НАДРЕССОРНАЯ БАЛКА ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции надрессорных балок тележек грузовых вагонов.
7
После 2008 г. во ВНИИЖТ испытывался ряд надрессорных балок нового поколения с осевыми нагрузками 25 т.с., имеющих повышенные прочность и сопротивление усталости. Испытания надрессорных балок нового поколения при амплитудных нагрузках, не превышающих максимального значения, показали, что их циклическая прочность до разрушения достигает 10 циклов (Пояснительная записка к изменению №1 «Надрессорные балки и боковые рамы литые тележек грузовых вагонов колеи 150 мм. Методики испытания на усталость», 2010 г.). Это свидетельствует о чрезмерно высоком коэффициенте запаса сопротивлению усталости балок нового поколения при осевой нагрузке 25 т.с. Вместе с тем масса надрессорных балок возросла с 500-550 кг (для тележек с осевой нагрузкой 23,5 т.с.) до 650-700 кг (для тележек с осевой нагрузкой 25 т.с.). Таким образом, на данный момент задача повышения усталостной прочности надрессорных балок не является актуальной. А является актуальной задача снижения металлоемкости надрессорных балок при сохранении показателей сопротивления усталости, регламентируемых нормативными документами (на территории Российской Федерации действует ГОСТ 32400-2013).
Известна надрессорная балка тележки грузового вагона (патент RU 104523, B61F 5/52, опубл. 27.10.2010), содержащая верхний пояс с подпятником с плоской опорной поверхностью и упорным кольцевым буртом, с технологическими отверстиями и плоскими опорными площадками скользунов с крепежными отверстиями, нижний пояс, включающий опорную поверхность на пружины, переходящую в наклонный пояс, вертикальные боковые стенки, карманы для установки фрикционных клиньев в концевых частях. В зоне опорной поверхности на пружины по центру балки выполнено ребро, соединяющее верхний и нижний пояса, переходящее под опорной площадкой скользуна в два вертикальных ребра, проходящие по всей длине балки до ее центра, под буртом подпятника внутренние ребра соединены поперечной перемычкой. В вертикальных ребрах выполнены технологические отверстия. Под опорными площадками скользунов в боковых стенках выполнены отверстия овальной формы, имеющие усиленные внутрь балки стенки. Полезная модель направлена на улучшение показателей ходовых качеств тележки.
Такая конструкция надрессорной балки имеет следующие недостатки.
Два вертикальных внутренних ребра увеличивают массу надрессорной балки и снижают технологичность ее изготовления. Технологические отверстия во внутренних вертикальных ребрах создают концентраторы напряжений. Отверстия, выполненные под опорными площадками скользунов в боковых стенках, также являются концентраторами напряжений и снижают долговечность надрессорной балки.
Известна надрессорная балка тележки грузового вагона (RU 144454, B61F 5/00, опубл. 25.03.2014), содержащая верхний пояс с внутренним вертикальным ребром, подпятником с плоской опорной плитой и упорным кольцевым буртом, нижний пояс, вертикальные боковые стенки и расположенную между верхним и нижним поясами опорную колонку подпятника. Внутреннее вертикальное ребро соединяет верхний и нижний пояса по всей длине балки с увеличением по толщине к центру, на внутренней поверхности перехода опорных плит в нижний пояс выполнены симметрично расположенные ребра жесткости длиной 300-350 мм. Во внутреннем вертикальном ребре выполнены восемь технологических отверстий, по четыре отверстия с каждой стороны относительно оси опорной колонки подпятника, при этом расстояние от оси опорной колонки подпятника до ближайшей стороны прямоугольника составляет 240-250 мм.
Недостатками данной конструкции являются: повышенная металлоемкость из-за наличия сплошного центрального ребра, концентрация напряжений по радиусам отверстий в центральном ребре и недостаточная длина симметрично расположенных ребер жесткости. Длина ребер 300-350 мм не позволяет полностью охватить переход опорных плит в нижний пояс и, следовательно, разгрузить данный переход от повышенных напряжений.
