Пружина сжатия для боковой опоры тележки грузового вагона

Заявляемая полезная модель относится к железнодорожному транспорту, касается конструктивных элементов боковых опор тележек грузового вагона, в частности, упругих элементов для боковых опор тележки грузового вагона.
1
Известна конструкция упругого элемента боковой опоры грузовой тележки [патент РФ на полезную модель № 198369, опубликован 02.07.2020г.]. Упругий элемент выполнен в виде втулки с центральным базирующим отверстием. Для увеличения площади верхнего опорного торца верхний конец упругой втулки выполнен ввиде опорного фланца с увеличенным наружным диаметром D, который превышает наружный диаметр d средней части упругой втулки на 10-40%. Своим нижним концом упругая втулка установлена на опорное основание, выполненное с направляющим пальцем для базирования упругой втулки, наружный диаметр опорного основания D равен или превышает диаметр D опорного фланца упругой втулки.
Недостатками вышеописанной конструкции является сложная конфигурация упругого элемента, состоящего из нескольких компонентов различной формы, что увеличивает трудозатраты на изготовления упругих элементов. Также недостатком являются большие габариты коробчатого корпуса боковой опоры, использование двух комплектов упругих элементов, крепление коробчатого основания к надрессорной балке выполнено внутри коробчатого корпуса, что исключает возможность быстрого демонтажа боковой опоры без снятия опорного колпака и удаления упругих элементов.
Кроме того, известна конструкция опорного скользуна тележки железнодорожного вагона [патент РФ на полезную модель № 180826, опубликован 26.06.2018г.]. Скользун тележки грузового вагона содержит корпус с направляющим отверстием, опирающийся на пластину, в корпусе установлен опорный стакан с верхней торцевой стенкой, подпружиненный наружной и внутренней пружинами, размещёнными между верхней торцевой стенкой опорного стакана и пластиной. Наружная и внутренняя пружины выполнены равной высоты, находящейся в диапазоне от 130 до 140 мм. Наружная пружина выполнена с правой навивкой и может иметь число рабочих витков, равное от 3,3 до 3,8, при этом индекс пружины может быть равен от 4,9 до 5,1, а жёсткость пружины может находиться в диапазоне от 416,79 до 483,86 кН/м. Внутренняя пружина выполнена с левой навивкой, имеет число рабочих витков от 5,2 до 6,5, индекс пружины может быть равен от 4,2 до 4,8, а жёсткость пружины может находиться в диапазоне от 191,95 до 234,03 кН/м.
Данная конструкция выбрана в качестве прототипа для заявляемой полезной модели.
Недостатком вышеописанной конструкции является то, что в соответствии с требованиями ГОСТ 9246-2013 «Тележки двухосные грузовых трехэлементные грузовых вагонов железных дорог колеи 1520 мм. Общие технические условия» высота скользуна постоянного контакта, должна быть не более 130 мм, а высота пружины скользуна в свободном состоянии может быть на 10 мм больше установочной высоты, следовательно в пружины первоначально заложены повышенные напряжения, что уменьшает ресурс эксплуатации пружин и скользуна в целом, а также уменьшает эксплуатационную надежность боковой опоры грузовой тележки.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании наружной, устанавливаемой в двухрядную пружину боковой опоры тележки грузового вагона, пружины с геометрическими характеристиками, которые позволят создать в комплекте с соответствующей внутренней пружиной двухрядную пружину тележки грузового вагона, обеспечивающую эксплуатационную надежность и увеличение прочностных качеств боковой опоры тележки в сочетании с оптимальной металлоемкостью пружин, входящих в двухрядную пружину, а также обеспечивающую выполнение требований ГОСТ 9246-2013 и ГОСТ 34387-2018.
Поставленная задача решается за счет того, что конструкция наружной пружины имеет средний диаметр, который составляет интервал от 106 до 112 мм, её индекс составляет интервал от 4,739 до 5,190, угол подъема оси винтового бруса составляет интервал от 5,577 до 6,309 градусов, длина оси рабочей части винтового бруса составляет интервал от 964,7 до 1101,0 мм.
