НАДРЕССОРНАЯ БАЛКА ТЕЛЕЖКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к железнодорожному подвижному составу и касается конструкции надрессорных балок тележек грузовых вагонов.
N
Большинство серийно изготавливаемых сейчас тележек (модели 18-100, 18-131, 18-578, 18-579, (Россия) и 18-7020, 18-755, 18-781, (Украина), типа Y (ЕС) и др.) для грузовых вагонов оснащаются надрессорными балками литой конструкции.
Надрессорной балкой называется несущий элемент тележки, выполненный в виде пустотелой балки, опирающийся на рессорные комплекты, и снабженный подпятником и скользунами для обеспечения перераспределения нагрузок на рессорные комплекты. Балка представляет собой сложную пустотелую с отверстиями конструкцию, в которой кроме указанных элементов можно выделить еще опорные поверхности для рессорных комплектов; упоры, ограничивающие горизонтальные смещения балки относительно рессорных комплектов, и технологические отверстия.
Так как конструирование и последующие испытания таких деталей требуют затрат предварительно выполняют соответствующие расчетные действия. Современные расчетные методы (например, метод конечных элементов) достаточно точно позволяют определить напряженно-деформированное состояние конструкции и создать балку, имеющую повышенную усталостную прочность. Несмотря на многочисленные конструкции балок в эксплуатации наблюдаются их изломы из-за недостатков конструкции и технологии изготовления.
Так известна надрессорная балка тележки грузового вагона, содержащая верхний пояс с усиленными технологическими отверстиями, причем верхний пояс включает в себя подпятник с плоской опорной плитой и упорным кольцевым буртом, нижний пояс с двумя внутренними продольными ребрами, вертикальные боковые стенки и расположенную между верхним и нижним поясами опорную колонку подпятника (А.с. №1220990, B61F 5/52, от 30.03.1986 г.). Высота указанных продольных ребер взята в определенном соотношении с толщиной нижнего пояса. При дальнейшем усовершенствовании этой конструкции в патенте №1463593 отверстия боковых стенок были разнесены с отверстиями верхнего пояса.
Недостатками описанной выше балки являются высокая повреждаемость в зоне технологических отверстий, расположенных в верхнем поясе. Кроме того, часто при изготовлении образуются трещины, усадочные раковины и термические остаточные напряжения в области подпятника.
Кроме того, известна надрессорная балка (пат. RU №2058907, В61F 5/50, от 09.06.1992) тележки грузового вагона, содержащая верхний и нижний пояса, подпятниковый узел и опорную колонку. Опорная колонка в верхней части на расстоянии от основания подпятника не более 2/3 от ее высоты разбита с помощью жесткой перегородки на две части, соединенные С-образными перемычками. В нижней части опорная колонка связана с внутренним продольным ребром, замыкающимся на технологических отверстиях нижнего пояса. В другом варианте в нижнем поясе отверстия отсутствуют, а имеется только одно продольное ребро, которое замыкается с верхним поясом в области технологического отверстия.
Конструкция опорной колонки данной надрессорной балки позволяет снизить нагрузки, возникающие от качаний кузова. Жесткая технологическая перегородка выполнена исходя из условия технологического спая. Это частично снижает остаточные напряжения в части колонки, а часто возникающие дефекты (трещины и полости в месте соединения колонки с подпятником и на внутренней поверхности подпятника) не исключает. Кроме того, наличие одного ребра в зоне перехода к поверхности рессорного комплекта не способствует более полной разгрузке этой зоны.
Известна конструкция надрессорной балки, содержащая верхний и нижний пояса, подпятниковый узел и опорную колонку (US 7681506, B61F 5/52, B61F 5/00, B61F 13/00, от 16.06.2006). Боковые стенки опорной колонки опираются вблизи зоны перехода наклонной части нижнего пояса в его горизонтальный участок под некоторым углом. Подпятник при этом по верхнему поясу охвачен усиливающим поясом. Такая конструкция выполнена из-за наличия двух больших отверстий на боковых стенках в области подпятника. В случае их отсутствия необходимости в таком усилении, по-видимому, нет, так как напряжения в этой области распределены неоднородно.
