БОКОВАЯ РАМА ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА
FREIGHT CAR BOGIE SOLEBAR

Изобретение относится к железнодорожному подвижному составу, именно к конструкции литой боковой рамы тележки грузового вагона.
Известна конструкция боковой рамы железнодорожной тележки, указанная в патенте RU №2323843 (МПК В61F 5/52, заявлен 10.07.2006 г.).
Сущность изобретения. Предложена конструкция боковой рамы, в которой нижний угол рессорного проема боковой рамы выполнен в виде ступенчатого перехода вертикальной колонки рамы в нижний горизонтальный пояс, вместе с этим верхняя поверхность перехода является продолжением перемычки, влитой в отбуртовку технологических отверстий рамы и переходит в ограничители подклиновой пружины, наружная поверхность которых повторяет конфигурацию перехода боковой стенки нижнего пояса в боковую стенку наклонного пояса. Переход боковой стенки нижнего пояса в боковую стенку наклонного пояса выполнен с помощью сопряженных между собой радиусов, а один из сопрягаемых радиусов перехода имеет центр, совпадающий с центром банки подклиновой пружины. Кроме того, по контуру сочленения внутренней челюстной направляющей с наклонным поясом выполнено U-образующее отверстие в наклонном поясе. Преломление верхнего горизонтального пояса и вертикальных боковых поверхностей рамы в надбуксовой зоне совпадает с поперечной опорной плоскостью опорного прилива внутренней челюстной направляющей. На вертикальных боковых стенках рамы в надбуксовой зоне выполнены опорные приливы, наружные поверхности которых расположены под углом к горизонтальной опорной поверхности буксового проема.
Предложенная конструкция боковой рамы снижает вероятность возникновения микротрещин.
Вместе с тем, этих мер недостаточно, чтобы предотвратить возникновение микротрещин в боковых рамах в жестких условиях эксплуатации, особенно при вхождении тележек в кривые. В этом случае боковая рама работает на кручение.
Известна также конструкция боковой рамы тележки грузового вагона (патент RU №2294855, (МПК B61F 5/52, заявлен 28.09.2005г.).
В заявленном изобретении задача повышения надежности и повышения коэффициента запаса сопротивления усталости решается за счет совокупности следующих существенных признаков изобретения. Боковая рама содержит верхний пояс замкнутого сечения с консолями, образующими буксовые проемы, нижний пояс замкнутого сечения с опорной площадкой для рессорного комплекта, два наклонных пояса замкнутого сечения с технологическими окнами, связывающих верхний и нижний пояса, и центральный рессорный проем, ограниченный опорной площадкой для рессорного комплекта нижнего пояса, верхним поясом и наклонными поясами, причем в зоне соединения нижнего пояса с каждым наклонным поясом выполнены три сходящихся ребра, одно из которых расположено в нижней части наклонного пояса от периферии к центру, другое вдоль криволинейной части рессорного проема в зоне сочленения нижнего пояса с наклонным поясом, третье выполнено как продолжение опорной площадки для рессорного комплекта, при этом симметрично относительно центральной поперечной плоскости рамы в зонах схождения упомянутых выше ребер образованы выступы, создающие условия для направленной кристаллизации, причем выступы объединяют упомянутые ребра и плавно сопрягаются с их боковыми поверхностями, кроме того, выступы выполнены не выступающими в центральный рессорный проем.
Авторами проведена большая работа по улучшению прочностных и эксплуатационных характеристик боковых рам тележки грузового вагона. Используя метод направленной кристаллизации, повысили коэффициент запаса сопротивления усталости, а также жесткость боковой рамы тележки путем введения дополнительных ребер и утолщения стенок.
Эксплуатация этих рам показала, что жесткость боковых рам недостаточна.
Ближайшим аналогом изобретения является боковая рама тележки грузового вагона, представленная в патенте на полезную модель. RU №95619 (МПК B61F 5/00, заявлен 08.02.2010 год).
Сущность изобретения в том, что изменена форма отдельных элементов боковой рамы, форма описана далее через соотношение размеров. Боковая рама содержит верхний пояс замкнутого коробчатого сечения с консолями, образующими буксовые проемы, нижний пояс замкнутого сечения с опорной площадкой для рессорного комплекта, два наклонных пояса замкнутого сечения с технологическими окнами, связывающие верхний и нижний пояса и центральный рессорный проем, ограниченный опорной площадкой для рессорного комплекта нижнего пояса, верхним поясом и наклонными поясами, при этом высота замкнутого коробчатого сечения верхнего пояса надбуксового проема и его ширина находятся в соотношении 1,15…1,25.
Кроме того, часть внутреннего угла буксового проема образована участком наклонного пояса. При этом радиус технологического окна наклонного пояса выполнен таким, что обеспечено отношение расстояния от края технологического окна до края наклонного пояса к ширине наклонного пояса в пределах 0,5-0,6.
