Рама вагона-цистерны

Заявляемая полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, в частности к конструкции рамы вагона-цистерны.
(
Известна рама железнодорожного вагона-цистерны Патент России на полезную модель №170765, опубликован 05.05.2017), включающая в себя хребтовую, шкворневые, лобовые, боковые балки, при этом верхний лист каждой шкворневой балки закреплен к верхним полкам хребтовой балки посредством четырех косынок.
Также известна рама вагона-цистерны (Патент России на изобретение №2081017, опубликован 10.06.1997), содержащая хребтовую и две боковые балки, соединенные между собой концевыми, шкворневыми и промежуточными поперечными балками, раскосы, расположенные попарно между шкворневыми балками и симметрично относительно поперечной оси рамы. Раскосы каждой пары закреплены одним концом на боковых балках, другим - на хребтовой балке под углом друг к другу, при этом верхний лист каждой шкворневой балки закреплен к верхним полкам хребтовой балки посредством четырех косынок.
К недостатку описанных выше решений, следует отнести низкую эксплуатационную надежность рамы вагона-цистерны. Это объясняется тем, что крепление верхнего листа каждой шкворневой балки к верхней полке хребтовой балки осуществляется посредством четырех косынок, что является неустойчивым соединением, поскольку в процессе эксплуатации в местах их соединения образуются трещины и, в конечном итоге, происходит смещение шкворневого узла. Кроме того, косынки соединены с хребтовой балкой вдоль переходной зоны верхней полки в вертикальную стенку хребтовой балки, что чревато накоплением повышенных механических напряжений.
Известна рама железнодорожной цистерны для перевозки нефтепродуктов (Патент России на полезную модель №29273, опубликован 10.05.2003), принятая за прототип, включающая в себя хребтовую балку, концевые балки, боковые продольные балки и шкворневые балки, включающие в себя вертикальные, нижний и верхний листы, при этом хребтовая балка в консольных частях снабжена усиливающими накладками, установленными на верхней полке хребтовой балки.
К недостатку описанного выше технического решения, следует отнести низкую эксплуатационную надежность рамы вагона-цистерны, поскольку хребтовая балка снабжена только двумя усиливающими накладками, при этом упомянутые усиливающие накладки не соединены с верхними листами шкворневых балок, в результате чего шкворневой узел обладает низкой жесткостью.
Предлагаемой полезной моделью решается техническая проблема низкой эксплуатационной надежности рамы вагона-цистерны.
Технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности рамы вагона-цистерны за счет увеличения площади контакта опорных поверхностей шкворневого узла.
Технический результат достигается тем, что рама вагона-цистерны содержит хребтовую балку, шкворневые балки, в консольных частях на верхней полке хребтовой балки закреплены усиливающие накладки, причем усиливающие накладки в консольных частях соединены со шкворневыми балками, на верхней полке хребтовой балки с противоположных сторон шкворневых балок закреплены дополнительные усиливающие накладки, соединенные со шкворневыми балками, при этом каждая усиливающая накладка перекрывает верхнюю полку хребтовой балки вдоль ее оси на расстояние (L), заданное из диапазона от 100 до 500 мм.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что каждая усиливающая накладка выполнена шириной (B) со стороны шкворневой балки, заданной из диапазона от 300 до 1000 мм, и шириной (b) на противоположном конце, заданной из диапазона от 50 мм до значения ширины верхней полки хребтовой балки.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что толщина (S) каждой усиливающей накладки задана из диапазона от 4 до 24 мм.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что отличающаяся тем, что каждая усиливающая накладка выполнена переменной толщины, причем толщина (S) со стороны шкворневой балки задана из диапазона от 5,5 до 24 мм, с противоположной стороны задана из диапазона от 4 до 22 мм.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что каждая усиливающая накладка выполнена цельной.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что каждая усиливающая накладка выполнена из составных частей, располагаемых поперечно хребтовой балке, количество которых задано из диапазона от 2 до 5 штук.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что толщина (S) составных частей ступенчато уменьшается по мере удаления от шкворневой балки с разницей толщины (S) от 1 до 5 мм между составными частями.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что в каждой усиливающей накладке выполнены сквозные пазы, количество которых задано из диапазона от 1 до 6.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что ширина (R) сквозного паза задана из диапазона от 20 до 100 мм, а длина (C) задана из диапазона от 60 до 460 мм.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых показано:
Фиг.1 - вид сверху рамы вагона-цистерны, где 1 - хребтовая балка, 1.1 - верхняя полка хребтовой балки 1, 2 - концевые балки, 3 - боковые продольные балки, 4 - шкворневые балки, 5 - усиливающие накладки, 6 - дополнительные усиливающие накладки, 7 - сквозной паз; L - расстояние, на которое каждая усиливающая накладка 5 и 6 перекрывает верхнюю полку 1.1 хребтовой балки 1, В - ширина усиливающей накладки 5 и 6, измеренная у кромки верхнего листа шкворневой балки 4, b - ширина усиливающей накладки 5 и 6, измеренная на противоположном конце, С - длина сквозного паза, R - ширина сквозного паза.
