Хребтовая балка грузового железнодорожного полувагона с разгрузочными люками

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта и может найти применение в конструкции хребтовой балки рамы грузового полувагона с разгрузочными люками в полу.
Известна хребтовая балка полувагона, содержащая жёстко соединенные между собой нижнюю балку и верхнюю балку; при этом нижняя балка содержит верхние и нижние горизонтальные листы, жёстко соединенные между собой вертикальными листами, а верхняя балка содержит одну горизонтальную полку и жёстко соединенную с ней одну стенку, либо две или более стенки, предназначенные для закрепления крепёжными элементами крышек разгрузочных люков (см. патент RU 159680, МПК B61F 1/02, опубл. 20.02.2016).
Известна хребтовая балка грузового железнодорожного полувагона с разгрузочными люками,  которая содержит нижнюю балку, состоящую из двух балок Z-образного профиля, образующих единую сварную конструкцию, и верхнюю балку, выполненную в виде балки двутаврового профиля (см. патент RU 118599, МПК B61F 1/02, опубл. 27.07.2012).
Технической проблемой, не решаемой известными устройствами, является высокая трудоёмкость изготовления хребтовых балок, представляющих собой составные длинномерные сварные конструкции с омегообразным профилем. Технологические процессы сборки известных нижних балок с омегообразным профилем, изготовленных путём приваривания между собой горизонтальных и вертикальных листов, либо двух зетовых балок, являются многоэтапными сложными процессами и требуют значительных трудозатрат. Во время работы хребтовая балка испытывает сложные нагрузки: статические от перевозимого груза, динамические при движении и торможении состава вагонов и  при загрузке сыпучего груза в кузов полувагона.  При этом напряжения сжатия в верхней части балки превышают напряжения растяжения в подошве балки в 1,6 раза. Известная хребтовая балка имеет высокую металлоемкость из-за нерационального распределения металла по сечению балки и обладает высокой трудоемкостью изготовления  из-за большого количества сварных швов.
Известна хребтовая балка, наиболее близкая к заявляемой балке железнодорожного полувагона (патент RU 169001 U1, МПК В61F 1/02, опубл. 2017/ 03/ 01/), состоящая из жёстко соединённых между собой нижней балки, выполненной из омегообразного профиля, и верхней балки, жёстко закреплённой на нижней балке вдоль её продольной оси, при этом нижняя балка выполнена из цельного в поперечном сечении омегообразного профиля. Предложено выполнение нижней балки хребтовой балки единой, из цельного гнутого, омегообразного профиля, к которой приваривается верхняя петельная балка в виде сварного тавра или двутавра.  Известная балка обладает высокой трудоемкостью изготовления, высокой металлоемкостью и низкой несущей способностью и надежностью из-за большого количества сварных швов.
Технический эффект настоящей полезной модели заключается в снижении трудоемкости изготовления, снижении металлоемкости, повышении надежности эксплуатации и нагрузочной способности.
Технический эффект достигается тем, что хребтовая балка грузового железнодорожного полувагона с разгрузочными люками, содержащая  основной нижний пояс  и верхний пояс для крепления петель разгрузочных люков, выполнена в виде двух одинаковых профильных балок, соединенных между собой в вертикальной плоскости,  при этом каждая из балок выполнена высотой, равной суммарной высоте нижнего и верхнего поясов и выполняет функции указанных поясов. При этом две профильные балки  в местах их примыкания  сварены между собой.  Каждая из балок изготавливается из стального листа методом гибки.
Полезная модель поясняется чертежом, где показано:
на фиг. 1- сечение хребтовой балки.
Хребтовая балка грузового железнодорожного полувагона с разгрузочными люками (фиг. 1) содержит   нижний пояс 1 и верхний пояс 2 для крепления петель разгрузочных люков, выполнена в виде двух одинаковых профильных балок 3 и 4, состыкованных между собой по вертикальной плоскости Y-Y, в месте взаимного примыкания соединены между сварными швами 5 и 6.  При этом каждая из балок 3, 4 выполнена высотой H, равной суммарной высоте Н1  нижнего пояса 1  и высоте Н2 верхнего пояса 2.
