные с меньшей стороны прямоугольного основания корпуса, при этом горловина корпуса выполнена в виде шестигранника и внутри горловины выполнены три выступа, которые равноудалены друг от друга по периметру горловины, внутренний шестигранник горловины корпуса развернут относительно внешнего шестигранника корпуса на угол в интервале от 28° до 32°, при этом ось симметрии одного из выступов, расположенного внутри горловины корпуса совпадает с поперечной осью большей стороны прямоугольного основания корпуса.
При этом, угол раствора плоских поверхностей каждого клина выполнен на 1,5° больше, чем угол раствора плоских поверхностей шестигранника горловины, к которому клин примыкает.
Кроме того, прямоугольное основание корпуса поглощающего аппарата по краям с ребрами имеет толщину в 1,5 раза больше, чем толщина основания в центре корпуса.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 – Корпус поглощающего аппарата (общий вид);
Фиг. 2 – Корпус поглощающего аппарата (вид сверху);
Фиг. 3 – Корпус поглощающего аппарата (вид сверху с клиньями);
Фиг. 4 – Корпус поглощающего аппарата (разрез А-А);
Фиг. 5 – Поля распределения эквивалентных напряжений в ребрах корпуса поглощающего аппарата;
Фиг. 6 – Поля распределения эквивалентных напряжений в основании корпуса поглощающего аппарата;
Фиг. 7 – Поля распределения эквивалентных напряжений внутри горловины корпуса поглощающего аппарата (сечение горловины);
Фиг. 8 – Поля распределения эквивалентных напряжений снаружи горловины корпуса поглощающего аппарата (сечение горловины).
Корпус поглощающего аппарата, выполненный в виде стальной отливки, включает стакан 1 с прямоугольным основанием 2, ребра 3, выполненные у основания 2 корпуса, расположенные с меньшей стороны А прямоугольного основания 2 корпуса, при этом горловина 4 корпуса выполнена в виде шестигранника 5 и внутри горловины выполнены три выступа 6, которые равноудалены друг от друга по периметру горловины 4, внутренний шестигранник 7 горловины 4 корпуса развернут относительно внешнего шестигранника 5 корпуса на угол в интервале от 28° до 32°, при этом ось симметрии 8 одного из выступов 6.1, расположенного внутри горловины 4 корпуса совпадает с поперечной осью 9 большей стороны В прямоугольного основания 2 корпуса.
При этом, угол α раствора плоских поверхностей 10 каждого клина выполнен на 1,5° больше, чем угол β раствора плоских поверхностей 11 внутреннего шестигранника 7 горловины 4, к которому клин примыкает.
Кроме того, прямоугольное основание 2 корпуса поглощающего аппарата по краям А с ребрами 3 имеет толщину S в 1,5 раза больше, чем толщина S1 основания 2 в центре корпуса.
Корпус поглощающего аппарата работает следующим образом.
Под действием ударной нагрузки фрикционные клинья прижимаются к стенкам аппарата. После определенного времени эксплуатации поглощающего аппарата в местах контакта фрикционных клиньев со стенками корпуса аппарата будет наблюдаться выработка поверхностей стенок. После достижения максимальной выработки наблюдается критическое уменьшение толщины стенок корпуса, что приводит к возникновению растрескиваний корпуса, и следовательно может привести к выходу из строя аппарата. Применение корпуса с увеличенной толщиной стенок в месте контакта с фрикционными клиньями позволяет уменьшить износ стенок корпуса, предотвратить появление усталостных трещин и деформации корпуса.
Сохранение прочности корпуса поглощающего аппарата подтверждено расчетом прочности, который проведен в соответствии с требованиями «Норм для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» и ГОСТ 33211-2014 «Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам». Оценка напряженного состояния корпуса производилась на основе метода конечных элементов (МКЭ) в конечно-элементном пакете ANSYS Workbench 18.2. Оценка прочности упора проведена по следующей схеме:
- на действие максимальной силы сжатия поглощающего аппарата при соударении грузовых вагонов Р = 3,5 МН, передающейся в продольном направлении. Прикладывается к нажимному конусу и через клинья передается на корпус аппарата.
