ФРИКЦИОННЫЙ КЛИН ТЕЛЕЖКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА

Заявляемое изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к конструкциям гасителей колебаний, используемых в центральном рессорном подвешивании тележек железнодорожных вагонов и в частности к фрикционным клиньям.
Известен клиновой фрикционный гаситель колебаний, выполненный в виде корпуса с наклонной стенкой и противоположной вертикальной стенкой связанных горизонтальной стенкой сверху и нижней стенкой с посадочным местом для установки на пружины (пат. US №2827987, B61F 5/12, от 25.03.1958). При этом наклонная стенка выполнена в виде плоскости большого радиуса, так что касается сопряженной поверхности на надрессорной балке на небольшой площади. При этом отсутствует внутреннее ребро жесткости, а отверстие в боковых стенках имеет треугольную форму. В это отверстие вставляется стержень, который позволяет клину перемещаться относительно боковой рамы на ограниченное расстояние. Из-за своих конструктивных особенностей его применение не надежно и неудобно на практике.
Известен клиновой фрикционный гаситель колебаний, имеющий чугунный коробчатый корпус, состоящий из наклонной стенки, верхней, вертикальной, нижней и боковых стенок. Нижняя стенка снабжена местом под спиральные пружины. В клине на рабочих поверхностях выполнены канавки для стабилизирующей трение смазки (пат. RU №4268, B61F 5/12, F16F 7/04, от 25.03.1996). При этом в боковых стенках выполнены два отверстия. Одно большое отверстие имеет вид усеченной окружности, а другое в виде двух полуокружностей, соединенных прямыми участками, расположено под нижней частью наклонной поверхности. Расположение малого отверстия не оправдано с точки зрения распределения напряжений и его присутствие связано с технологией литья клина. В другом техническом решений прямые участки похожего по форме отверстия ориентированы вдоль нижней стенки (пат. RU №2377151, B61F 5/12, от 23.03.2007). Однако, такое расположение не устраняет концентраций напряжений в этом месте. Кроме того, само решение касается вкладыша на вертикальной стенке боковой рамы, а не конструкции самого клина.
Известен клин тележки железнодорожного вагона содержащий чугунный коробчатый корпус, состоящий из наклонной стенки, верхней, вертикальной и нижней и боковых стенок, где нижняя стенка снабжена местом под спиральные пружины, боковые стенки снабжены ребрами жесткости, при этом корпус клина внутри разделен на две части ребром жесткости, в котором стенки и ребра жесткости клина выполнены одной толщины из чугуна с содержанием углерода 3,0-3,3% и марганца 1,0-1,2%, а остаточные напряжения сняты обработкой (заявка RU №98108808, B61F 5/00, от 05.05.1998, прототип). Выполнение клина равнотолщинным может привести к неоправданно высокой материалоемкости и не удовлетворяет рекомендациям нормативных документов, относящихся к проектированию изделий для железнодорожного транспорта (например, ГОСТ P 5337-2009). Здесь предлагается использование расчетов методом конечных элементов при анализе напряжений, возникающих под нагрузкой, а затем последующее сравнение прочностных расчетов с имеющимися результатами натурных испытаний подобных конструкций. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание конструкции фрикционного клина, позволяющего повысить надежность узла трения при длительной эксплуатации транспортного средства с одновременным уменьшением материалоемкости.
Поставленная задача решается за счет того, что, оставаясь в границах требуемого коэффициента по запасу прочности, в конструкцию фрикционного клина внесены изменения, касающиеся толщины граней, стенок, ребер, параметров отверстий и их профилей в сечении.
В результате получена оптимизированная по напряжениям конструкция клина с уменьшенной материалоемкостью.
Для достижения этого технического результата толщины граней, стенок, ребер и параметров отверстий и их профили в сечении в конструкции клина выбраны из условия превышения массы клина на заданную величину от некоторого порогового значения массы, определяемого по второй производной зависимости относительного расчетного коэффициента запаса прочности клина от его относительной массы.