Ниже в таблице 1 приведены сравнительные технические характеристики по известным и заявляемому техническим решениям: 1 – нижний пояс изготовлен из 2-х зетовых профилей по ГОСТ 5267.3 - 90 , верхний пояс изготовлен из профиля двутаврового № 19 по ГОСТ 5267.5 – 90; 2 – нижний пояс изготовлен из Ω-образного гнутого профиля из стального листа толщиной 16 мм, верхний пояс изготовлен из профиля двутаврового № 19 по ГОСТ 5267.5 – 90; 3а – заявляемое техническое решение (профиль изготовлен из листа толщиной 12 мм). Внешние габариты хребтовых балок по вариантам выполнены одинаковыми: общая высота хребтовой балки – 500 мм, высота нижнего пояса - 310 мм, высота верхнего пояса – 190 мм; ширина нижнего пояса, нижняя часть – 608 мм, верхняя часть – 372 мм; 3б – заявляемое техническое решение (профиль изготовлен из листа толщиной 10 мм).
ТАБЛИЦА 1
№ п/п
F
М
Yo
Jх
Jy
Wx min верх
Wx max низ
Wy
1
199,85
156,9
191,6
48008,0
58579,0
1558,2
2501,7
1926,9
2
213,0
167,2
197,8
39089,0
58637,5
1293,5
1976,2
1928,9
3а
188,1
147,7
234,1
44050,0
44503,4
1656,9
1881,4
1463,9
3б
158,9
124,8
235,6
39948,0
39209,0
1510,9
1695,6
1289,8
2
4
4
3
3
Обозначения: F – площадь сечения, см; М – масса погонного метра балки, кг; Yo – расстояние от подошвы до нейтральной оси балки, мм; Jx – момент инерции сечения балки относительно нейтральной оси Х-Х, см; Jy – момент инерции сечения балки относительно оси Y-Y, см; Wx min – момент сопротивления сечения балки изгибу (минимальный) относительно оси Х-Х, см; Wx max – момент сопротивления сечения  балки изгибу (максимальный) относительно оси Х-Х, см; Wy – момент сопротивления сечения балки изгибу относительно оси Y-Y.
Анализ приведенной таблицы показывает, что известные технические решения (варианты 1 и 2) имеют ограничения по несущей способности верхней двутавровой балки, работающей на сжатие и при потере устойчивости которой нагрузка полностью передается на нижнюю балку. Напряжения сжатия в верхнем поясе по варианту 1 превышают напряжения растяжения в нижнем поясе балки в 1,6 раза и в 1,5 раза по варианту 2.  Заявляемое техническое решение (варианты 3а и 3б) позволяет выровнять нагрузку по верхнему и нижнему поясам хребтовой балки за счет смещения нейтральной линии сечения балки от ее подошвы. Уровень напряжений сжатия верхней полки балки меньше, чем при базовом варианте, в 1,25 раза, уровень напряжений растяжения в подошве балки больше в 1,39 раза больше, чем в базовом варианте. При этом общий уровень напряжений в хребтовой балке не превышает допустимых значений.  Проведенное компьютерное моделирование показывает, что несущая способность хребтовой балки от статических и динамических вертикальных и горизонтальных нагрузок, изготовленной методом гибки из листа толщиной 10 мм сопоставима с несущей способностью хребтовой балки по базовому варианту, изготовленной из  горячекатаных зетовых и  двутавровых профилей (вариант 1) и превышает несущую способность хребтовой балки, нижний пояс которой изготовлен из гнутого Ω-образного профиля,  при статической и динамической нагрузках.
При работе статические и динамические вертикальные и горизонтальные нагрузки, воздействующие на раму кузова грузового полувагона при загрузке и транспортировке  сыпучих грузов, равномерно передаются на левую и правую части хребтовой балки через  сварные швы, соединяющие их между собой.
Изготовление хребтовой балки по заявляемому техническому решению позволит снизить ее металлоемкость по сравнению с базовым вариантом (вариант 1) на 5,9%  при толщине листа, равной 12 мм, и на 20,5% при толщине листа, равной 10 мм. При этом общая экономия металла на изготовление одной хребтовой балки может составить 122,5 – 405,4 кг; на эту же величину может увеличиться грузоподъемность полувагона. При применении новой конструкции хребтовой балки, также, существенно снижаются затраты на ее изготовление за счет уменьшения количества сварных швов. Новая конструкция хребтовой балки позволит уменьшить затраты на ремонты полувагонов за счет повышения эксплуатационной надежности хребтовой балки.