Рама железнодорожного грузового вагона-платформы

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта и касается, в частности, конструкции концевых балок рам грузовых вагонов.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели является рама железнодорожного грузового вагона, включающая хребтовую балку, соединенную с боковыми, шкворневыми, поперечными и концевыми балками. Листы концевой балки выполнены фигурными и жестко соединены с верхними и нижними полками боковых и хребтовой балок. Верхний лист концевой балки выполнен с выступом в центральной части и соединен с верхними полками боковых и хребтовой балок сварными швами с полным проплавлением. В месте соединения верхнего листа концевой балки с верхней полкой боковой балки сварной шов выполнен продольно. Выступ в центральной части выполнен с плавным переходом. Между верхними и нижними листами концевой балки установлены плоские усиливающие ребра (RU №199814, МПК B61F 1/02, B61F 1/10, опубл. 21.09.2020).
Недостатками наиболее близкого аналога являются недостаточная жесткость концевой балки и отсутствие в конструкции фитинговых упоров, и, как следствие, отсутствие надежной посадки контейнера на платформе.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является достижение оптимальных характеристик вагона-платформы, в том числе достаточной прочности и возможности перевозки контейнеров при оптимальной металлоемкости изделия.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в снижении металлоемкости рамы железнодорожного грузового вагона-платформы при сохранении ее надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что рама железнодорожного грузового вагона-платформы включает в себя хребтовую балку, соединенную с боковыми, шкворневыми, концевыми балками, все листы каждой концевой балки выполнены фигурными, лобовой лист концевой балки выполнен со смещением его крайних частей относительно его средней части наружу по направлению продольной оси, при этом верхние и нижние листы концевой балки соединены между собой посредством ребра жесткости, соотношение длины ребра L к ширине верхнего и нижнего листа концевой балки в месте установки ребра составляет не менее 0,45, а его толщина составляет не менее 6 мм, при этом длина ребра L менее ширины верхнего и нижнего листа концевой балки.
Соотношение длины ребра L к ширине верхнего и нижнего листа концевой балки в месте установки ребра может составлять 0,45 - 0,85.
Толщина ребер может составлять (6-16) мм.
Боковые балки могут быть выполнены из двутавра сварной конструкции.
Боковые балки могут быть выполнены из двутавра цельнокатаной конструкции.
Ребра жесткости могут быть выполнены из стали.
Угол перехода листов концевой балки от стыка с хребтовой балкой к стыку с боковыми балками может находиться в пределах (5…90)°.
Разница ширины листов концевой балки в зоне примыкания к боковой балке и его ширины в зоне хребтовой балки может находиться в пределах (10-400) мм.
Уменьшение ширины листов концевой балки направлено в сторону платформы.
Предложенная полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 представлен вид сверху рамы железнодорожного вагон-платформы;
на фиг. 2 - вид спереди рамы железнодорожного вагон-платформы;
на фиг. 3 - выносной элемент А, на котором изображен вид сверху балки концевой;
на фиг. 4 - выносной элемент Б-Б, на котором изображен вид сзади балки концевой;
на фиг. 5 - выносной элемент В-В, на котором изображено ребро жесткости.
на фиг. 6 - расположение зон оценки сопротивления усталости в области концевой балки с учетом длины ребра L = 0,45⋅H.
на фиг. 7 - расположение зон оценки сопротивления усталости в области концевой балки с учетом длины ребра L = 0,55⋅H.
Рама железнодорожного грузового вагона-платформы (фиг. 1-2) состоит из хребтовой балки 1, соединенной с боковыми балками 2 через шкворневые балки 3, поперечные балки 4 и концевые балки 5.
Концевая балка 5 содержит верхний лист 6, вертикальный лист 7 и нижние листы 8.
Ребра жесткости 9 (фиг. 4, 5), соединяют верхний лист 6, вертикальный лист 7 и нижние листы 8 концевой балки 5, соотношение длины ребра L к ширине верхнего и нижнего листа концевой балки в месте установки ребра составляет не менее 0,45, а толщина ребра 9 составляет не менее 6 мм, при этом длина ребра L менее ширины верхнего и нижнего листа концевой балки.
