КУЗОВ ПОЛУВАГОНА УВЕЛИЧЕННОЙ ВМЕСТИМОСТИ И ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции кузовов полувагонов, в частности конструкции элементов рамы, торцевых и боковых стен и узлов соединения их между собой.
Известна конструкция железнодорожного универсального четырехосного полувагона [1], содержащая кузов, опирающийся на ходовые части. Кузов состоит из рамы, боковых и торцевых стен. Рама имеет хребтовую балку, сваренную из двух специальных зетов и двутавра; две концевые балки коробчатого сечения из гнутого уголка, вертикального и горизонтального листов; две шкворневые балки замкнутого сечения из двух вертикальных и двух горизонтальных листов и пяти промежуточных балок из вертикального листа и горизонтальных поясов. Боковые и торцевые стены имеют каркас и обшивку. Каркас боковой стены имеет верхнюю обвязку, нижнюю обвязку, листы угловых стоек, стойки шкворневые и промежуточные. Каркас торцевой стены имеет угловые стойки, изготовленные из швеллеров, верхнюю и нижнюю обвязки, пояса и полустойки. К каркасу приварены листы обшивки. Верхняя обвязка боковой стены замкнутого сечения концевыми частями прилегает к листам угловых стоек. К концам верхних обвязок боковой стены приварены коробки, которые продлены к крайней грани листов угловых стоек. Верхняя обвязка торцевой стены изготовлена из неравнополочного гнутого швеллера, замкнутого планкой. Соединение боковых стен с торцевыми стенами производится через лист угловой стойки. В верхней части в узле заделки стен установлена накладка, которая опираясь на верхнюю грань верхней обвязки торцевой стены, приварена к боковой и торцевой стене.
Известна также конструкция полувагона [2], кузов которого включает в себя раму, боковые стены с верхними обвязками, стойками и обшивкой, а также торцевые стены с панелью обшивки из гофрированных листов, которая приварена к верхней обвязке и гофрами к угловым стойкам. Верхние обвязки боковой и торцевой стен, соприкасающиеся внутренними кромками, соединены в один неразъемный узел с помощью Г-образной накладки, которая приклепана к верхним поверхностям профилей обвязок.
Известен также патент CN 201573657 U от 2010.09.08. Верхние обвязки торцевой стены и боковой стены соединены с помощью Г-образной накладки, приваренной к их верхним поверхностям.
Общим недостатком описанных конструкций является то, что приварка торцевой стены к боковой стене производится через лист угловой стойки и накладку без соединения основных профилей верхних обвязок между собой. Что приводит к ослаблению узла соединения стен в верхней части.
Частично проблему усиления узла заделки верхних обвязок боковой и торцевой стен решает конструкция, описанная в патенте RU 2325294 C1 от 11.09.2006. Кузов содержит раму с закрепленными на ней торцевыми и боковыми стенами, состоящими из панелей обшивки и каркасов, которые состоят из стоек, поясов и обвязок, имеющих замкнутое сечение, сваренных из верхнего и нижнего элементов, при этом обвязка торцевой стены, опирающаяся на угловые стойки, изготовлена из швеллера замкнутого листом, жестко соединена с обвязкой боковой стены с использованием накладки, установленной на совпадающие верхние поверхности обвязок, и накладки, установленной с внешней боковой стороны кузова. Кроме того, обвязка торцевой стены по ширине больше, а по высоте меньше обвязки боковой стены, при этом планка, которая приварена к нижней поверхности нижнего элемента обвязки боковой стены, имеет два участка: горизонтальный и под углом, вместе с этим на горизонтальном участке планки внешняя боковая грань выполнена с плавным уменьшением ширины планки, а участок под углом продлен за внешнюю поверхность обвязки торцевой стены и прижат к ее нижней кромке, образуя соединение под острым углом.
Существенным недостатком вышеописанной конструкции является практически полное отсутствие сварного шва между внутренней вертикальной поверхностью верхней обвязки торцевой стены на участке ее контакта с торцом верхнего элемента верхней обвязки боковой стены, а накладка, соединяющая верхние поверхности верхних обвязок боковой и торцевой стен, не обеспечивает достаточную прочность этого соединения. Кроме того, планка, привариваемая к нижней поверхности нижнего элемента обвязки боковой стены, и имеющая два участка: горизонтальный и под углом, технологически сложна в изготовлении и монтаже при сборке и сварке кузова.
