РАМА БОКОВАЯ ТРЕХЭЛЕМЕНТНОЙ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается трехэлементных тележек грузовых вагонов.
В грузовом железнодорожном транспорте в качестве ходовых частей вагонов широкое распространение получили трехэлементные тележки с одно или двухступенчатым рессорным подвешиванием, в которых используются рамы боковые литой конструкции. К таким конструкциям относятся, например, тележки Motion Control M-976 Truck System (США), QCZ56 (Китай), ICF i MD45/52 (Германия), 18-100, 18-131, 18-578, 18-579, 18-194-1 (Россия) и 18-4129, 18-4129-01, 18-7020, 18-7033, 18-755, 18-781, 18-1711 (Украина) и др.
Начиная с боковых рам тележек УВЗ [1], ЦНИИ-Х3-0 [2] и их модификаций [3, 4, 5, 6 и 7] и заканчивая последними разработками [8 и 9], отличительной особенностью рам боковых является выполнение их в виде одной стальной отливки, в средней части которой расположен проем для центрального рессорного комплекта, а по концам - проемы (открытые или закрытые с боковых сторон) для буксовых узлов колесных пар. Вертикальные колонны центрального рессорного проема, наклонные пояса и верхний пояс образуют симметрично расположенные относительно поперечной оси рамы технологические отверстия треугольной формы со скругленными углами. Эти отверстия обеспечивают возможность осмотра тормозных колодок и снятие чеки, крепящей тормозные колодки к башмакам триангеля, замене тормозных колодок во время эксплуатации тележек.
Верхний пояс в районе проема для центрального рессорного комплекта имеет замкнутое овалоподобное сечение с локальными отверстиями по нижней грани. В районе технологического отверстия он имеет корытообразную форму с некоторым загибом внутрь концов полок, а на участке буксовых проемов - прямоугольное замкнутое сечение.
Сечение вертикальных колонн проема для центрального рессорного комплекта боковых рам имеют корытообразную форму с некоторым загибом внутрь концов полок на участке технологического отверстия. Наклонные пояса имеют коробчатое сечение от нижнего угла проема для центрального рессорного комплекта до начала технологического отверстия, а далее - корытообразную форму с некоторым загибом внутрь концов полок на участке технологического отверстия.
Горизонтальный участок нижнего пояса проема для центрального рессорного комплекта имеет замкнутое коробчатое сечение. По бокам к нему примыкают полки, создающие опорную поверхность для установки пружин центрального рессорного комплекта и, со стороны кронштейнов
для подвески триангелей, являющиеся опорами для наконечников три-ангелей в случае обрыва подвесок.
Балки с таким профилем опорной поверхности для установки центрального рессорного комплекта хорошо сопротивляются изгибу и кручению. Однако недостаточную прочность имеет внутренний угол буксового проема [12], не смотря на то, что он усилен прямоугольной формы ребром, расположенным по касательной к радиусу сопряжения наклонного пояса с верхним горизонтальным поясом.
Конструкция узла перехода нижнего пояса в вертикальные колонны проема для центрального рессорного подвешивания, несмотря на наличие внутреннего наклонного ребра, являющегося продолжением верхней полки нижнего пояса и соединяющего боковые стенки колонок, имеет так же недостаточную прочность.
Как правило, попытки усиления этих зон сводится к увеличению толщин сопрягаемых элементов, при этом получается большое скопление металла, так называемые тепловые узлы [11]. В тепловых узлах металл затвердевает медленнее, чем в более тонких сопрягаемых элементах, что способствует возникновению усадочных раковин, пористости и горячих трещин.
Результаты испытаний на усталостную прочность рам боковых трехэлементных тележек [10] и опыт эксплуатации тележек модели 18-100 (ЦНИИ-Х3-0) показывает, что наиболее часто возникают разрушения (трещины) во внутренних углах буксового проема (по радиусу 55 мм) [12] и нижних углах проема для центрального рессорного комплекта со стороны кронштейнов для подвески триангелей.
В связи с переходом железных дорог на эксплуатацию грузовых вагонов повышенной грузоподъемности, актуальным становится повышение усталостной прочности боковых рам тележек.
Известны различные конструкции боковых рам тележки грузового вагона (US 5305694, US 5481986, US 5718177, US 6125767, US 6543367, RU 2116921, RU 41687, UA 8939, RU 65006), в конструкции которых применяются те или иные способы по увеличению прочности наиболее повреждаемых в эксплуатации зон.
