РАМА БОКОВАЯ ТРЕХЭЛЕМЕНТНОЙ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА ПОВЫШЕННОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается трехэлементных тележек грузовых вагонов.
В грузовом железнодорожном транспорте в качестве ходовых частей вагонов широкое распространение получили трехэлементные тележки с одно или двухступенчатым рессорным подвешиванием, в которых используются рамы боковые литой конструкции. К таким конструкциям относятся, например, тележки Motion Control M-976 Truck System (США), S-2 BARBER Stabilized Truck (США), QCZ56 (Китай), ICF i MD 45/52 (Германия), 18-100, 18-131, 18-578, 18-579, 18-194-1 (Россия) и 18-4129, 18-4129-01, 18-7020, 18-7033, 18-755, 18-781, 18-1711 (Украина) и др.
Начиная с боковых рам тележек УВЗ [1], ЦНИИ-Х3-0 [2] и их модификаций [3, 4, 5, 6 и 7] и заканчивая последними разработками [9…12], отличительной особенностью рам боковых является выполнение их в виде одной стальной отливки, в средней части которой расположен проем для центрального рессорного комплекта, а по концам - проемы (открытые или закрытые с боковых сторон) для буксовых узлов колесных пар. Вертикальные колонны центрального рессорного проема, наклонные пояса и верхний пояс образуют симметрично расположенные относительно поперечной оси рамы технологические отверстия треугольной формы со скругленными углами. Эти отверстия обеспечивают возможность осмотра тормозных колодок и снятие чеки, крепящей тормозные колодки к башмакам триангеля, замене тормозных колодок во время эксплуатации тележек.
Верхний пояс в районе проема для центрального рессорного комплекта имеет замкнутое сечение с локальными отверстиями по нижней полке. В районе технологического отверстия он имеет корытообразную форму с некоторым загибом внутрь концов полок, а на участке буксовых проемов - прямоугольное замкнутое сечение.
Сечение вертикальных колонн проема для центрального рессорного комплекта боковых рам имеют корытообразную форму с некоторым загибом внутрь концов полок на участке технологического отверстия. Наклонные пояса имеют коробчатое сечение от нижнего угла проема для центрального рессорного комплекта до начала технологического отверстия, а далее - корытообразную форму с некоторым загибом внутрь концов полок на участке технологического отверстия.
Горизонтальный участок нижнего пояса проема для центрального рессорного комплекта имеет замкнутое коробчатое сечение. По бокам к нему примыкают полки, создающие опорную поверхность для установки пружин центрального рессорного комплекта и, со стороны кронштейнов для подвески триангелей, являющиеся опорами для наконечников триангелей в случае обрыва подвесок.
Балки с таким профилем опорной поверхности для установки центрального рессорного комплекта хорошо сопротивляются изгибу и кручению. Однако недостаточную прочность имеет внутренний угол буксового проема [13, 15, 16], не смотря на то, что он усилен прямоугольной формы ребром, расположенным по касательной к радиусу сопряжения наклонного пояса с верхним горизонтальным поясом.
Конструкция узла перехода нижнего пояса в вертикальные колонны проема для центрального рессорного подвешивания, несмотря на наличие внутреннего наклонного ребра, являющегося продолжением верхней полки нижнего пояса и соединяющего боковые стенки колонок, имеет так же недостаточную прочность.
Как правило, попытки усиления этих зон сводятся к увеличению толщин сопрягаемых элементов, при этом получается большое скопление металла, так называемые тепловые узлы [14]. В тепловых узлах металл затвердевает медленнее, чем в более тонких сопрягаемых элементах, что способствует возникновению усадочных раковин, пористости и горячих трещин.
В связи с переходом железных дорог на эксплуатацию грузовых вагонов повышенной грузоподъемности, актуальным становится увеличение усталостной прочности боковых рам тележек.
Известны различные конструкции боковых рам тележки грузового вагона (патенты: US 5305694, US 5481986, US 5718177, US 6125767, US 6543367, RU 2116921, RU 41687, UA 8939, RU 65006, RU 77592 и др.), в конструкции которых применяются те или иные способы по увеличению прочности наиболее повреждаемых в эксплуатации зон.
Ближайшим аналогом полезной модели является боковая рама железнодорожной тележки (патент RU 79508). В зоне соединения нижнего пояса с каждой вертикальной колонной образованы тепловые узлы, длина которых превышает ширину верхнего и нижнего поясов рамы боковой. Тепловые узлы нижних углов центрального рессорного проема не симметричны относительно продольной оси рамы. Тепловые узлы во внутренних углах буксовых проемов симметричны относительно продольной оси рамы и длина их больше, чем ширина верхнего пояса рамы. При этом, торцовые поверхности тепловых узлов параллельны боковым стенам рамы.