Конструкция узла сочленения верхних обвязок боковых и торцевых стен кузова полувагона по патенту RU 2325294 C1 выбрана в качестве прототипа.
Конструкция торцевой части полувагона (торцевая стена, концевая балка и узел их соединения) описаны большим количеством патентов. Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является конструкция по патенту RU 93058 U1 от 13.05.2009 г. Описана торцевая стена полувагона, включающая каркас из двух боковых прямолинейных профилей, горизонтальных криволинейных поясов жесткости и вертикальных полустоек, перекрытых листами обшивки, и днища из листов и наклонных полустоек, соединяемых с концевой балкой рамы кузова. При этом торцевая стена имеет цилиндрическую форму выпуклостью в сторону головы автосцепки, а днище свисает над корпусом автосцепки. Возможен вариант изготовления торцевой стены призматической формы.
Очевидным недостатком описанной конструкции является ее не технологичность, а, следовательно, и не пригодность для серийного производства. Кроме того, цилиндрическая или призматическая форма торцевой стены полувагона со значительным углом подъема концевой части пола, нависающей над корпусом автосцепки, не обеспечит полное использование полезной площади пола при перевозке контейнеров, пакетированных грузов и труб большого диаметра.
Известен патент RU 101419 U1 от 11.01.2010 г. Описывается торцевая часть кузова универсального полувагона, включающая лобовую балку, установленную на хребтовой балке рамы кузова, содержащую сваренные между собой вертикальные стенки, верхнюю горизонтальную и нижние наклонные полки, и торцевую стену, сваренную с лобовой балкой и выполненную из верхней обвязки, крайних и средних вертикальных стоек, соединяющих торцевую стену с лобовой балкой, листовой обшивки и ряда горизонтальных несущих поясов. Особенностью описываемой конструкции является то, что верхняя горизонтальная полка лобовой балки выполнена с вертикальной отгибкой вверх и на последнюю наложена вертикальная стенка лобовой балки с приваркой внахлестку с образованием уступа, в котором размещена и аналогично приварена листовая обшивка торцевой стены. При этом крайние и средние вертикальные стойки выполнены с плоскими привалочными поверхностями и наложены этими поверхностями на вертикальную стенку лобовой балки. Верхняя горизонтальная полка с вертикальной отгибкой вверх и вертикальные стенки лобовой балки связаны между собой L-образным в сечении основанием, расположенным посередине последней и предназначенным для размещения и приварки на концевой части хребтовой балки предварительно сваренной лобовой балки, а нижние наклонные полки лобовой балки соединены с хребтовой балкой с помощью приварных компенсирующих накладок.
Описанная конструкция лобовой балки рамы и ее узел соединения с торцевой стеной полувагона имеет очевидный недостаток - увеличенную металлоемкость и трудоемкость, как по изготовлению сопрягаемых деталей, так и по сборочно-сварочным работам. Кромке того, при стандартной длине полувагона по осям сцепления автосцепок, не обеспечивается необходимая полезная внутренняя длина пола кузова при погрузке труб большого диаметра с использованием специальных захватов [3].
Конструкция лобовой балки рамы и ее узел соединения с торцевой стеной полувагона по патенту RU 101419 U1 выбрана в качестве прототипа.
Конструкция соединения шкворневой и промежуточных стоек боковой стены с поперечными элементами рамы полувагона описана в нескольких патентах. Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является кузов полувагона содержащий раму, состоящую из хребтовой балки, двух концевых балок, двух шкворневых и четырех промежуточных балок, на которой смонтированы боковые и торцевые стены. Каркас боковой стены состоит из верхней обвязки, двух угловых стоек, двух шкворневых стоек, четырех промежуточных стоек и нижней обвязки. Шкворневые и промежуточные стойки предназначены для восприятия распорных усилий, соединения боковой стены с рамой полувагона и выполнены из омегообразного профиля. Внутри профиля, в зоне контакта с вертикальными листами поперечных балок рамы и нижней обвязки боковой стены, вварены планки, а снаружи - усиливающие накладки. По мнению авторов, описанная конструкция кузова позволяет исключить недостатки серийно выпускаемых полувагонов, повысить их грузоподъемность и эксплуатационную надежность за счет увеличения прочности торцевых и боковых стен кузова. На практике ожидания авторов не оправдались. Предложенная конструкция соединения шкворневых и промежуточных стоек боковой стены с поперечными балками рамы не обеспечила ожидаемую прочность и в этом заключается основной недостаток рассмотренного патента.