Известна конструкция надрессорной балки модели тележки типа 18-100 [И.Ф.Пастухов и др. Вагоны. - М.: Транспорт, 1988, с.76-79, «Конструирование и расчет вагонов» под ред. В.В.Лукина, изд. УМК МПС России, 2004 г, с.424], отлитая в виде бруса равного сопротивлению изгибу, т.е. верхний и нижний пояса находятся под наклоном и поперечное замкнутое коробчатое сечение балки сужается к концам балки. Надрессорная балка включает в себя верхний пояс с подпятником и технологическими отверстиями, боковые стенки с выполненными карманами под фрикционные клинья и нижний пояс, соединенный опорной колонкой с подпятником верхнего пояса и опорами для скользунов. При этом в одном из вариантов конструкции в области подпятника имеются ребра, которые скорее всего связаны с технологией изготовления, а не с уменьшением напряжений из-за несимметричности расположения. Данная конструкция выбрана в качестве прототипа.
Недостатками известной конструкции являются высокая повреждаемость надрессорной балки в районе технологического отверстия, расположенного в верхнем поясе.
Ввиду присутствия указанных недочетов в конструкциях балки остается необходимость в ее соответствующем модифицировании внесением оправданных изменении для повышения эксплуатационной надежности. Поэтому описанная конструкция была использована для разработки надрессорной балки, имеющей необходимый уровень надежности, прежде всего за счет достижения высокого сопротивления усталости. Эти характеристики достигались за счет снижения числа мест концентрации напряжений, путем перераспределения высокого уровня напряжений в растянутой зоне балки. При этом, считалось допустимым изменение массы детали при заданном уровне снижения напряжений.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание конструкции надрессорной балки, обеспечивающей повышения надежности в эксплуатации путем увеличение ее прочности в районе технологических отверстий, расположенных в верхнем поясе надрессорной балки, а также в зоне подпятника и нижнего пояса при одновременном уменьшении или перераспределении здесь напряжений.
Поставленная задача решается за счет введения дополнительных укороченных ребер жесткости, а также их расположения и соединения с другими элементами балки, а именно ребер, протягивающихся от окончания скользуна за окончание технологического отверстие верхнего пояса балки до начала утолщения нижнего пояса параллельно или боковым вертикальным стенкам или имеющемуся ребру жесткости. То есть, введением дополнительные вертикальных ребер жесткости проходящих вдоль или ребра жесткости или периметра бокового профиля надрессорной балки в указанной области балки.
Кроме того, вводятся дополнительные усиления ребра в зоне наибольших напряжений у кольца подпятника вдоль боковых ребер верхнего пояса с увеличивающейся к подпятнику высотой. При этом, внутренний радиус перехода боковой стенки в нижний пояс увеличен по крайней мере вдвое, по сравнению с прототипом.
Повышение прочностных и усталостных характеристик достигается также за счет дополнительного (до 3 мм) утолщения горизонтального участка нижнего пояса.
Сущность заявляемого решения заключается в следующем: берется надрессорная балка тележки железнодорожного вагона выполненная в виде бруса замкнутого коробчатого сечения, равного сопротивлению изгиба, состоящего из нижнего пояса с внутренним продольным ребром, соединенного боковыми вертикальными стенками с верхним поясом, в средней части которого выполнен подпятник и рассчитывается эффективное распределение напряжений. Затем, выполняется введение дополнительных деталей, например: сначала параллельно существующему ребру жесткости или под углом к нему параллельно боковой стенке охватывая область технологических отверстий вводятся два дополнительных ребра жесткости, связывающие верхний и нижний пояс, толщины, длины и конфигурация которых выбираются на основе влияния указанных параметров на распределение напряжений в балке; далее введением дополнительных элементов, например, в области подпятника, по боковому ребру были выполнены наружные утолщения в форме полуовала с высотой, увеличивающейся по мере приближения к подпятнику и сопряженных с наружной поверхностью верхнего пояса или изменением эффективной площади сечения уменьшают остающиеся напряжения. При этом, соотносят уменьшение напряжений с неизбежным увеличением массы, допускаемой до выбранного предела.
