Устройство для крепления котла вагона-цистерны

Предлагаемая полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается железнодорожных цистерн, направлена на повышение эксплуатационной надежности и безопасности движения подвижного состава на железной дороге путем создания конструкции хомутов, предназначенных для фиксации котла вагона-цистерны к раме вагона-цистерны, и направлена на предотвращение усталостного разрушения пояса хомута и, соответственно, его разрыва.
Существует конструкция хомута для крепления котла к раме вагона-цистерны, состоящая из пояса хомута в виде стальной полосы и болта, приваренного внахлестку от 80 до 100 мм. В месте приварки болт должен иметь прямоугольное сечение [1].
Недостатком данной конструкции является концентрация напряжений по линии сплавления лобового шва приварки болта к поясу хомута вследствие неравномерного распределения напряжений в лобовом шве, возникающих из-за внецентренного растяжения и изгиба в результате предварительного натяжения хомута при изготовлении вагона-цистерны и возникающих при движении вагона-цистерны. Концентрация напряжения по линии сплавления лобового шва приварки болта к поясу хомута приводит к появлению напряжений, превышающих предел выносливости, к появлению начальной трещины по линии сплавления лобового шва, к ее развитию в процессе эксплуатации и в конечном итоге к обрыву пояса хомута (фиг. 1), что, в свою очередь может привести к аварии на железных дорогах с возможными материальными последствиями и человеческими жертвами.
Известна конструкция железнодорожной цистерны [2], которая содержит раму с ходовой частью и котел. Котел на раме крепится в средней части и в концевых ее частях. Для предотвращения продольных смещений средняя часть котла жестко связана с рамой фасонными лапами, приваренными к нижней части котла и соединенными призонными болтами с лапами хребтовой балки рамы вагона-цистерны. Концевые части котла свободно лежат на деревянных брусках, укрепленных болтами в металлических желобах опор, установленных на шкворневых балках рамы. Для ограничения вертикальных и поперечных перемещений котла предусмотрены стяжные хомуты, состоящие из пояса хомута в виде стальной полосы, охватывающей котел по образующей корпуса котла. К поясу хомута приварены с обеих сторон наконечники в виде круглых стержней, которые имеют с одной стороны, резьбовую часть, а с другой конусообразную часть, соединенную с поясом хомута двумя нахлесточными фланговыми швами и одним лобовым швом. Через резьбовую часть наконечника хомут крепится к неподвижной опоре рамы вагона-цистерны.
Недостатком данной конструкции является концентрация напряжений по линии сплавления лобового шва приварки наконечника к поясу хомута вследствие неравномерного распределения напряжений во фланговых и лобовом шве, возникающих из-за внецентренного растяжения и изгиба в результате предварительного натяжения хомута при изготовлении вагона-цистерны и возникающих при движении вагона-цистерны. Концентрация напряжении по линии сплавления лобового шва, соединяющего, наконечник с поясом хомута, приводит к появлению напряжений, превышающих предел выносливости, к появлению начальной трещины по линии сплавления лобового шва, к ее развитию в процессе эксплуатации и в конечном итоге к обрыву пояса хомута (фиг. 1), что, в свою очередь может привести к аварии на железных дорогах с возможными материальными последствиями и человеческими жертвами.
Известно устройство для крепления котла железнодорожной цистерны к раме платформы [3], которое включает охватывающие котел рядом расположенные пояса хомутов, концы которых посредством винтовых муфт соединены со стяжными болтами, связанными с рамой платформы, а также фиксаторы хомутов от поворота вокруг своей продольной оси, позволяющие их продольное перемещение. Фиксаторы хомутов выполнены в виде соединенных между собой разъемным или неразъемным соединением двух пластин, между которыми заключены пояса хомутов.
Недостатком данной конструкции является концентрация напряжений по линии сплавления лобового шва приварки наконечника к поясу хомута вследствие неравномерного распределения напряжений во фланговых и лобовом шве, возникающих от внецентренного растяжения и изгиба в результате натяжения хомута при изготовлении вагона-цистерны и при эксплуатации вагона-цистерны, в результате чего, происходит усталостное разрушение пояса хомута, что, в свою очередь, может привести к аварии на железных дорогах с возможными материальными последствиями и человеческими жертвами.
Существует устройство для крепления котла железнодорожной цистерны к раме платформы [4], включающее хомут, охватывающий котел, прикрепленный с обоих концов к опорам рамы платформы и состоящий из пояса и наконечников с резьбой, которые посредством упругих элементов и гаек соединены с опорами рамы платформы. Наконечник снабжен концевым элементом, предназначенным для удержания хомута от проворачивания при затягивании гаек.
Это устройство также имеет недостаток - концентрацию напряжений по линии сплавления лобового шва приварки наконечника к поясу хомута вследствие неравномерного распределения напряжений во фланговых и лобовом шве, возникающих от внецентренного растяжения и изгиба в результате натяжения хомута при изготовлении вагона-цистерны и при эксплуатации вагона-цистерны, по этой причине происходит усталостное разрушение пояса хомута, что, в свою очередь, может привести к аварии на железных дорогах с возможными материальными последствиями и человеческими жертвами.