Предложенная конструкция узлов создает условия для направленной кристаллизации металла в тепловых узлах за счет применения при изготовлении отливок легко отделяемых прибылей прямого питания со стержнями-диафрагмами, преимущественно, обогреваемых экзотермическими смесями. Доказано [14], что в этом случае устраняется усадочная пористость, трещины и другие литейные дефекты.
Предполагаемый эффект достигается при строгом соблюдении технологической дисциплины в литейном производстве. И это является, в то же время, и недостатком описанной конструкции, так как в реальных условиях массового производства крупного вагонного литья на заводах стран СНГ постперестроечного периода, нередки случаи нарушения технологической дисциплины [15], а, следовательно, и «вспышки» литейного брака, обнаруживаемого в эксплуатации.
Известна боковая рама тележки грузового вагона (патент RU 103521). Особенность этой конструкции заключается в том, что расстояние от центра радиусного перехода опорной поверхности рессорного комплекта до вертикальных колонок меньше величины радиуса. Внутренние ребра, примыкающие к радиусным переходам, соединены с технологическими окнами по касательной к их окантовкам, а ось каждого выступа совпадает с линией пересечения внутреннего ребра с цилиндрической поверхностью радиусного перехода. По мнению авторов, такое изменение конструкции узла перехода от опорной поверхности рессорного комплекта к вертикальным колонкам, образующим с верхним горизонтальным поясом центральный рессорный проем, и новая ориентация выступов для установки литейных прибылей, «обеспечивает условия для направленной кристаллизации, устраняющей усадочные пористость, раковины, рыхлоты и образование трещин». Этой конструкции рамы присущи те же недостатки, что и для рамы предыдущей конструкции (патент RU 79508).
Таким образом, ожидаемый эффект от организации тепловых узлов, наличия ребер и выступов в зонах скопления металла при массовом производстве рам не гарантирован, но увеличивает массу отливки.
Задачей полезной модели является повышение надежности конструкции рам, повышение коэффициента запаса сопротивления усталости за счет повышения прочностных свойств тех узлов рамы, где возникают разрушения при эксплуатации.
В заявляемой полезной модели задача повышения надежности и повышения коэффициента запаса сопротивления усталости решается за счет совокупности следующих существенных признаков.
Боковая рама (фиг.1, 2 и 3) содержит верхний пояс (1) замкнутого по всей длине сечения с локальными отверстиями (20) по нижней полке. Он переходит в зоне пересечения с наклонными поясами (3) замкнутого сечения с локальными отверстиями (21) в консоли (4), оснащенные челюстями (5 и 6). Каждая консоль имеет замкнутую по длине конструкцию не одинаковой высоты, которая уменьшается в сторону наружной челюсти (6). Консоли с челюстями образуют буксовые проемы (7). Нижний пояс (8) замкнутого сечения с опорной площадкой (12) для рессорного комплекта оснащен тремя вертикальными стенками (9, 10 и 11). Верхний и нижний пояса соединены между собой двумя вертикальными колоннами (13), образующими проем (14) для центрального рессорного подвешивания. Наклонные пояса (3) с вертикальными колоннами (13) и верхним поясом (1) образуют технологические окна (2) треугольной формы со скругленными углами.
Каждая вертикальная стенка (фиг.3) нижнего пояса (8) расположена по продольной оси соответствующего продольного ряда пружин рессорного комплекта. Наружные стенки (9 и 11) плавно переходят в вертикальные стенки наклонных поясов (3) и колонн (13). Средняя стенка (10) имеет элепсообразные окончания (15), которые в нижней части плавно переходят в нижнюю полку пояса (8), а в верхней части по касательной соединяется с радиусным переходом (16) опорной площадки для рессорного комплекта (12) в вертикальную стенку (17) колонн (13). Верхняя полка (18) наклонных поясов (3) соединяется по нормали с вертикальной стенкой (17) колонн (3) в зоне окончания радиусного перехода (16).