Значения напряжений были вычислены методом конечных элементов с помощью программы SolidWorks/Simulation. При этом было установлено, что при соотношении длины ребра L к ширине верхнего и нижнего листов концевой балки в месте установки ребра не менее 0,45, и при толщине ребра не менее 6 мм обеспечивается сопротивление усталости рамы вагона-платформы на заданный срок службы 40 лет. Расчеты показали, что в зоне Г при оценке сопротивления усталости в области концевой балки при соотношении длины ребра L к ширине верхнего и нижнего листа концевой балки в месте установки ребра, равном 0,45 и толщине ребра 6 мм, эквивалентное напряжение составило 88 Мпа (фиг. 6). При соотношении длины ребра L к ширине верхнего и нижнего листов концевой балки в месте установки ребра, равном 0,55, и толщине ребра 8 мм эквивалентное напряжение в зоне Г составило 84 Мпа (фиг. 7). При соотношении менее 0,45 и толщине менее 6 мм, например, при соотношении 0,4 и толщине 5,5 мм, сопротивление усталости рамы вагона-платформы на заданный срок службы 40 лет не обеспечивается, обеспечивается только на 35 лет, что не позволяет добиться конкурентных преимуществ.
Расчетный случай, в котором рассматривалось конструктивное исполнение ребра с длиной равной ширине полки концевой балки в совокупности с односторонним тавровым сварным швом с неполным проплавлением, является самостоятельным концентратором напряжений с выходом на кромку полки концевой балки и вероятным наличием подреза в зоне окончания сварного шва. В связи с этим, необходимо использовать ребра длиной менее ширины полки концевой балки.
Параметры ребра можно изменять в зависимости от конфигурации концевой балки рамы железнодорожного грузового вагона-платформы, рекомендацией для исполнения является соотношение длины ребра L к ширине верхнего и нижнего листа концевой балки в месте установки ребра в диапазоне 0,45 - 0,85, и толщина ребра в диапазоне (6-16) мм.
Таким образом, при подборе вышеописанных параметров снижается  металлоемкость концевой балки. В каждой концевой балке два ребра, в вагоне четыре ребра. Расчеты показали, что по сравнению с длиной ребер на всю ширину листа выполнение четырех ребер в соотношении длины ребра L к ширине верхнего и нижнего листов концевой балки, равном 0,45, масса рамы вагона уменьшается на 31,4 кг. При соотношении длины ребра L к ширине верхнего и нижнего листа концевой балки равном 0,55, масса уменьшается на 28,7 кг. При этом соблюдение данных параметров обеспечивает необходимую жесткость рамы платформы в целом, обеспечивая при этом безопасность при перевозке грузов по железным дорогам. Толщина ребра 9 менее 6 мм и длина ребра 9 менее 0,45 ширины верхнего 6 и нижнего 8 листов концевой балки 5 приведет к снижению надежности рамы. Толщина ребра 9 более 16 мм и соотношение длины ребра L к ширине верхнего и нижнего листов концевой балки в месте установки ребра более 0,85 в некоторых вариантах концевой балки могут привести к увеличению массы рамы и снижению грузоподъемности вагона.
Ребра жесткости 9 могут быть выполнены из стали. Использование стальных ребер жесткости 9 позволяет обеспечить необходимую жесткость рамы платформы.
Верхний лист 6, вертикальный лист 7 и нижние листы 8 концевых балок 5 (фиг. 1), жестко соединены с верхним, нижним и вертикальным листами боковых балок 2 и хребтовой балки 1 соответственно.
Боковые балки 2 выполнены из двутавра и могут быть как сварной, так и цельнокатаной конструкции. Как цельнокатаная, так и сварная боковая балка из двутавра обеспечивают надежность рамы железнодорожного грузового вагона-платформы.
Четыре одинарных плиты для крепления оснований фитинговых упоров 10 установлены в консольных частях рамы на концевую балку 5 (фиг. 3).
Верхний лист 6, вертикальный лист 7 и нижние листы 8 концевых балок 5 выполнены фигурными, причем угол перехода листов концевой балки 5 от стыка с хребтовой балкой 1 к стыку с боковыми балками 2 находится в пределах (5…90)°, а также разница ширины листов концевой балки 5 в зоне примыкания к боковой балке 2 и его ширины в зоне хребтовой балки 1 находится в пределах (10-400) мм, при этом уменьшение ширины направлено в сторону платформы.
Фигурная конструкция листов концевой балки позволяет как сохранить высокие эксплуатационные характеристики, касающиеся грузоподъемности вагона, за счет места крепления автосцепки, так и образовать дополнительные элементы жесткости в местах изменения прямолийнейной конфигурации листов на фигурную, что непосредственно влияет на заявленный технический результата, который заключается в повышении надежности рамы железнодорожного грузового вагона-платформы.
По заявляемой полезной модели проведены испытания с положительным результатом и по сравнению с известным техническим решением предлагаемое при совокупности существенных признаков позволяет снизить металлоемкость при сохранении надлежащей надежности, что в целом повышает эксплуатационные характеристики рамы железнодорожного грузового вагона-платформы.