Ближайшим аналогом полезной модели (прототипом) является надрессорная балка грузового вагона повышенной грузоподъемности (RU 117129, B61F 5/16, опубл. 20.06.2012), представляющая собой конструкцию коробчатого типа, в вертикальной плоскости близкую по форме к брусу равного сопротивления изгибу, противоположные концы которой снизу оборудованы устройствами для фиксации пружин центрального рессорного подвешивания, на которые надрессорная балка опирается, а в боковых стенах имеются углубления - карманы для размещения клиньев фрикционных гасителей колебаний. По обеим сторонам карманов расположены упоры в форме вертикально расположенных призм, ограничивающие поперечное перемещение надрессорной балки относительно вертикальных колонн боковых рам тележки. На верхнем поясе по его центру расположен подпятник с плоской опорной поверхностью и упорным кольцевым буртом и смещенные друг от друга в боковом направлении плоские опорные площадки под скользуны, сопряженные с верхним поясом балки сегментами поверхностей переменного радиуса. На верхнем поясе балки с каждой стороны между подпятником и площадками под скользуны образованы симметрично расположенные относительно продольной и поперечной осей балки технологические ромбовидной формы со скругленными углами отверстия, усиленные буртами. По всей длине балки вдоль ее продольной оси симметрии выполнено вертикальное ребро, соединяющее верхний и нижний пояс балки, в том числе в зоне подпятника. В ребре выполнены технологические окна. Подпятник с внутренней стороны балки опирается на боковые стены и ребро. Прочность плоской опорной поверхности подпятника обеспечивается системой ребер ограниченной высоты, расположенных параллельно продольной оси балки посередине между боковыми стенами и вертикальным ребром, а также ребрами ограниченной высоты, расположенными под углом к продольной оси балки. Верхний пояс балки в зонах перехода от площадок под скользуны к концевым частям с внутренней стороны подкреплен ребрами ограниченной высоты, расположенными симметрично относительно продольной оси балки на расстоянии от нее. Полезная модель направлена на достижение такого технического результата, как повышение прочностных и усталостных характеристик надрессорной балки тележки грузового вагона повышенной грузоподъемности.
Данное техническое решение обладает следующими недостатками:
1. Ребра, расположенные в верхнем поясе балки в зонах перехода от площадок под скользуны к концевым частям с внутренней стороны, симметрично относительно продольной оси балки, не улучшают усталостных характеристик надрессорной балки. По условиям работы надрессорная балка тележки грузового вагона испытывает односторонний изгиб. При таком типе нагружения усталостные трещины образуются на участках, испытывающих растяжения. Верхний пояс находится в зоне сжатия, и, таким образом, дополнительное укрепление верхнего пояса надрессорной балки является излишним. Усталостные испытания надрессорных балок также показывают, что усталостные трещины образуются в нижнем поясе, находящемся в зоне растяжения.
2. Повышенная металлоемкость надрессорной балки. Сплошное центральное ребро, соединяющее верхний и нижний пояс, значительно увеличивает массу изделия.
Техническим результатом является снижение металлоемкости надрессорной балки при сохранении показателей сопротивления усталости, регламентируемых нормативными документами.
Технический результат достигается тем, что надрессорная балка тележки грузового вагона содержит верхний пояс с площадками под скользуны, технологические отверстия и подпятник с плоской опорной поверхностью и упорным кольцевым буртом. Нижний пояс включает в себя вертикальное ребро, опорные площадки под пружины рессорного комплекта, переходный и прямой участки. Верхний и нижний пояс соединены вертикальными боковыми стенками с технологическими отверстиями и карманами для установки фрикционных клиньев. При этом переход вертикального ребра в верхний пояс выполнен по двум радиусам R1 и R2, таким образом, что R1>R2, а ребра жесткости, выполненные симметрично относительно вертикального ребра, охватывают переходный участок нижнего пояса и выходят на внутреннюю поверхность опорной площадки под пружины рессорного комплекта.