Толщина нижних полок консолей (4) образуется по аналогии с методом вписанных окружностей проф. Андреева: толщина нижней полки верхней части наклонного пояса (3) плавно увеличивается на 0,5 - 2 единицы на каждые 10 единиц длины. А максимальная толщина нижних полок консолей образуется путем сопряжения нижних полок наклонного пояса и буксового проема по радиусу, обуславливающему отношение диаметра вписанной в узел окружности D к толщине вертикальной стенки внутренней челюсти, не превышающее 1,5
Далее толщина нижних полок консолей плавно (0,5 - 1 единицы на каждые 10 единиц длины) уменьшается по длине опорной поверхности буксового проема (7). Таким образом, увеличенная высота консоли с учетом толщин верхних и нижних полок, обеспечивает увеличение момента сопротивления на изгиб в вертикальной плоскости сечения на 15…20% по сравнению с аналогом. А рационально спроектированный узел соединения внутренней челюсти (5) с нижней полкой консоли (4) исключает возникновение литейных дефектов. Высота сечения наружной челюсти (6) буксового проема в зоне соединения с консолью (4) как по вертикали, тик и по горизонтали увеличена до величины, обеспечивающей увеличение момента сопротивления на изгиб на 15…20% по сравнению с аналогом.
Технический результат, получаемый при использовании полезной модели, достигается в результате:
- рационального конструирования узлов соединения внутренних стенок и ребер рамы боковой. Доказано [14], что в этом случае устраняется усадочная пористость, трещины и другие литейные дефекты и в результате обеспечивается высокая плотность металла в тепловых узлах;
- введения верхнего пояса замкнутого сечения с локальными отверстиями по нижней полке на всем его протяжении и наклонных поясов замкнутого сечения с локальными отверстиями;
- введение третьей вертикальной стенки в нижнем поясе, а так же расположением вертикальных стенок нижнего пояса по продольной оси соответствующего продольного ряда пружин рессорного комплекта;
- увеличения сечений консолей в зонах соединения с внутренними и наружными челюстями, что обеспечивает существенный рост момента сопротивления на изгиб.
Таким образом, повышается усталостная прочность боковой рамы тележки, и создаются предпосылки для ее длительной (не менее 32 лет) эксплуатации.
Суть технического решения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен общий вид рамы боковой с буксовыми проемами открытого типа;
на фиг.2 вид на раму боковую в сечении, проходящем через продольную вертикальную плоскость рамы;
на фиг.3 вид на разрез нижнего угла проема для центрального рессорного подвешивания рамы боковой по радиусному переходу (сечение А-А) и опорную площадку для рессорного комплекта.
Источники информации:
1. Вагоны под редакцией М.В.Винокурова. Трансжелдориздат, 1953, стр.215-216, фиг.186.
2. Л.А.Шадур., И.И.Челноков, Л.Н.Никольский, Е.Н.Никольский и др. Вагоны. «Транспорт», 1965, стр.147-148, рис.100.
3. Железнодорожная тележка. ФГУП «ПО Уралвагонзавод» Патент RU 42992 U1.
4. Тележка грузового вагона. ОАО «Алтайвагонзавод». Патент RU 2224673 С2.
5. Тележка железнодорожного вагона. ГУП «ПО Уралвагонзавод». Патент RU 2200681 С2.
6. Железнодорожная грузовая тележка для повышенных скоростей движения. ФГУП «ЦКБ ТМ». Патент RU 39558 U1.
7. Тележка двухосная для грузовых железнодорожных вагонов колеи 1520 мм. ГУП «УО ВНИИЖТ». Патент RU 42991 U1.
8. Двухосная тележка грузового вагона. ОАО «Крюковский вагоностроительный завод» (UA). Патент RU 2246416 С2.
9. Тележка двухосная для грузовых вагонов магистральных железных дорог. Радзиховский А.А. (UA), Воронович В.П. (RU). Патент RU 54347 U1.
10. Рама боковая трехэлементной тележки грузового вагона. Радзиховский А.А. (UA). Патент RU 79508 U1.
11. Боковая рама тележки грузового вагона. ООО «ГСКБВ им. В.М.Бубнова». Патент RU 103 521 U1.
12. Двухосная тележка грузового вагона. Стандарт Кар Трак Ко (US). Патент RU 77592 U1.
13. Протокол №597 ввд 29 червня 2006 р. скорочених випробувань на втому балок надресорних (креслення 4129.00.001) та рам бокових (креслення 4129.00.002). ВЦ ПВ УкрНДЮ, 2006.
14. Василевский П.Ф. Технология стального литья. М., «Машиностроение», 1974,408 с.
15. Льют как придется. Гудок, №60 (24053) от 08.04.2008.
16. Бубнов В.М., Манкевич Н.Б., Мямлин С.В. Совершенствование конструкции боковой рамы двухосной тележки грузовых вагонов. Вагонный парк №2/2011, с.36…39.