Фиг.2 - шкворневой узел рамы вагона-цистерны, где 1 - хребтовая балка, 1.1 - верхняя полка хребтовой балки 1, 2 - концевая балка, 3 - боковые продольные балки, 4 - шкворневая балка, 4.1 - нижний лист шкворневой балки 4, 4.2 - верхний лист шкворневой балки 4, 5 - усиливающие накладки, 6 - дополнительные усиливающие накладки, 7 - сквозной паз; S - толщина каждой усиливающей накладки 5 и 6.
Рама вагона-цистерны содержит хребтовую балку 1, концевые балки 2, боковые продольные балки 3 и шкворневые балки 4, включающие в себя вертикальные листы (на фигурах не показаны), нижний лист 4.1 и верхний лист 4.2. В консольных частях хребтовой балки 1 на верхней полке 1.1 в местах соединения со шкворневыми балками 4 закреплены две усиливающие накладки 5. Рама вагона-цистерны дополнительно содержит две усиливающие накладки 6, закрепленные на верхней полке 1.1 хребтовой балке 1 с противоположных сторон шкворневых балок 4 в местах соединения шкворневых балок 4 с хребтовой балкой 1. Две дополнительные усиливающие накладки 6 обеспечивают повышение эксплуатационной надежности рамы вагона-цистерны за счет увеличения площади контакта опорных поверхностей шкворневого узла.
Шкворневой узел состоит из хребтовой балки 1 и шкворневой балки 4 балок, жестко соединенных между собой, и усиливающих накладок 5 и 6, прикрепленных в зоне хребтовой балки 1 к верхней полке 1.1 хребтовой балки 1 и верхнему листу 4.2 шкворневой балки 4.
Каждая усиливающая накладка 5 и 6 перекрывает верхнюю полку 1.1 хребтовой балки 1 вдоль ее оси на расстояние (L), заданное из диапазона от 100 до 500 мм. Диапазон перекрытия верхней полки 1.1 хребтовой балки 1 каждой усиливающей накладкой 5 и 6 является оптимальным с точки зрения эксплуатационной надежности рамы вагона-цистерны. Перекрытие верхней полки 1.1 хребтовой балки 1 вдоль ее оси на расстояние (L) менее 100 мм не позволяет повысить эксплуатационную надежность рамы вагона-цистерны, поскольку при таком расположении не обеспечивается высокая жесткость шкворневого узла. Перекрытие верхней полки 1.1 хребтовой балки 1 вдоль ее оси на расстояние (L) более 500 мм влечет за собой избыточное увеличение массы рамы вагона-цистерны без пропорционального увеличения жесткости конструкции. При длине перекрытия верхней полки 1.1 хребтовой балки 1 каждой усиливающей накладкой 5 и 6 менее 100 мм, равно, как и более 500 мм, напряжения превышают допустимые. В связи с тем, что хребтовая балка 1 является неотъемлемой и наиболее важной частью рамы, недостаточная ее прочность при длинах усиливающих накладок менее 100 мм и более 500 мм влечет за собой недостаточную прочность рамы в целом, и, соответственно, снижается ее эксплуатационная надежность. При перекрытии верхней полки 1.1 хребтовой балки 1 каждой усиливающей накладки 5 и 6 менее 100 мм не обеспечивается достаточная жесткость хребтовой балки 1 вблизи шкворневой балки 4, что приводит к изгибным напряжениям, превышающим допускаемые напряжения.
Каждая усиливающая накладка 5 и 6 может быть выполнена цельной, состоящей из одной части, или из составных частей, располагаемых поперечно хребтовой балке 1, количество которых задано из диапазона от 2 до 5 штук. Толщина (S) каждой усиливающей накладки 5 и 6 задана из диапазона от 4 до 24 мм, при этом в предпочтительном варианте выполнения каждая усиливающая накладка 5 и 6 выполнена переменной толщины (S), причем со стороны шкворневой балки 4 толщина (S) задана из диапазона от 5,5 до 24 мм, а с противоположной стороны каждой усиливающей накладки 5 и 6 толщина (S) задана из диапазона от 4 до 22 мм. В варианте выполнения каждой усиливающей накладки 5 и 6 из составных частей толщина (S) упомянутых частей ступенчато уменьшена по мере удаления от шкворневого узла с разницей между частями от 1 до 5 мм. При разнице толщины (S) более 5 мм – будет затруднена сварка частей между собой и, кроме того, могут возникнуть резкие перепады зон напряженности металла, что может привести к трещинообразованию. Применение усиливающих накладок 5 и 6 переменной толщины (S) обусловлено тем, что при удалении от шкворневого узла напряжения в теле хребтовой балки 1 снижаются и тем самым становится возможным использование на определенных участках усиливающих накладок 5 и 6 меньшей толщины (S). Поэтому с целью уменьшения металлоемкости конструкции один из вариантов выполнения полезной модели является использование усиливающих накладок 5 и 6 переменной толщины (S). При толщине (S) каждой усиливающей накладки 5 и 6 более 24 мм свариваемость на хребтовой балке 1 технологически невозможна, а при толщине (S) каждой усиливающей накладки 5 и 6 менее 4 мм на данном участке не обеспечивается достаточная жесткость шкворневого узла. В данном случае при выполнении каждой усиливающей накладки 5 и 6 переменной толщины (S) также не исключается вариант выполнения каждой усиливающей накладки 5 и 6 из составных частей одинаковой толщины (S), а также из цельного листа единой толщины.