Проведенные исследования изготовленных рам данной конструкции на усталостную прочность показали сравнительно низкое число циклов до появления трещин.
Задачей предлагаемой конструкции литой боковой рамы тележки является дальнейшее снижение концентрации напряжений в критических местах рамы и, прежде всего, в местах перехода горизонтальных опорных участков в наклонные пояса.
Цель достигается тем, что боковая рама тележки грузового вагона, содержащая верхний пояс замкнутого сечения с консолями, образующими буксовые проемы, нижний пояс замкнутого сечения с опорной площадкой для рессорного комплекта, два наклонных пояса замкнутого сечения с технологическими окнами, связывающими верхний и нижний пояса и центральный рессорный проем, ограниченный опорной площадкой для рессорного комплекта нижнего пояса, верхним поясом. Отличие в том, что внутренние сечение верхнего пояса в местах перехода горизонтальных опорных участков в средние элементы наклонных поясов выполнено в нижней части коробчатого сечения в полуэллипс с эллиптичностью в интервале от 0,864 до 1,0 и утолщенной стенкой.
Металл в утолщенном месте содержит хрома от 0,8…1,2%, никеля 2…4%, молибдена 0,2…0,4%, ванадия до 0,5%, остальные элементы содержатся в пределах основного металла боковой рамы тележки.
Радиус в местах перехода горизонтальных опорных участков в средние элементы наклонных поясов составляет 56…65 мм, а толщина стенки в сечение постепенно снижается в направлении средних элементов наклонных поясов и в месте U-образных перемычек становится коробчатым, симметрично толщина стенки в сечении в местах перехода средних элементов в наклонных поясов в горизонтальные опорные пояса снижается в направлении горизонтальных участков и постепенно переходит в коробчатое.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
Фиг.1 - общий вид боковой рамы тележки (вид сбоку);
Фиг.2 - фрагмент боковой рамы с внесенными изменениями (вид с боку);
Фиг.3 - сечение по А-А конструкции предлагаемой боковой рамы;
Фиг.4 - сечение по А-А аналога боковой рамы (патент RU №95619).
Боковая рама тележки вагона состоит из верхнего пояса 1 и нижнего 2 горизонтальных поясов, соединенных между собой вертикальными колонками 3, образующими совместно с горизонтальными поясами 1 и 2 рессорный проем 21, верхний пояс 2 рамы переходит в ее наклонные пояса 4, средние элементы 5, которые сопряжены с горизонтальными опорными участками 10, образуют буксовые проемы 6.
Каждый буксовый проем 6 состоит из внутренней 7 и наружной 8 челюстных направляющих с опорными приливами и надбуксовой зоны 9.
Внутренняя челюстная направляющая 7 сопряжена со средним элементом 5 наклонного пояса 4, имеющим в своем сечении корытообразную форму.
По контуру сочленения внутренней челюстной направляющей 7 с наклонным поясом 4 выполнена U-образная перемычка 11, образующая отверстие в среднем элементе 5 наклонного пояса 4.
Нижний пояс 2 и верхний пояс 1, а также надбуксовые зоны 9 имеют в сечении коробчатую форму в местах перехода горизонтальных опорных участков 10 в средние элементы 5 наклонного пояса 4. Коробчатая форма переходит в нижней части в полуэллипс с эллиптичностью в интервале 0,864…1,0 и с утолщенной стенкой соответственно увеличивается толщина боковых стенок. Наибольшая толщина стенки и основания полуэллипса и постепенно уменьшается вверх, и в местах окончания радиуса большой полуоси толщина равна толщине коробчатого сечения.
Боковая стенка 12 верхнего пояса 1, боковые стенки 13 нижнего пояса 2, а также боковые стенки 14 наклонных поясов 4 расположены параллельно продольной плоскости рамы.
На фиг.2 представлен фрагмент боковой рамы тележки. Заштрихованная часть боковой рамы от перехода горизонтальных участков 10 в средние элементы наклонных поясов 4 сечение по А-А имеет в нижней части коробчатого сечения полуэллипс с эллиптичностью в интервале 0,864…1,0 и утолщенную стенку.
На фиг.3 представлено сечение А-А фиг.2. Известно, что отношение длин малой и большой полуосей принято называть коэффициентом сжатия эллипса или эллиптичностью
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>r</mi><mi>R</mi></mfrac></mrow>
где R - большая полуось, r - малая полуось.
На фиг.4 представлено сечение А-А аналога боковой рамы.
Из сравнения сечений прототипа и предлагаемой конструкции боковой рамы наглядно видно утолщение стенки.
Предложенная конструкция боковой рамы работает следующим образом.