Известна конструкция узла крепления шкворневой стойки к нижней обвязке боковой стенки полувагона по патенту RU 2278038 С2 от 18.10.2004. Узел крепления шкворневой стойки к нижней обвязке боковой стенки полувагона включает соединенные с листами шкворневой балки шкворневую стойку, внутри которой параллельно ее опорным полкам приварена пластина, нижнюю обвязку в форме уголка 160×100 мм и трапециевидную накладку, соединяющую верхний лист шкворневой балки с нижней обвязкой боковой стены. К опорным полкам шкворневой стойки с обеих сторон приварены косынки. Ширина косынки соответствует размеру горизонтальной полки нижней обвязки боковой стены полувагона, к которой она приварена.
Недостатком данной конструкции является резкое уменьшение жесткости шкворневой стойки боковой стены выше сварного шва, соединяющего трапециевидную накладку с вертикальной стенкой уголка нижней обвязки боковой стены, что является причиной недостаточной работоспособности узла в эксплуатации.
Конструкция узла крепления шкворневой стойки к нижней обвязке боковой стены полувагона по патенту RU 2278038 C2 выбрана в качестве прототипа.
Целью предлагаемой полезной модели является увеличение прочности кузова полувагона повышенной вместимости и грузоподъемности, прежде всего за счет изменения конструкции концевой балки рамы и ее соединения с торцевой стеной, совершенствования узла соединения верхних обвязок боковых и торцевых стен кузова и узлов соединения шкворневых и промежуточных стоек боковой стены со шкворневыми и промежуточными балками рамы.
Указанная цель достигается тем, что кузов полувагона повышенной вместимости и грузоподъемности содержит раму с закрепленными на ней торцевыми и боковыми стенами, состоящими из панелей обшивки и каркасов, которые состоят из стоек, поясов и обвязок, имеющих замкнутое сечение. Рама полувагона состоит из хребтовой балки, двух концевых балок, двух шкворневых и четырех промежуточных балок. Концевая балка сварной конструкции, установленная на хребтовой балке рамы, содержит верхнюю горизонтальную с вертикальной отгибкой вверх и нижние с концентричными отверстиями полки. Нижние с концентричными отверстиями полки, имеющие горизонтальный участок и участок под углом, соответствующим углу наклона нижней грани внутренней вертикальной стенки, замыкаются на первых от хребтовой балки диафрагмах таким образом, что концевая балка на участках от хребтовой балки и до первых диафрагм имеет прямоугольное коробчатое сечение, а на участках от первой диафрагмы и до угловых стоек боковых стен имеет открытое снизу П-образное сечение.
Передняя вертикальная стенка концевой балки состоит из пяти сегментов, два из которых, боковые, равноудалены от продольной оси вагона в боковом направлении и отдалены на величину ΔL вдоль продольной оси вагона от третьего, центрального сегмента, к которому крепится розетка переднего упора автосцепки. Боковые сегменты сопряжены с центральным сегментом с помощью расположенных под углом к их плоскостям сегментов, симметрично разнесенных относительно продольной оси вагона. Вертикальный отгиб верхней горизонтальной полки концевой балки совместно с наклонным листом на длине центрального сегмента и двух сегментов, расположенных под углом к его плоскости, образует замкнутый трехгранный профиль, нависающий над розеткой переднего упора автосцепки. Высота наклонной грани замкнутого трехгранного профиля на длине, соответствующей максимальной длине стандартной трубы большого диаметра [4], меньше толщины подкладок, на которые производится погрузка нижнего яруса труб [5].