Кроме того, что в качестве материала клина используется чугун, содержащий фосфор в интервале значений P=0,3-3.0%
Кроме того, клин механически и термически обработан со стороны вертикальной стенки и наклонных стенок и имеет конструкцию облегченную до 30% массы относительно исходной конструкции (клина Ханина) за счет допустимого уменьшения прочности. Отличительные признаки являются новыми и соответствуют критерию «новизна». Эти признаки обусловили уменьшенную материалоемкость клина при сохранении запаса прочности конструкции.
При изучении других известных решений в этой области признаки, отличающие заявляемое решение, не были выявлены, что обеспечивает решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемое техническое решение по оптимизации конструкции клина представлено на чертежах, где на фиг.1 показан общий вид; на фиг.2 - зависимость относительного коэффициента запаса прочности от значений относительной массы клина; на фиг.3 приведены первая и вторая производные указанной зависимости.
Клин имеет рабочие вертикальную стенку 1 и наклонную стенку 2. Нижней стенкой 3 клин опирается на подклиновую пружину (не показана). Верхняя стенка 4 соединяет вертикальную и наклонные стенки. В боковой стенке 5 и ребре 7 показаны отверстия 6 и 8. В верхней стенке показано удлиненное отверстие 9.
Оптимизированная конструкция получена следующим образом. Бралась модель клина Ханина в соответствии с чертежом М 1698.00.002. При введении нагрузок выявлялись максимальные по клину значения прочности и сравнивались с пределом прочности для обычного серого чугуна марки СЧ15 или СЧ35 либо из иного. Затем с целью перераспределения нагрузок и уменьшения массы вносились изменения в конструкцию и расчеты согласно указанному ГОСТу проводили вновь. В результате была получена зависимость относительного расчетного коэффициента запаса прочности клина от его относительной массы. Кривые 1 и 2 на фиг.2 относятся к различным вариантам уменьшения массы клина, которые включали изменения толщин и форм отверстий. В грубом приближении продолжение этих зависимостей может быть аппроксимировано на нулевое значение запаса прочности линейной функцией. Вторая производная этой зависимости позволила определить пороговое значение (точку перегиба функции), после которого, происходит резкое изменение относительного расчетного коэффициента запаса прочности клина от его относительной массы. Несмотря на то, что до указанного на фиг.2 значения запаса прочности равного 1,8 по ГОСТ P 5337-2009 еще имеется определенный запас на уменьшение массы дальнейшие действия в этом направлении нецелесообразны, так как наступает резкое уменьшение относительного коэффициента запаса прочности. Поэтому небольшие отклонения в технологии литья могут привести к выходу негодной продукции. Таким образом, на изменения толщины граней (стенок), ребер и параметры отверстий и профилей в сечении конструкции накладывалось ограничение из. условия превышения массы клина на заданную величину от некоторого порогового значения массы, определяемого по второй производной зависимости относительного расчетного коэффициента запаса прочности клина от его (относительной) массы. В качестве материала клина используется чугун содержащий C 2,6-3,3%, Si 1.0-2,0%, Mn 0,3-1,0%, P 0,3-3,0%, S≥0,15%, Cr≤0,15%, Ni 0,02-0,1%, Cu 0,05-0,3%.
В результате механически и термически обработанный со стороны вертикальной стенки и наклонных стенок клин имеет конструкцию, облегченную до 30% массы относительно исходной конструкции (клина Ханина) за счет допустимого уменьшения прочности.
Клин устанавливается на подклиновую пружину рессорного комплекта тележки. При этом наклонная поверхность входит в соответствующее место надрессорной балки тележки, а вертикальная стенка клина будет находиться в контакте с вкладышем боковой рамы.
Клин в составе тележки работает следующим образом
При движении вагона по железнодорожным путям вертикальные и горизонтальные нагрузки от кузова вагона передаются на надрессорную балку, от которой через клин передаются на рессорное подвешивание. От рессорного подвешивания нагрузка передается через боковую раму на ось колесной пары. От колесной пары нагрузка действует на рельсы.
Клинья обеспечивают связь между надрессорной балкой и боковой рамой. Трение в области вертикальной стенки обеспечивает гашение колебаний вагона.
На предлагаемое изобретение в настоящее время разработана конструкторская документация, по которой изготовлены опытные образцы для испытаний.