Ширина (B) каждой усиливающей накладки 5 и 6 со стороны шкворневой балки 4, измеренная у кромки верхнего шкворневого листа 4.2, задана из диапазона от 300 до 1000 мм, а на противоположном конце ширина (b) каждой усиливающей накладки 5 и 6 задана из диапазона от 50 мм до значения ширины верхней полки 1.1 хребтовой балки 1. Ширина (B) каждой усиливающей накладки 5 и 6, выбранная менее 300 мм, не перекрывает ширину хребтовой балки 1, соответственно при таком расположении каждой усиливающей накладки 5 и 6 не обеспечивается высокая жесткость шкворневого узла. Ширина (B) каждой усиливающей накладки 5 и 6, выбранная более 1000 мм, влечет за собой избыточное увеличение массы рамы вагона-цистерны без пропорционального увеличения жесткости конструкции. Также ширина (b) каждой усиливающей накладки 5 и 6, заданная менее 50 мм, не обеспечивает необходимое повышение жесткости шкворневого узла. Ширина (b) каждой усиливающей накладки 5 и 6, выбранная более значения ширины верхней полки 1.1 хребтовой балки 1, не обеспечивает надежное крепление каждой усиливающей накладки 5 и 6 к верхней полке 1.1 хребтовой балки 1.
Каждая усиливающая накладка 5 и 6 закреплена посредством сварки, причем крепление каждой усиливающей накладки 5 и 6 в шкворневом узле осуществлено двумя стыковыми швами к верхнему листу 4.2 шкворневой балки 4, а противоположные концы каждой усиливающей накладки 5 и 6 приварены к верхней полке 1.1 хребтовой балки 1. Описанное соединение также позволяет повысить эксплуатационную надежность рамы вагона-цистерны.
В каждой усиливающей накладке 5 и 6 выполнены сквозные пазы 7, количество которых задано из диапазона от 1 до 6, через которые каждая усиливающая накладка 5 и 6 прикреплена к верхней полке 1.1 хребтовой балки 1 посредством сварки. Ширина (R) сквозного паза 7 задана из диапазона от 20 до 100 мм, а длина (C) задана из диапазона от 60 до 460 мм. За счет крепления усиливающих накладок 5 и 6 к хребтовой балке 1 через упомянутые сквозные пазы 7 достигается усиление связи между усиливающими накладками 5 и 6 и хребтовой балкой 1 рамы вагона-цистерны, тем самым повышается эксплуатационная надежность рамы вагона-цистерны. Диапазон размеров сквозных пазов 7 обусловлен повышением жесткости шкворневого узла за счет увеличения длины сварных швов, при сохранении прочности каждой усиливающей накладки 5 и 6.
В примере реализации рама вагона-цистерны содержит хребтовую балку 1, концевые балки 2, боковые продольные балки 3 и шкворневые балки 4, включающие в себя вертикальные листы, нижний лист 4.1 и верхний лист 4.2. Каждый шкворневой узел рамы вагона-цистерны содержит четыре усиливающие накладки, закрепленные на верхней полке 1.1 хребтовой балки 1 и прикрепленные к верхнему листу 4.2 шкворневой балки 4, из которых две усиливающие накладки 5 закреплены в консольных частях рамы, две дополнительные усиливающие накладки 6 закреплены в центральной части рамы, с противоположной стороны шкворневой балки 4. При этом каждая усиливающая накладка 5 и 6 перекрывает верхнюю полку 1.1 хребтовой балки 1 вдоль ее оси на расстояние (L), равное 400 мм. Каждая усиливающая накладка 5 и 6 выполнена из цельного листа. Каждая усиливающая накладка 5 и 6 выполнена переменной толщины (S), при этом у шкворневой балки 4 толщина (S) равна 15 мм, а на противоположном конце каждой усиливающей накладки 5 и 6 толщина (S) равна 10 мм. Ширина (В) каждой усиливающей накладки 5 и 6, измеренная у кромки верхнего шкворневого листа 4.2, равна 500 мм, а на противоположном конце ширина (b) каждой усиливающей накладки 5 и 6 равна ширине верхней полки 1.1 хребтовой балки 1. В каждой усиливающей накладке 5 и 6 выполнены два сквозных паза 7, через которые каждая усиливающая накладка 5 и 6 прикреплена к верхней полке 1.1 хребтовой балки 1 посредством сварки, при этом ширина (R) каждого сквозного паза 7 равна 50 мм, а длина (C) равна 200 мм.
Таким образом, как показано в вышеприведенном описании полезной модели, достигается технический результат, заключающийся в повышении эксплуатационной надежности рамы вагона-цистерны за счет увеличения площади контакта опорных поверхностей шкворневого узла.
Предложенное техническое решение может быть использовано в известных из уровня техники вагонах-цистернах.