БОКОВАЯ РАМА ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА
FREIGHT CAR BOGIE SOLEBAR

Изобретение относится к железнодорожному подвижному составу, в частности к конструкции литой боковой рамы тележки грузового вагона.
В грузовом железнодорожном транспорте в качестве ходовых частей вагонов используются тележки с литыми боковыми рамами. В связи с переходом железных дорог на эксплуатацию грузовых вагонов повышенной грузоподъемности актуальным становится повышение усталостной прочности и долговечности боковых рам тележек.
Известна боковая рама тележки грузового вагона (RU 2473439, B61F 5/52, опубл. 10.10.2013), содержащая верхний горизонтальный пояс с консолями, образующими буксовые проемы, нижний пояс замкнутого сечения с опорной площадкой для рессорного комплекта, два наклонных пояса, связывающие верхний и нижний пояса, вертикальные колонки, технологические окна. Также боковая рама содержит центральный рессорный проем, ограниченный опорной площадкой для рессорного комплекта, верхним поясом и вертикальными колонками, радиусные переходы от опорной площадки к вертикальным колонкам, внутренние ребра на наклонных поясах, примыкающие к радиусным переходам, со стороны подвески триангелей - цилиндрические выступы в зоне примыкания внутренних ребер к радиусным переходам и наружные ребра, примыкающие к этим выступам. Внутренние ребра, примыкающие к радиусным переходам, соединены с технологическими окнами по касательной к их окантовкам.
Недостатком данной конструкции боковой рамы является несимметричное увеличение ее жесткости в зоне рессорного проема относительно продольной плоскости ее симметрии, поскольку усиливающие элементы расположены только с одной стороны подвески триангелей. Это приводит к тому, что на радиусном переходе напряжения перераспределяются со стороны усиливающего элемента на противоположную сторону, где напряжения возрастают, вследствие чего возможно усталостное разрушение радиусного перехода.
Известна литая боковая рама тележки грузового вагона (RU 116820, B61F 3/02, B61F 5/52, опубл. 10.06.2012), которая содержит верхний пояс, переходящий в зоне пересечения с наклонными поясами в консоли, оснащенные челюстями. Консоли с челюстями образуют буксовые проемы. Нижний пояс с опорной площадкой для рессорного комплекта оснащен тремя вертикальными стенками, в том числе средней стенкой. Верхний и нижний пояса соединены между собой двумя вертикальными колоннами, образующими проем для центрального рессорного подвешивания. Наклонные пояса с вертикальными колоннами и верхним поясом образуют технологические окна треугольной формы со скругленными углами. Наружные стенки плавно переходят в вертикальные стенки наклонных поясов и колонн. Средняя стенка имеет эллипсообразные окончания, которые в нижней части плавно переходят в нижнюю полку нижнего пояса, а в верхней части по касательным соединяется с радиусными переходами опорной площадки для рессорного комплекта в вертикальные стенки вертикальных колонн. Верхние полки наклонных поясов соединяются по нормали с вертикальными стенками вертикальных колонн в зонах окончания радиусных переходов.
Недостатком такой конструкции боковой рамы является то, что из-за увеличенной жесткости в зоне выполнения средней стенки происходит перераспределение напряжений в зоны радиусных переходов опорной площадки рессорного проема в вертикальные колонны боковой рамы, в то время как эти зоны уже являются местами концентрации критических напряжений, что может привести к образованию трещин и разрушений боковой рамы вследствие усталостных напряжений.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является боковая рама (US 5718177, B61F 5/00, опубл. 17.02.1998), в полости нижнего пояса которой имеются одно центральное ребро и четыре внутренних боковых ребра. Радиусные переходы между опорной площадкой, наклонными поясами и вертикальными колоннами имеют внутренние утолщения.
Недостатком ближайшего аналога является то, что внутренние боковые ребра расположены под опорной площадкой и заканчиваются на радиусных переходах в месте пересечения опорной площадки с наклонными поясами и не охватывают весь периметр радиусных переходов. Известно, что для ребер, расположенных в плоскости действия изгибающего момента, в местах их заделки наступает ослабление детали, что приводит к скачку напряжений, поэтому форму внутренних боковых ребер желательно выбирать такой, чтобы ослабление приходилось на область меньших значений изгибающего момента. Известно также, что боковая рама от действия вертикальных сил в основном испытывает нагрузку на изгиб в продольной плоскости. Зоны радиусных переходов между опорной площадкой и стенками вертикальных колонн являются одними из самых нагруженных мест боковой рамы. А в прототипе внутренние боковые ребра заканчиваются именно в зонах радиусных переходов, что приводит к повышению напряжений в этих зонах, в результате чего возможно усталостное разрушение боковой рамы.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение усталостной прочности и долговечности боковой рамы.
Технический результат достигается тем, что боковая рама тележки грузового вагона состоит из верхнего пояса, нижнего пояса, который содержит четыре внутренних боковых ребра и одно центральное ребро, вертикальных колонн, соединяющих верхний и нижний пояс и образующих совместно с ними рессорный проем, в нижней части которого расположена опорная площадка, сопряженная с вертикальными колоннами по радиусным переходам, наклонных поясов, сопряженных с нижним поясом, буксовых проемов с наружными и внутренними челюстными направляющими.