Данная конструкция наиболее близка по технической сути для заявляемой полезной модели и, поэтому выбрана в качестве прототипа.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание конструкции хомута вагона-цистерны с обеспечением повышенной эксплуатационной надежности, исключающей концентрацию напряжений по линии сплавления лобового шва, тем самым предотвращая усталостное разрушение пояса хомута, его обрыв.
Заявляемая конструкция железнодорожной цистерны содержит раму с ходовой частью и котел. Котел на раме крепится в средней части и в концевых ее частях. Для предотвращения продольных смещений средняя часть котла жестко связана с рамой фасонными лапами, приваренными к нижней части котла и соединенными призонными болтами с лапами хребтовой балки рамы вагона-цистерны. Концевые части котла свободно лежат на деревянных брусках, укрепленных болтами в металлических желобах опор, установленных на шкворневых балках рамы вагона-цистерны. Для ограничения вертикальных и поперечных перемещений котла предусмотрены стяжные хомуты (фиг. 3), состоящие из пояса хомута, охватывающего котел по образующей корпуса котла. К поясу хомута приварены с обеих сторон наконечники в виде круглых стержней, имеющих с одной стороны резьбовую часть, а с другой стороны конусообразную часть, соединенную с поясом хомута двумя нахлесточными фланговыми швами и одним лобовым швом (фиг. 2). Через резьбовую часть хомут крепится к неподвижной опоре рамы вагона-цистерны.
Указанный выше технический результат достигается благодаря тому, что пояс хомута имеет накладку, приваренную к поясу хомута в месте соединения наконечника и пояса хомута (фиг. 2). Наличие накладки приводит к тому, что напряжения, возникающие в сварных швах, перераспределяются, устраняется концентрация напряжений по линии сплавления в лобовом шве приварки наконечника к поясу хомута, тем самым, предотвращается усталостное разрушение пояса хомута.
Кроме того, накладка имеет П-образный профиль (фиг. 4), вертикальные ребра которой параллельны оси наконечника, а горизонтальное ребро перпендикулярно оси наконечника и располагается на расстоянии не менее 20 мм от лобового шва приварки наконечника к поясу хомута, при этом вертикальные ребра накладки расположены таким образом, что ее торцевые поверхности находятся на расстоянии не менее 50 мм от лобового шва наконечника, а высота накладки h больше ширины накладки s, при этом накладка располагается симметрично относительно оси пояса хомута.
Разъяснение:
h>s,
где h - высота накладки;
s - ширина накладки.
Немаловажное значение имеет простота заявляемого устройства, общий вид которого изображен на фиг. 5, и ее значимость для решения проблемы обеспечения безопасности при эксплуатации вагона-цистерны на железных дорогах.
На фиг. 1 изображено соединение пояса хомута с наконечником. На фиг. 1 под цифрой 1 обозначено место в устройстве для крепления котла вагона цистерны, в котором происходит «концентрация напряжений, начало трещины», под цифрой 2 обозначено место в устройстве для крепления котла вагона цистерны, в котором происходит «усталостная трещина, разрыв пояса хомута», цифрой 3 обозначена «зона сварки».
Соединение пояса хомута с наконечником с накладкой представлено на фиг. 2. На фиг. 2 под цифрой 4 обозначена «накладка», под цифрой 5 обозначен «пояс хомута», под цифрой 6 обозначен «наконечник», под цифрами 7, 8 и 9 обозначены «зоны сварки».
Стяжной хомут изображен на фиг. 3. На фиг. 3 под цифрой 6 обозначен «наконечник», под цифрой 5 обозначен «пояс хомута».
Конструкция накладки поясняется фиг. 4. и фиг. 8. На фиг. 8 под цифрой 4 обозначена «накладка».
На фиг. 5 изображен общий вид устройства. На фиг. 5 под цифрой 10 обозначена «экипажная часть», под цифрой 11 обозначен «хомут», под цифрой 12 обозначен «котел», под цифрой 13 обозначена «рама».
Приведенное приложение 1 содержит информацию об испытаниях, проведенных на предприятии Акционерное общество «Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод» имени Ф.Э. Дзержинского», информацию об их результатах.
Заявленный технический результат от накладки, установленной на пояс хомута для крепления котла вагона-цистерны, подтвержден лабораторными испытаниями на усталость, Протокол №3594 от 30.06.2016 (приложение 1), проведенными на предприятии Акционерное общество «Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод» имени Ф.Э. Дзержинского».
Источники информации:
1. «Инструкция по сварке и наплавке при ремонте грузовых вагонов», Москва, Трансинфо, 2009, стр. 148.
2. В.В. Лукин «Конструирование и расчет вагонов», Москва, УКМ МПС России, 2000, стр. 575.
3. Патент РФ, №32740, «Устройство для крепления котла железнодорожной цистерны на раме платформы», опубл. 27.09.2003.
4. Патент РФ, №144075, «Устройство для крепления котла железнодорожной цистерны к раме платформы», опубл. 10.08.2014, бюлл. №22.