В качестве зон измерения значений эквивалентных напряжений были выбраны зоны наиболее нагруженные для рассматриваемого расчетного режима. Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах корпуса поглощающего аппарата при действии расчетных нагрузок представлены на фигурах 4-7.
Технический результат от заявляемого изобретения заключается в том, что выполнение внутреннего шестигранника горловины корпуса развернутым относительно внешнего шестигранника корпуса на угол в интервале от 28° до 32° таким образом, что ось симметрии одного из выступов, расположенного внутри горловины корпуса совпадает с поперечной осью большей стороны прямоугольного основания корпуса, позволяет распределить контактные напряжения от фрикционных клиньев на поверхности корпуса с наибольшим сечением, что, в свою очередь, позволяет уменьшить напряжения, возникающие в корпусе, в частности в горловине, во время работы, обеспечивает менее нагруженный режим эксплуатации детали за счет увеличения запаса прочности в критических зонах горловины, и, соответственно, снижает вероятность появления усталостных трещин, изломов горловины корпуса в эксплуатационный период, а так же положительно сказывается на надежности и безотказности работы аппарата в целом, при этом происходит снижение материальных затрат в рамках рекламационной деятельности.
Выполнение угла раствора плоских поверхностей каждого клина на 1,5° больше, чем угол раствора плоских поверхностей шестигранника горловины, к которому клин примыкает, гарантирует обеспечение контакта плоских поверхностей клина исключительно с ответными плоскими поверхностями шестигранника корпуса и исключает контакт вышеуказанных деталей по радиусам перехода во время приработки аппарата, что так же позволяет распределить контактные напряжения от фрикционных клиньев на поверхности корпуса с наибольшим сечением. Данное решение так же обеспечивает равномерную приработку аппарата по фрикционным поверхностям, недопущение контакта корпуса и фрикционных клиньев во время его приработки по переходным радиусам, т.е. в местах корпуса с наименьшим сечением, позволяет избежать преждевременного критического износа горловины корпуса в месте переходных радиусов, что, в свою очередь позволяет не только увеличить безотказный период работы детали за счет направленного износа внутренних поверхностей горловины корпуса, но и снизить материальные затраты на ремонт.
Выполнение прямоугольного основания корпуса поглощающего аппарата по краям с ребрами толщиной в 1,5 раза больше, чем толщина основания в центре корпуса позволяет снизить напряжения в центре основания корпуса от воздействия блока упругих элементов аппарата; снизить напряжения, распределяемые от основания корпуса на продольные ребра жесткости, исключить места концентрации напряжений, что обеспечивает увеличение безотказного периода работы детали, и возможность восприятия в том числе сверхнормативных нагрузок без деформаций основания.
В подтверждение данного утверждения, в таблице 1 приведены сравнительные данные по напряжениям, возникающие в заявляемой конструкции корпуса поглощающего аппарата и в конструкции корпуса с параллельными гранями наружного и внутреннего шестигранника горловины. Также указана величина снижения напряжений за счет применения указанного технического решения в конструкции корпуса поглощающего аппарата.
В настоящее время на заявляемое изобретение разработана конструкторская документация и ведутся всесторонние испытания опытных образцов.
Таблица 1 – Сравнительная таблица напряжений заявляемой конструкции корпуса поглощающего аппарата и конструкции корпуса с параллельными гранями наружного и внутреннего шестигранника горловины.
Нагрузка Р = 3,5 МН,(в продольномнаправлении)                        Элементы                        корпуса                        аппарата
Эквивалентные напряжения (по Мизесу), МПа
Среднее значение величины снижение напряжения,%
Корпуса с параллельными гранями наружного и внутреннего шестигранника горловины
Заявляемая конструкция корпуса поглощающего аппарата
Ребра
546,8
485,58
11,77
577,91
505,25
554,7
490,92
Основание
276,83
247,76
9,56
302,3
283,69
273,1
240,9
Внутренняя поверхность горловины
524,21
415,66
4,66
479,92
478,55
481,74
517,27
Наружная поверхность горловины
407,76
393,66
24,5
396,47
255,96