Обвязка торцевой стены по ширине больше, а по высоте меньше обвязки боковой стены, опирается на швеллеры угловых стоек и замыкается на вертикальных листах угловой стойки боковой стены. Совпадающие верхние поверхности верхней обвязки боковой и торцевой стен соединяются с помощью фигурной накладки, один из сегментов которой, отогнутый под прямым углом вниз, соединяет наружную вертикальную поверхность верхней обвязки боковой стены с вертикальным листом угловой стойки в зоне контакта противоположной стороны листа с наружной вертикальной поверхностью верхней обвязки торцевой стены. Нижняя поверхность верхней обвязки боковой стены соединена с вертикальным листом угловой стойки с помощью накладки состоящей из двух сегментов: прямоугольного и треугольного. Накладка прямоугольным сегментом приваривается соответствующими сторонами к нижней поверхности верхней обвязки и вертикальному листу угловой стойки боковой стены, а треугольным сегментом - к вертикальному листу угловой стойки и к нижней грани отогнутого вниз сегмента фигурной накладки.
Плавный переход жесткости вертикальных стоек боковой стены по высоте от сварного шва, соединяющего трапециевидную накладку с вертикальной стенкой уголка нижней обвязки боковой стены, к основному сечению вертикальной стойки боковой стены достигается за счет того, что приваренная внутри стойки параллельно ее опорным полкам пластина имеет отгиб под углом Ψ, направленный внутрь вертикальной стойки. Пластина устанавливается во внутренней полости вертикальной стойки боковой стенки таким образом, что бы ее наружная плоскость находилась в плоскости прилегающих опорных полок вертикальной стойки к нижней обвязке, а отогнутый участок пластины приваривается к внутренним боковым граням вертикальной стойки и не касается внутренней поверхности наружной грани стойки.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами:
фиг.1 - общий вид кузова полувагона повышенной вместимости и грузоподъемности (в изометрии) с вырывом в боковой стене;
фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1;
фиг.3 - вид по стрелке Б на фиг.4;
фиг.4 - сечение Г-Г на фиг.1;
фиг.5 - вид на концевую балку кузова снизу;
фиг.6 - вид на концевую балку внутри кузова;
фиг.7 - сечение М-М на фиг.1.
Кузов полувагона увеличенной вместимости и грузоподъемности (Фиг.1) содержит раму с закрепленными на ней торцевыми 1 и боковыми 2 стенами. Торцевая стена состоит из угловых стоек 4, полустоек 4а, поясов 5, верхней обвязки 6 и обшивки 7. Боковая стена состоит из угловых 8, шкворневых 9 и промежуточных 10 стоек, верхней обвязки 11, нижней обвязки 12 и обшивки 13. Верхние обвязки 6 и 11 выполнены замкнутого сечения и сварены из горячекатаных швеллеров. Обвязка торцевой стены 6 по ширине больше, а по высоте меньше обвязки 11 боковой стены, опирается на швеллера угловых стоек 4 и замыкается на вертикальных листах 8 угловой стойки боковой стены 2. Совпадающие верхние поверхности верхней обвязки боковой и торцевой стен (Фиг.2, 3 и 4) соединяются с помощью фигурной накладки 14, один из сегментов 15 которой, отогнут под прямым углом вниз и соединяет наружную вертикальную поверхность 16 верхней обвязки боковой стены с вертикальным листом угловой стойки 8 в зоне контакта 17 противоположной стороны листа 8 угловой стойки с наружной вертикальной поверхностью 18 верхней обвязки торцевой стены. Нижняя поверхность 19 верхней обвязки боковой стены соединена с вертикальным листом 8 угловой стойки с помощью накладки 20 состоящей из двух сегментов: прямоугольного и треугольного. Накладка прямоугольным сегментом приваривается соответствующими сторонами к нижней поверхности 19 верхней обвязки и вертикальному листу 8 угловой стойки боковой стены, а треугольным сегментом - к вертикальному листу 8 угловой стойки и к нижней грани 21 отогнутого книзу сегмента 15 фигурной накладки 14.