Выполненные методом конечных элементов прочностные расчеты балки показали, что предлагаемые усовершенствования позволяют сконструировать балку со значительно меньшими разбросами напряжений.
Усовершенствования предлагаемые в заявляемой полезной модели поясняются чертежами:
Фиг.1 - общий вид надрессорной балки сверху с разрезами и видом усиливающих ребер в области подпятника;
Фиг.2 - балка надрессорная с установленными ребрами жесткости в разрезе.
Надрессорная балка тележки железнодорожного вагона выполнена в виде бруса замкнутого коробчатого сечения (на верхней и нижних вставках), равного сопротивлению изгиба, состоящего из верхнего пояса 1 с технологическими отверстиями 2 и подпятника 3, нижнего пояса 4, соединенных боковыми стенками 5. Во внутренней полости надрессорной балки выполнено вертикальное продольное ребро 6, проходящее по продольной оси. С двух сторон от этого ребра жесткости дополнительно выполнены еще два параллельных ему ребра жесткости 7. Они могут начинаться как от клинового проема, так и ближе к подпятнику и подходить максимально близко к области подпятника. Их длина в плане выбирается на основе предварительных расчетов напряжений на основе учета соотношения масса/напряжения. Направление показано параллельно осевому ребру, но рассматривался и вариант балки с дополнительными ребрами параллельными боковой стенке, а также промежуточные положения. То есть, дополнительные вертикальные ребра жесткости проходят вдоль или ребра жесткости или периметра бокового профиля надрессорной балки в описанной области балки.
Сечение в области скользунов показано на верхней вставке. Дополнительно сделаны усиления 8 на ребрах между верхним поясом и боковой стенкой в области подпятника. Их профиль приведен на разрезе подпятника снизу слева надрессорной балки, а справа показан их общий вид. При этом варьировались как размеры ребер, так и профиль вблизи приведенного на рисунке. Кроме того, на этом сечении показан внутренний радиус R на переходе между нижним поясом и боковой стенкой. Варьирование этого параметра до 2-4 раз от имеющегося позволило найти более низкие значения эффективных напряжений в балке под нагрузкой. Этому способствовало и сделанное дополнительное (до 3 мм) утолщение горизонтального участка нижнего пояса
Так как при стандартном изготовлении надрессорной балки нижний пояс воспринимает растягивающие усилия, то оказалось целесообразно переход в горизонтальную часть усилить вместе с самой горизонтальной частью.
На фиг.2 представлена часть надрессорной балки включающая в себя как ребра жесткости 7 так и место утолщения 9 в переходе на нижний горизонтальный участок. Там же приведена длина L, которая изменялась в процессе подбора. Радиусного усиления здесь не видно. Таким образом, повышение прочностных и усталостных характеристик надрессорной балки достигается за счет уменьшения изгибных напряжений в ней путем установки между продольными боковыми стенками по всей длине вертикальных ребер жесткости, и подкрепления ими элементов средней части балки. При этом, в дополнительных ребрах могут быть выполнены технологические отверстия, не уменьшающие прочностных параметров балки, а кроме того, длина их выбирается на основе минимизации напряжений этой области и допустимого соотношения увеличения массы к уменьшению напряжений. Введение усилений в области подпятника и радиусные оптимизации позволили существенно сгладить или в некоторых случаях уменьшить напряжения (до 15%).
В настоящее время на заявляемую конструкцию надрессорной балки разработана конструкторская документация и изготовляются литейные формы для отливки опытной партии балок.