В процессе эксплуатации боковые рамы воспринимают статические и динамические вертикальные нагрузки (вес вагона и груза, удары при прохождении вагоном по нервностям пути), продольные нагрузки (усилие тяги при равномерном движении состава, усилие при соударении вагонов), а также испытывают воздействие крутящего момента при вписывании вагонов в кривые. При этом основная часть динамических вертикальных нагрузок носит циклический характер и усталостная прочность боковых рам (способность длительно противостоять воздействию циклических нагрузок) является основной характеристикой их эксплуатационной надежности.
Основной причиной отказов боковой рамы в эксплуатации является образование и развитие усталостных трещин в местах расположения концентраторов напряжений. Наибольшее напряжение находится в местах перехода горизонтальных опорных участков в средние элементы наклонных поясов (см. фиг.2).
Особенностью усталостного процесса является его локальность - в результате накопления повреждения в перенапряженной зоне при продолжающемся циклическом нагружении происходит разрушение (Л.Н. Степанов, С.А. Грассман, С.И. Кабанов, А.Л. Бобров, С.А. Бехер., А.А. Больганов. «Акустико-эмиссионный контроль боковых рам коробчатого сечения», ж. Дефектоскопия №3 2011 год. Стр. 10-17).
Следовательно, в этих местах требуется снизить напряжение.
Снизить напряжение предложено путем утолщения стенки в местах от перехода горизонтальных опорных участков 10 в средние элементы наклонных поясов 4. В сечении А-А (фиг.2) показано утолщение которое достигается за счет полуэллипса в нижней части коробчатого сечения.
Радиус в местах перехода горизонтальных опорных участков в средние элементы 5 наклонных поясов 4 увеличен и составляет 56...65 мм, толщина стенки постепенно снижается в направлении средних элементов наклонных поясов 4 и в месте U-образных перемычек становится равной толщине в коробчатом сечении, симметрично толщина стенки в местах перехода наклонных поясов в горизонтальные опорные пояса снижается в направлении горизонтальных участков и в сечении постепенно переходит в коробчатое.
Следовательно, в сечении по А-А боковой рамы в нижней части коробчатого сечения образуется полуэллипс с утолщенной стенкой. Эллиптичность составит 0,864.
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>60,5</mn></mrow><mrow><mn>70</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,864</mn></mrow>
где R=70 мм, r=60,5 мм.
Интервал эффективного снятия напряжения в опасных зонах боковой рамы находится в пределах 0,864…1,0.
При изготовлении боковой рамы предложенное сечение А-А фиг.3 обеспечивает проход горячего металла в опоке легче по сравнению с прототипом фиг.4. Тем самым охлаждение с последующей кристаллизацией будет проходить равномерно по всей отливке, не будут возникать трещины из-за температурных перепадов.
Другой отличительной особенностью является применение металла с повышенными прочностными характеристиками в утолщенной стенке сечения А-А (фиг.2) внутреннего сечения верхнего пояса от места перехода горизонтальных опорных участков в средние элементы наклонных поясов 4 в нижней части до U-образных перемычек.
Металл содержит хрома 0,8…1,2%, никеля 2…4%, молибдена 0,2…0,4%, ванадия до 0,5%. Остальные элементы в пределах основного металла боковой рамы.
Металл должен обладать не только высоким временным сопротивлением, и высоким пределом текучести с сохранением при этом большой вязкости, что характеризуется большой ударной сопротивляемостью.
Растворение легирующих элементов в Feα происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов.
Атомы легирующих элементов, отличаясь от атомов железа размерами и строением, создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода (А.П. Гуляев. «Металловедение». Изд-во «Металлургия» 1978 г., стр.349-350).
Там же на рис.280 показано влияние легирующих элементов на свойства феррита (твердость и ударная вязкость) и на рис.281 показано влияние легирующих элементов на порог хладостойкости.
Именно влияние присадки хрома и никеля обеспечивают повышение механических качеств и хладостойкость. Для получения необходимой прочности металла боковой рамы предложено добавлять никеля от 2…4% и хрома до 0,8…1,2%.
Для обеспечения теплоустойчивости стали, т.е. повышения предела текучести, вводится молибден 0,2…0,5%.
Молибден, растворяясь в фазах железа, измельчает зерно, что очень благотворно влияет на механические качества металла, повышает прочность и сопротивление удару.
Для дисперсионного упрочнения и измельчения зерна вводится ванадий.
Наиболее эффективное действие ванадия на свойства стали достигается при содержании ванадия в стали 0,5%. В этом случае в раствор переходит упрочняющая фаза в количестве, достаточном для последующего дисперсионного упрочнения, а нерастворенной остается такое его количество, которое необходимо для торможения роста зерен при нагреве.
Причем сталь должна быть хорошо раскислена, иметь достаточную температуру для создания благоприятной формы и расположения образующихся микровключений.
Предложенная конструкция боковой рамы тележки грузового вагона была изготовлена и испытана на цикличность.
Результаты испытаний положительные.