Сущность технического решения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Общий вид надрессорной балки тележки грузового вагона;
Фиг. 2 - Вид сверху надрессорной балки тележки грузового вагона;
Фиг. 3 - Продольный разрез надрессорной балки тележки грузового вагона;
Фиг. 4 - Поперечный разрез надрессорной балки тележки грузового вагона,
где приведены следующие обозначения:
1 - верхний пояс
2 - площадка под скользуны
3 - технологические отверстия
4 - подпятник
5 - опорная поверхность
6 - кольцевой упорный бурт
7 - нижний пояс
8 - вертикальное ребро
9 - опорная площадка пружин рессорного комплекта
10 - ребро жесткости
11 - боковые стенки
12 - технологическое отверстие
13 - карман
14 - колонка подпятника
15 - переходный участок нижнего пояса
16 - прямой участок нижнего пояса
17 - скругленный выступ
18 - упоры
19 - отверстие в вертикальном ребре.
Надрессорная балка содержит верхний пояс 1, включающий в себя плоские опорные площадки под скользуны 2, технологические отверстия 3 и подпятник 4 с плоской опорной поверхностью 5 и кольцевым упорным буртом 6, нижний пояс 7, содержащий вертикальное ребро 8, опорные площадки 9 под пружины рессорного комплекта и ребра жесткости 10, расположенные симметрично относительно вертикального ребра 8, боковые вертикальные стенки 11 с технологическими отверстиями 12, карманы 13 для установки фрикционных клиньев, и, расположенную между верхним поясом 1 и нижним поясом 7 колонку подпятника 14. Ребра жесткости 10 начинаются с внутренней стороны опорных площадок 9, охватывают переходный участок 15 и заканчиваются на прямом участке 16 нижнего пояса 7. Технологические отверстия 3 и 12 имеют усиления в виде скругленных выступов 17. По обеим сторонам карманов 13 расположены упоры 18 в форме вертикально расположенных призм, ограничивающие поперечное перемещение надрессорной балки относительно вертикальных колонн боковых рам тележки. В районе карманов 13 в вертикальном ребре 8 выполнены отверстия 19.
Надрессорная балка тележки грузового вагона работает следующим образом.
Нагрузка от веса вагона передается на опорную поверхность 5 подпятника 4, а затем через опорную площадку 9 на пружины рессорного комплекта.
В результате испытаний на усталостную прочность стало понятно, что наиболее опасными зонами, где происходит большинство изломов, являются переходные участки 15. Анализы изломов показали, что усталостные трещины зарождаются на радиусе R2 перехода вертикального ребра 8 в верхний пояс 1, а также в зоне между отверстием 19 и радиусом R2. Расчет напряжений, выполненный методом конечных элементов, показал, что радиусы R1, R2 и R3 являются концентраторами напряжений, причем наибольшие напряжения в радиусе R3 смещены к нижнему поясу 7. Кроме того, высокие напряжения от радиусов R3 и R1 распространяются по вертикальному ребру 8, создавая зону с повышенными напряжениями между отверстием 19 и радиусом R1. Известно, что одним из способов снижения напряжений на радиусе является его (радиуса) увеличение. В результате расчетов были определены такие размеры R1, R2 и высоты h вертикального ребра 8, чтобы напряжения на радиусе R1 были минимальными. Соотношение переходных радиусов R1>R2 переносит наибольшие напряжения на радиус R2, который находится в зоне сжатия. Величина радиуса R1 ограничена минимально допустимой высотой h вертикального ребра 8, величина радиуса R3 также ограничена конструкцией надрессорной балки, поэтому на нижнем поясе 7 были введены ребра жесткости 10, которые разгружают от напряжений участок вертикального ребра 8 между отверстием 19 и радиусом R1. Благодаря тому, что ребра жесткости 10 начинаются на опорной площадке 9, охватывают переходный участок 15 и заканчиваются на прямом участке 16 нижнего пояса 7, в местах заделки ребер жесткости не происходит ослабления конструкции, а следовательно, не возникает скачков напряжений. Данные конструктивные решения позволили уменьшить толщины стенок и ребер надрессрной балки и, благодаря этому, снизить массу надрессорной балки до 600-620 кг.
Изготовление и последующие испытания показали, что, благодаря усовершенствованной конструкции надрессорной балки тележки грузового вагона, достигается заявленный технический результат: снижение металлоемкости надрессорной балки, при сохранении показателей сопротивления усталости, регламентируемых нормативными документами.