РАМА БОКОВАЯ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта в части конструкции рам боковых тележек грузовых вагонов.
К оптимизации конструкции литых деталей трехэлементных тележек, например, боковых рам, относится снижение их массы за счет более рационального исполнения толщин стенок и применения отверстий при обеспечении требуемой прочности, что способствует уменьшению динамического воздействия вагона на путь.
Для оптимизации конструкции стенки боковой рамы также выполняют разной толщиной в зависимости от воспринимаемой нагрузки.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является боковая рама грузового вагона, выполненная в виде стальной отливки и состоящая из верхнего и нижнего горизонтальных поясов, соединенных между собой вертикальными колонками, образующими совместно с горизонтальными поясами рессорный проем, боковых стенок, наклонных поясов, сопряженных с нижним поясом и горизонтальными опорными участками челюстных проемов, имеющих наружные и внутренние опорные упоры, см. № RU 102577 от 26.11.2010. В данной конструкции рамы боковой, боковые стенки в зоне внутреннего угла челюстного проема выполнены с полукруглым утолщением с центром в вершине угла и толщиной, равной толщине горизонтальной опорной полки челюстного проема, в кольцевой зоне толщина стенки выполнена постепенно убывающей.
Недостатком данного технического решения является не в полной мере достигнутая оптимизация толщины верхней полки верхнего горизонтального пояса рамы боковой по прочности, приводящая к избыточной массе детали.
Технический результат полезной модели заключается в снижении массы рамы боковой при сохранении заданной прочности и жесткости, что в свою очередь способствует уменьшению динамического воздействия грузового вагона на путь.
Заявленный технический результат полезной модели достигается конструкцией рамы боковой, выполненной в виде стальной отливки, состоящей из верхнего и нижнего горизонтальных поясов, соединенных между собой вертикальными колонками, образующими совместно с горизонтальными поясами рессорный проем, наклонных поясов, горизонтальных надбуксовых участков, наружных и внутренних челюстных направляющих, образующих буксовые проемы, содержащие наружную и внутреннюю вертикальные стенки, при этом верхний горизонтальный пояс представляет собой коробчатую конструкцию, состоящую из вертикальных стенок, верхней и нижней полок.
Заявляемая полезная модель отличается от прототипа тем, что на внутренней стороне верхней полки толщиной H верхнего горизонтального пояса в зоне каждого буксового проема имеется переход до толщины h, выполненный по контуру, образованному линиями, расходящимися от продольной оси симметрии верхнего горизонтального пояса к вертикальным стенкам верхнего горизонтального пояса в сторону буксового проема на участке длиной N, с началом на расстоянии M от внутренней вертикальной стенки буксового проема. Минимальная толщина h верхней полки верхнего горизонтального пояса составляет 8 мм; соотношение толщин h и H верхней полки верхнего горизонтального пояса выдержано в диапазоне 0,3 ≤ h/H ≤ 0,7; линии контура перехода толщин верхней полки верхнего горизонтального пояса расходятся на участке длиной N в диапазоне от 200 до 400 мм; расстояние M начала контура перехода толщин верхней полки верхнего горизонтального пояса выдержано в диапазоне от 200 до 400 мм; изменение толщины верхней полки верхнего горизонтального пояса выполнено в виде плавных переходов радиусами R1 и R2 в диапазоне от 10 до 40 мм.
Снижение массы отливки рамы боковой реализуется за счет изготовления верхней полки верхнего горизонтального пояса рамы боковой с переходом толщины по контуру с установленными размерными параметрами при сохранении заданной прочности и жесткости детали.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлен общий вид рамы боковой;
на фиг. 2 представлен выносной элемент А рамы боковой на фиг. 1, на котором показано предлагаемое исполнение верхней полки верхнего горизонтального пояса рамы боковой;
на фиг. 3 представлен разрез Б-Б на фиг. 2;
на фиг. 4 представлено сечение В-В на фиг. 2;
на фиг. 5 представлен выносной элемент Г на фиг. 2 с наружной стороны рамы боковой в виде конечно-элементной детали при анализе конструкции методом топологической оптимизации;
на фиг. 6 представлен местный вид Г на фиг. 2 с внутренней стороны рамы боковой в виде конечно-элементной детали при анализе конструкции методом топологической оптимизации.