Известна также боковая рама (фиг.1) тележки грузового вагона (RU 2294855 С1), содержащая верхний и нижний пояс, два наклонных пояса, связывающих верхний и нижний пояса. В зоне соединения нижнего пояса с каждым наклонным поясом выполнены ребра. Одно ребро (2) расположено в нижней части наклонного пояса от периферии к центру, другое ребро (4) - вдоль криволинейной части рессорного проема в зоне сочленения нижнего пояса с колоннами центрального рессорного проема. И третье ребро (5) выполнено как продолжение опорной площадки для рессорного комплекта. Симметрично относительно центральной плоскости рамы в зонах схождения ребер образованы выступы (6), объединяющие ребра и сопряженные с их боковыми поверхностями. Выступы
выполнены не выступающими в центральный рессорный проем. Предполагается, что за счет наличия выступов, объединяющих ребра с боковыми поверхностями, повысится надежность конструкции и увеличится коэффициент запаса сопротивления усталости по нижнему углу рессорного проема.
Ближайшим аналогом полезной модели является боковая рама железнодорожной тележки (SU 1135684 А), включающая в себя верхний и нижний пояса, соединенные один с другим вертикальными колоннами и наклонными поясами. Горизонтальные надбуксовые участки верхнего пояса, оснащенные челюстями буксового проема, сопряжены с наклонными поясами. При этом боковые стенки в месте сочленения надбуксовых участков с наклонными поясами (фиг.1) усилены плоскими выступающими ребрами (1) прямоугольной формы, равными толщине боковой стенки и расположенными по касательной к радиусу сопряжения надбуксового участка и наклонного пояса и др.
К недостаткам приведенных выше аналогов, в том числе и ближайшего аналога, относится недостаточная усталостная прочность рамы в зонах расположения концентраторов напряжений: во внутреннем углу буксового проема и в нижнем углу рессорного проема на участке сопряжения вертикальных колонн с нижним поясом. Это обусловлено тем, что дополнительные ребра (1) в буксовом узле и выступы (6) в нижних углах центрального рессорного проема увеличивают общую массу металла (теплового узла [11]) в этих зонах, что на практике приводит к возникновению внутренних дефектов (усадочные раковины и пористость, выходящие на поверхности узла, трещины и др. дефекты).
Таким образом, ожидаемый эффект от наличия ребер и выступов в подавляющем большинстве случаев при серийном производстве рам не гарантирован, но увеличивает массу металла в этих зонах.
Задачей полезной модели является повышение надежности конструкции рам, повышение коэффициента запаса сопротивления усталости за счет повышения прочностных свойств тех узлов рамы, где создаются тепловые узлы, приводящие к возникновению внутренних дефектов литья.
В заявляемой полезной модели задача повышения надежности и повышения коэффициента запаса сопротивления усталости решается за счет совокупности следующих существенных признаков.
Боковая рама (фиг.2) содержит верхний пояс замкнутого сечения (7) с челюстями (8 и 9), образующими буксовые проемы (10), нижний пояс (11) замкнутого сечения с опорной площадкой (28) для рессорного комплекта. Верхний и нижний пояса соединены между собой двумя вертикальными колоннами (13) открытого с-образного профиля, образующими проем (14) центрального рессорного подвешивания, а два наклонных пояса (15) замкнутого сечения образуют технологические окна (16) треугольной формы со скругленными углами.
Во внутреннем углу буксового проема, где в зоне сочленения нижней полки верхнего пояса, нижней полки наклонного пояса и вертикальной стенки внутренней челюсти (9), на длине ширины вертикальной стенки (24) внутренней челюсти меньшей, чем ширина нижней полки верхнего пояса, создается большое скопление металла, так называемый тепловой узел [11], приводящий к возникновению внутренних литейных дефектов. Для предупреждения возникновения литейных дефектов при остывании отливки тепловой узел, ограниченный шириной вертикальной стенки внутренней челюсти, продлевается в обе стороны от продольной оси симметрии рамы на всю ширину верхнего пояса (7) в районе буксового проема плюс выступание за пределы ширины верхнего пояса на величину "а". Таким образом, образовывается новый тепловой узел, условно показанный на фиг.3 симметричным относительно продольной оси рамы цилиндром (19), вписанным в утолщенную часть отливки, образованную сопрягаемыми элементами. К выступающим частям теплового узла примыкают участки верхнего (17) и наклонного (18) поясов, длина которых равна 1,5...2 толщинам в зоне примыкания к тепловому узлу. Участки (17) и (18) плавно, под углом около 45° переходят в вертикальные стенки, соответственно, верхнего (7) и наклонного (15) поясов. Величина "а" выступания теплового узла (19) относительно ширины верхнего пояса (7) симметрично относительно продольной оси рамы на обе стороны, определяется как половина разницы между диаметром вписанной в тепловой узел окружности умноженной на коэффициент, равный или менее 7, и шириной верхнего пояса (7) в зоне теплового узла. Описанная конструкция теплового узла создает условия для применения при изготовлении отливок легко отделяемых прибылей прямого питания со стержнями-диафрагмами, преимущественно, обогреваемых экзотермическими смесями. Доказано [11], что в этом случае устраняется усадочная пористость, трещины и другие литейные дефекты.