Рама полувагона состоит из хребтовой балки 22 с закрепленными поперечными концевыми 23, промежуточными 24 и шкворневыми 25 балками. Концевая балка 23 сварной конструкции (Фиг.5 и 6), установленная на хребтовой балке 22 рамы, содержит верхнюю горизонтальную 49 с вертикальной отгибкой вверх 50 и нижние 26 с концентричными отверстиями 27 полки. Полки 26 имеют горизонтальный участок 28 и участок 29 под углом, соответствующим углу наклона нижней грани 30 внутренней вертикальной стенки 31. Нижние с концентричными отверстиями полки замыкаются на первых от хребтовой балки диафрагмах 32 таким образом, что концевая балка на участках от хребтовой балки и до первых диафрагм имеет прямоугольное коробчатое сечение, а на участках от первых диафрагм и до угловых стоек боковых стен имеет открытое снизу П-образное сечение 33. Передняя вертикальная стенка 34 концевой балки состоит из пяти сегментов, два из которых, боковые 35 и 36, равноудалены от продольной оси вагона в боковом направлении и отдалены на величину ΔL вдоль продольной оси вагона от третьего, центрального 37 сегмента, к которому крепится розетка 38 переднего упора автосцепки. Боковые сегменты 35 и 36 сопряжены с центральным сегментом 37 с помощью расположенных под углом к их плоскостям симметрично разнесенных относительно продольной оси вагона сегментов 39 и 40. Вертикальный отгиб 50 верхней горизонтальной полки 49 концевой балки совместно с наклонным листом 41 на длине центрального 37 сегмента и двух сегментов 39 и 40, расположенных под углом к его плоскости, образует замкнутый трехгранный профиль 42, нависающий над розеткой 38 переднего упора автосцепки. Высота наклонной грани 41 замкнутого трехгранного профиля 42 на длине, соответствующей максимальной длине стандартной трубы большого диаметра [4], меньше толщины подкладок, на которые производится погрузка нижнего яруса труб [5].
Плавный переход жесткости вертикальной стойки 10 боковой стены 2 по высоте от сварного шва 43, соединяющего трапециевидную накладку 44 с вертикальной стенкой 45 уголка нижней обвязки 12 боковой стены, к основному сечению вертикальной стойки боковой стены достигается за счет того, что приваренная внутри стойки (Фиг.7) параллельно ее опорным полкам пластина 46 имеет отгиб 47, направленный внутрь вертикальной стойки под углом Ψ. Пластина 46 устанавливается во внутренней полости вертикальной стойки боковой стенки таким образом, что бы ее наружная плоскость находилась в плоскости прилегающих к нижней обвязке 12 опорных полок вертикальной стойки, а отогнутый ее участок 47 приваривается к внутренним боковым граням вертикальной стойки и не касается внутренней поверхности 48 наружной грани стойки 10.
Технический результат полезной модели заключается в том, что заявляемый кузов, установленный на тележки с базой 1,85 м, полностью соответствует линейным размерам (база вагона - 8,65 м, длина консоли до оси сцепления - 2,635 м) «эталонного» вагона [6] и, за счет описанных конструктивных особенностей, обеспечивает повышенную до 90 куб.м. вместимость при внутренней длине 12,836 м., что обеспечивает погрузку труб, в том числе большого диаметра, с использованием специальных захватов [3], и грузоподъемность до 75,5 тн. Численные эксперименты, проведенные на конечно-элементной модели кузова с использованием программного комплекса ANSYSSTRUCTURAL [7], подтвердили его достаточную прочность на всех расчетных режимах [6].
Источники информации
1. В.В.Лукин, Л.А.Шадур, В.Н.Котуранов, А.А.Хохлов, П.С.Анисимов. Конструирование и расчет вагонов. М., УМК МПС России, 2000 г., стр.502.
2. Под ред. Л.А.Шадур. Вагоны. М.: Транспорт, 1980, стр.336.
3. Александров М.П. Подъемно-транспортные машины: Учеб. для машиностроит. спец. Вузов. - 6-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., 1985, - стр.87.
4. ГОСТ 10704-91. Трубы стальные электросварные прямошовные. Сортамент.
5. Технические условия размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах. - М., Юридическая фирма «Юртранс», 2003. - стр.263, 264.
6. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). ГосНИИВ - ВНИИЖТ. - М., 1996. - стр.34, 222.
7. ANSYS Mechanical User′s Guide, Rel. 14.0, ANSYS, Inc., Houston, 2010.