Рама боковая тележки грузового вагона (фиг. 1) выполнена в виде стальной отливки, состоящей из верхнего 1 и нижнего 2 горизонтальных поясов, соединенных между собой вертикальными колонками 3, образующими совместно с горизонтальными поясами 1 и 2 рессорный проем 4, горизонтальные надбуксовые участки 5, имеющие наружные 6 и внутренние 7 челюстные направляющие, образующие буксовый проем 8, наклонных поясов 9, сопряженных с верхним 1 и нижним 2 поясами. Буксовый проем содержит внутреннюю 10 и наружную 11 вертикальные стенки. Верхний горизонтальный пояс 1 представляет собой коробчатую конструкцию, состоящую из верхней 12 и нижней 13 полок, двух вертикальных стенок 14.
Верхняя полка 12 верхнего горизонтального пояса 1, имеющая толщину H, в зоне каждого буксового проема 8 выполнена с переходом до толщины h. Указанный переход выполнен по контуру 16, образованному линиями, расходящимися от продольной оси симметрии 15 верхнего горизонтального пояса 1 к вертикальным стенкам 14 верхнего горизонтального пояса 1 в сторону буксового проема 8 на участке длиной N. Начало указанного перехода толщин расположено на расстоянии M от внутренней вертикальной стенки 10 буксового проема 8. Начало указанного перехода толщин расположено также на расстоянии L относительно центральной оси 17 буксового проема 8 (фиг. 2, 3).
Изменение толщин h и H верхней полки 12 верхнего горизонтального пояса 1 выполнено в виде плавных участков 18 радиусами R1 и R2.
Значения расстояния M определены в результате топологической оптимизации 3D-модели рамы боковой и находятся в диапазоне от 200 до 400 мм. При размере M более 400 мм происходит недопустимое снижение прочности и жесткости боковой рамы, при размере менее 200 мм масса боковой рамы избыточна для ее прочности.
Длина N участка, на котором осуществлен переход толщины верхней полки, находится в диапазоне от 200 до 400 мм. Данный диапазон обеспечивает необходимую плавность перехода толщин верхней полки верхнего горизонтального пояса рамы боковой для достижения необходимой прочности детали.
Минимальная толщина h верхней полки 12 определяется условиями обеспечения проливаемости при изготовлении отливки рамы боковой и составляет 8 мм. При толщине менее 8 мм боковая рама не обладает необходимой прочностью.
Соотношение толщин h и H верхней полки 12 выдержано в диапазоне 0,3 ≤ h/H ≤ 0,7. Данное соотношение толщин верхней полки 12 обеспечивает снижение массы при сохранении прочности рамы боковой.
Радиусы R1 и R2 плавных участков перехода толщины верхней полки 12 лежат в диапазоне от 10 до 40 мм. Минимальное значение радиусов R1 и R2 выбрано для снижения вероятности образования концентраторов напряжений. Значение радиусов R1 и R2 свыше 40 мм приведет к нерациональному увеличению массы рамы боковой.
Метод топологической оптимизации позволил выделить на 3D-модели рамы боковой объем металла внутри детали, который служит для передачи заданных нагрузок, и исключить из конструкции лишний объем металла при сохранении заданной прочности и жесткости. На фиг. 5, 6 видно, что объем металла верхней полки 12, ограниченный контуром 16, исключен путем уменьшения толщины верхней полки 12, так как он не участвует в передаче заданных нагрузок.
Применение предлагаемой полезной модели позволит изготовить рациональную конструкцию рамы боковой со сниженной массой при сохранении заданной прочности и жесткости детали, которая обеспечивает снижение динамического воздействия вагона на путь.
Предлагаемую полезную модель используют следующим образом.
Рама боковая трехэлементной тележки грузового вагона служит для передачи нагрузок от кузова вагона на колесные пары. Нагрузка от кузова вагона через пятник передается на подпятник надрессорной балки тележки и далее через пружинный комплект на опорные площадки пружинных комплектов рам боковых. Верхняя полка с внутренней стороны верхнего горизонтального пояса рамы боковой выполнена с переходом толщины по контуру, геометрия которого обеспечивает снижение массы рамы боковой при сохранении заданной прочности и жесткости детали, а также уменьшение динамического воздействия вагона на путь.
Таким образом, предлагаемая конструкция рамы боковой тележки грузового вагона обеспечивает заявленный технический результат - снижение массы рамы боковой при сохранении заданной прочности и жесткости, что в свою очередь способствует уменьшению динамического воздействия вагона на путь.