В зоне соединения (фиг.4) верхней полки (25) нижнего пояса (11), образующей опорную поверхность рессорного комплекта (28), с каждой вертикальной стенкой (26) колонн (13) и верхними полками (27) наклонных поясов (15) создается большое скопление металла, так называемый тепловой узел [11], приводящий к возникновению внутренних литейных дефектов. Для предупреждения возникновения литейных дефектов при остывании отливки тепловой узел (23), ограниченный шириной нижнего пояса (11) рамы, продлевается в сторону, противоположную кронштейнам для подвески триангелей, на величину "б". К выступающей части (фиг.2) вновь образованного теплового узла (23) примыкают участки вертикальной стенки (21) колонн (13), верхней полки (22) наклонного пояса (15) и верхней полки (20) нижнего пояса (11). Длина примыкающих участков (21), (22) и (20) равна 1,5...2 толщинам в зоне примыкания к тепловому узлу (23). И далее (фиг.4) они плавно, под углом около 45° переходят в вертикальные стенки (26), верхнюю полку (27) и опорную полку рессорного комплекта (25).
Величина "б" выступания теплового узла (23) относительно ширины нижнего пояса (11) не симметрично относительно продольной оси рамы в сторону, противоположную кронштейнов подвески триангелей, определяется как разница между диаметром вписанной в тепловой узел окружности умноженной на коэффициент, равный или менее 7, и шириной нижнего пояса (11) в зоне теплового узла. Описанная конструкция теплового узла создает условия для применения при изготовлении отливок легко отделяемых прибылей прямого питания со стержнями-диафрагмами, преимущественно, обогреваемых экзотермическими смесями. Доказано [11], что в этом случае устраняется усадочная пористость, трещины и другие литейные дефекты.
Технический результат, получаемый при использовании полезной модели, достигается в результате создания условий для применения при изготовлении отливок легко отделяемых прибылей прямого питания со стержнями-диафрагмами, предпочтительно, обогреваемых экзотермическими смесями. Доказано [11], что в этом случае устраняется усадочная пористость, трещины и другие литейные дефекты. В результате обеспечивается высокая плотность металла в тепловых узлах. Таким образом, повышается усталостная прочность боковой рамы тележки, и создаются предпосылки для ее длительной (не менее 32 лет) эксплуатации.
Суть технического решения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен общий вид рамы боковой с буксовыми проемами открытого типа со стороны противоположной кронштейнам подвески триангеля, объединяющей отличительные признаки аналогов;
на фиг.2 - общий вид рамы боковой с буксовыми проемами открытого типа со стороны противоположной кронштейнам подвески триангеля, с тепловыми узлами в зоне верхнего узла буксового проема и нижнего угла центрального рессорного проема;
на фиг.3 - вид на буксовый проем рамы боковой в сечении, проходящем через продольную вертикальную плоскость рамы и перпендикулярную ей плоскость, проходящую через продольную ось теплового узла;
на фиг.4 - вид на разрез нижнего угла проема для центрального рессорного подвешивания рамы боковой по продольной оси теплового узла и верхней полке наклонного пояса поперек нижнего пояса рамы.
Источники информации:
1. Вагоны под редакцией М.В.Винокурова. Трансжелдориздат, 1953, стр.215-216, фиг.186.
2. Л.А.Шадур., И.И.Челноков, Л.Н.Никольский, Е.Н.Никольский и др. Вагоны. «Транспорт», 1965, стр.147-148, рис.100.
3. Железнодорожная тележка. ФГУП «ПО Уралвагонзавод» Патент RU 42992 U1
4. Тележка грузового вагона. ОАО «Алтайвагонзавод». Патент RU 2224673 С2
5. Тележка железнодорожного вагона. ГУП «ПО Уралвагонзавод». Патент RU 2200681 С2
6. Железнодорожная грузовая тележка для повышенных скоростей движения. ФГУП «ЦКБ ТМ». Патент RU 39558 U1.
7. Тележка двухосная для грузовых железнодорожных вагонов колеи 1520 мм. ГУП «УО ВНИИЖТ». Патент RU 42991 U1.
8. Двухосная тележка грузового вагона. ОАО «Крюковский вагоностроительный завод» (UA). Патент RU 2246416 С2.
9. Тележка двухосная для грузовых вагонов магистральных железных дорог. Радзиховский А.А. (UA), Воронович В.П. (RU). Патент RU 54347 U1.
10. Протокол №597 вiд 29 червня 2006 р. скорочених випробувань на втому балок надресорних (креслення 4129.00.001) та рам бокових (креслення 4129.00.002). ВЦ ПВ УкрНДIВ, 2006.
11. Василевский П.Ф. Технология стального литья. М., «Машиностроение», 1974, 408 с.
12. Льют как придется. Гудок, №60 (24053) от 08.04.2008.