Верхняя и нижняя стенка наклонного пояса выполнены под углом α, в нижнем поясе внутренние боковые ребра охватывают радиусный переход и заканчиваются на наклонных поясах, радиусный переход усилен треугольными выступами со стороны подвески триангелей и цилиндрическими выступами с обратной стороны.
Сущность технического решения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Общий вид боковой рамы тележки грузового вагона;
Фиг. 2 - Продольный разрез боковой рамы тележки грузового вагона;
Фиг. 3 - Поперечный разрез боковой рамы тележки грузового вагона;
Фиг. 4 - Сечение Б-Б.
где приведены следующие обозначения:
1 - верхний пояс
2 - нижний пояс
3 - опорная площадка
4 - вертикальная колонна
5 - наклонный пояс
6 - нижняя стенка
7 - вертикальная боковая стенка нижнего пояса
8 - внутренняя полость нижнего пояса
9 - треугольный выступ
10 - вертикальное ребро
11 - цилиндрический выступ
12 - рессорный проем
13 - радиусный переход
14 - внутренний выступ
15 - консоль
16 - внешняя челюстная направляющая
17 - внутренняя челюстная направляющая
18 - буксовый проем
19 - радиусный участок
20 - утолщение
21 - технологическое окно
22 - центральное ребро
23 - внутреннее боковое ребро
24 -нижняя стенка наклонного пояса
25 - верхняя стенка наклонного пояса.
Боковая рама тележки грузового вагона содержит верхний пояс 1, нижний пояс 2 с опорной площадкой 3, соединенные между собой двумя вертикальными колоннами 4 и двумя наклонными поясами 5. Опорная площадка 3, нижняя стенка 6 и вертикальные боковые стенки 7 образуют внутреннюю полость 8 нижнего пояса 2.
Со стороны подвески триангелей на стенки вертикальных колонн 4 имеют треугольные выступы 9, под которыми расположены вертикальные ребра жесткости 10.
Со стороны обратной подвеске триангелей имеются цилиндрические выступы 11. Вертикальные колонны 4 совместно с верхним и нижним поясами 1 и 2 соответственно образуют рессорный проем 12. Опорная площадка 3 и вертикальные колонны 4 сопряжены по радиусным переходам 13, которые имеют внутреннее утолщение 14. Верхний пояс 1 после пересечения с наклонными поясами 5 переходит в консоли 15, каждая из которых снабжена внешней и внутренней челюстными направляющими 16 и 17 соответственно, образующими буксовые проемы 18. Наклонные пояса 5 и консоли 15 сопряжены между собой по радиусным участкам 19, которые с внутренней стороны имеют утолщения 20.
Между наклонными поясами 5 и вертикальными колоннами 4 расположены технологические окна 21 для визуального осмотра тормозов. Во внутренней полости 8 нижнего пояса 2 имеются центральное ребро 22 и четыре внутренних боковых ребра 23, начинающихся под опорной площадкой 3, охватывающих радиусные переходы 13 и заканчивающихся на наклонных поясах 5.
Боковая рама тележки грузового вагона предложенной конструкции работает следующим образом.
Опорная площадка 3 нижнего пояса 2 воспринимает весовую и динамическую нагрузки через рессорный комплект (не показан). Расчет механических напряжений от действия указанных весовой и динамической нагрузок на опорную площадку 3 показал, что наиболее нагруженными (опасными) зонами боковой рамы тележки грузового вагона являются зоны радиусных переходов 13, испытывающие нагрузку на изгиб. Известно, что момент сопротивления изгибу для прямоугольного сечения пропорционален квадрату высоты сечения, относительно оси изгиба. Благодаря наклону нижней стенки 24 наклонного пояса 5 по отношению к верхней стенке 25 на угол α увеличивается высота h и момент сопротивления изгибу сечения Б-Б относительно оси X, а следовательно, напряжения в сечении Б-Б уменьшаются. Внутренние боковые ребра 23 также увеличивают момент сопротивления изгибу в сечении Б-Б, кроме того, благодаря тому, что ребра 23 полностью охватывают радиусный переход 13 и заканчиваются в наклонных поясах 5, концентраторы механических напряжений в месте окончания ребра смещены из зон радиусных переходов 13 в наклонные пояса 5, механические напряжения в которых являются более низкими по сравнению механическими напряжениями в зонах радиусных переходов 13. Наличие треугольных выступов 9, вертикальных ребер 10, цилиндрических выступов 11 и обеспечивает более равномерное распределение напряжений вдоль радиусных переходов 13.
Основными отличиями от прототипа являются большее значение угла наклона α между нижней 24 и верхней 25 стенками наклонного пояса 5, выполнение внутренних боковых ребер 23 таким образом, чтобы они заканчивались в наклонных поясах 5, и наличие вертикальных ребер 10, треугольных выступов 9 и цилиндрических выступов 11, что в комплексе обеспечивает снижение уровня и более равномерное распределение механических напряжений в зонах радиусных переходов 13 между опорной площадкой 3 и вертикальными колоннами 4, опасных с точки зрения развития усталостных трещин и возникновения излома боковой рамы.
Более низкие значения напряжений и отсутствие концентраторов напряжений позволяют увеличить прочность и долговечность конструкции боковой рамы.
Проведенные испытания показали, что благодаря усовершенствованной конструкции боковой рамы тележки грузового вагона достигается заявленный технический результат: за счет усиливающих элементов повышена усталостная прочность и долговечность боковой рамы.