Сущность предлагаемой конструкции заключается в том, что наружная пружина сжатия для боковой опоры тележки грузового вагона цилиндрическая, винтовая, представляющая собой брус, ось которого расположена на поверхности образующего цилиндра по винтовой линии, с рабочими и опорными витками, при этом средний диаметр пружины составляет интервал от 106 до 112 мм, её индекс составляет интервал от 4,739 до 5,190, угол подъема оси винтового бруса составляет интервал от 5,577 до 6,309 градусов, длина оси рабочей части винтового бруса составляет интервал от 964,7 до 1101,0 мм.
Кроме того, наружная пружина, выполнена из стали с пределом текучести не менее 1470 МПа.
Технический результат от заявляемой полезной модели заключается в повышении эксплуатационной надежности двухрядной пружины боковой опоры тележки грузового вагона, которая состоит из наружной и внутренней пружин, в сочетании с оптимальной металлоемкостью наружной и внутренней пружин и обеспечении выполнения требований ГОСТ 9246-2013 и ГОСТ 34387-2018, что позволяет выполнить заданное перемещение кузова железнодорожного вагона относительно тележек вагона в повороте или на прямых участках магистральных путей в сочетании с повышением уровня ремонтопригодности, с уменьшением себестоимости и трудоёмкости изготовления и ремонта в эксплуатации боковой опоры тележки грузового вагона.
Боковая опора тележки грузового вагона с установленной двухрядной пружиной, в которой совместно с внутренней пружиной применена наружная пружина со средним диаметром, имеющим интервал от 106 до 112 мм, с индексом, составляющим интервал от 4,739 до 5,190, с углом подъема оси винтового бруса, составляющим интервал от 5,577 до 6,309 градусов, с длиной оси рабочей части винтового бруса, составляющим интервал от 964,7 до 1101,0 мм, обеспечивает запас от уровня напряжений, возникающих в пружинах боковой опоры тележки от эксплуатационных нагрузок, до уровня допускаемых напряжений для сталей, из которых изготовлены пружины, не менее чем на 12,9% и не более, чем 40,3%. Как следствие, при увеличении запаса по напряжениям в пружинах до допускаемых значений снижается вероятность излома их прутков и выхода из строя боковой опоры тележки в эксплуатации, что и является фактом повышения эксплуатационной надежности.
Выполнение наружной пружины из стали с пределом текучести не менее 1470 МПа обеспечивает максимальный эффект сочетания прочности и металлоемкости, то есть пружина имеет минимальные значения по массе и при этом обладает достаточной прочностью и долговечностью для обеспечения функциональности.
В подтверждение данного утверждения, в таблице 1 из множества вариантов приведены несколько возможных вариантов исполнения наружных пружин, которые совместно с внутренними пружинами образуют двухрядные пружины, используемые в боковой опоре тележки грузового вагона.
В настоящее время на заявляемую полезную модель разработана конструкторская документация и проведены всесторонние испытания опытных образцов, начат выпуск установочной партии вагонов с установленными двухрядными пружинами, в которых установлены заявляемые наружные пружины.
Таблица 1 –Выборочные варианты возможных исполнений пружин наружных для боковой опоры тележки грузового вагона
Вариант
Средний диаметр витка D, мм
Угол подъема оси, α
Длина оси рабочей части бруса, мм
Индекс пружины
Напряжения в пружине по I режиму/ III режиму, МПа (для замыкания ограничителя на тележках типа 3 по ГОСТ 9246-2013)
Предел текучести материала пружины, МПа
Допускаемые напряжения в пружине, МПа
1
109
6,036
998,6
4,739
781,7/664,3
1470
1000/800
2
109
5,946
1032,9
5,190
783,3/573,1
1000/800
3
112
5,734
1060,9
5,091
704,7/571,3
1000/800
4
106
6,057
1004,6
4,818
797,7/646,7
1000/800
5
109
5,577
1101,0
5,190
659,1/537,3
1000/800
6
109
6,309
964,7
4,955
897,9/650,7
1000/800
7
109
5,891
1032,8
4,955
749,0/607,3
1000/800
8
109
5,996
1033,0
4,955
787,5/645,8
1000/800
9
109
5,670
1032,4
4,955
668,0/526,3
1000/800