ТОРЦЕВАЯ СТЕНА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ГРУЗОВОГО ВАГОНА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая полезная модель относится к железнодорожному подвижному составу и касается конструкций торцевых стен железнодорожных грузовых вагонов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Торцевая стена железнодорожного грузового вагона является одним из наиболее повреждаемых элементов кузова. Характер повреждений свидетельствует о недостаточной прочности торцевой стены. Попытки усовершенствовать конструкцию привели к разнообразию вариантов торцевых стен вагонов, находящихся в эксплуатации. Тем не менее, для большинства вариантов характерно наличие остаточных пластических деформаций в процессе эксплуатации, что свидетельствует о недостаточной прочности торцевых стен. Одним из вариантов повышения прочности торцевой стены является приварка к ее элементам дополнительных деталей (ребер, косынок и т.д.).
Известен полувагон с глухим кузовом (RU 162696), который содержит кузов, состоящий из рамы, торцевых и боковых стен, включающих обшивку, стойки, верхнюю и нижнюю обвязки. На наружных поверхностях стоек в нижней части приварены усиливающие накладки, снизу к стойкам приварены торцевые накладки, к боковой стене и к боковым поверхностям стоек приварены боковые усиливающие накладки, расположенные на противоположных поверхностях стоек. Боковые усиливающие накладки со стороны кузова повторяют очертания поверхности боковой стены.
В данной конструкции за счет накладок, усиливающих стойки, повышается прочность только боковых стен, при этом торцевая стена не усилена, что недостаточно повышает прочность кузова.
Использование усиливающих накладок также известно из кузова полувагона увеличенной вместимости и грузоподъемности (RU 123384), который содержит раму с закрепленными на ней торцевыми и боковыми стенами, состоящими из листов обшивки, которые состоят из стоек, горизонтальных поясов и обвязок. Совпадающие верхние поверхности верхней обвязки боковой и торцевой стен соединяются с помощью усиливающей накладки, один из сегментов которой, отогнутый под прямым углом вниз, соединяет наружную вертикальную поверхность верхней обвязки боковой стены с вертикальным листом угловой стойки в зоне контакта противоположной стороны листа с наружной вертикальной поверхностью верхней обвязки торцевой стены. Нижняя поверхность верхней обвязки боковой стены соединена с вертикальным листом угловой стойки с помощью накладки, состоящей из двух сегментов: прямоугольного и треугольного.
В предлагаемой конструкции не предусмотрено использование усиливающих накладок, устанавливаемых на горизонтальные пояса торцевой стены, что не обеспечивает достаточную прочность торцевой стены и, как следствие, кузова в целом.
Известна торцевая стена полувагона (RU 108013, наиболее близкий аналог), которая содержит верхнюю обвязку, соединенную с угловыми стойками, которая жестко соединена с листовой обшивкой, усилена верхним, нижним и средним горизонтальными поясами, и вертикальными подкрепляющими элементами, симметрично расположенными относительно оси торцевой стены. Указанные вертикальные подкрепляющие элементы включают два крайних вертикальных подкрепляющих элемента, которые соединяют верхнюю обвязку с верхним, средним и нижним горизонтальными поясами и выступают ниже уровня нижнего горизонтального пояса, один средний вертикальный подкрепляющий элемент, который соединяет верхнюю обвязку с горизонтальными поясами, и два дополнительных вертикальных подкрепляющих элемента, которые расположены между крайними и средним вертикальными подкрепляющими элементами и соединяют верхнюю обвязку, верхний и средний горизонтальные пояса. На верхней обвязке и верхнем горизонтальном поясе установлены усиливающие накладки, расположенные по центру указанных балок и симметрично относительно оси торцевой стены.
Недостатком известной торцевой стены является то, что повышение ее прочности происходит за счет использования большого количества деталей, вследствие чего, увеличивается металлоемкость конструкции, уменьшается технологичность и увеличивается трудоемкость изготовления торцевой стены полувагона, вследствие чего некоторые участки торцевой стены могут быть недостаточно усилены.
Таким образом, в известных из уровня техники конструкциях железнодорожных транспортных средств к недостаткам можно отнести невысокую прочность торцевых стен, а в случае их упрочнения происходит существенное увеличение металлоемкости конструкции.
Ввиду имеющихся недостатков известных конструкций задачей настоящей полезной модели является создание железнодорожного грузового вагона с высокими прочностными характеристиками, за счет упрочнения торцевой стены в сочетании с минимальной материалоемкостью.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Указанная задача решена благодаря торцевой стене железнодорожного грузового вагона, содержащей листовую обшивку, усиленную горизонтальными поясами. Также торцевая стена содержит усиливающую накладку, расположенную по центру горизонтального пояса и симметрично относительно вертикальной оси торцевой стены. Усиливающая накладка имеет вытянутую форму с двумя противоположными сужающимися концевыми участками и средним участком по существу с параллельными кромками. Длина каждого сужающегося участка усиливающей накладки составляет по меньшей мере 0,115 от общей длины усиливающей накладки.
Предлагаемая конструкция позволяет достичь технического результата в виде высоких прочностных характеристик торцевой стены, при этом обеспечивая уменьшенную металлоемкость, а также улучшенную конструкцию железнодорожного грузового вагона, обладающего повышенной технологичностью. Кроме того, предлагаемая полезная модель обеспечивает расширение арсенала конструкций для грузовых железнодорожных транспортных средств.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что согласно предлагаемой полезной модели предложена торцевая стена железнодорожного грузового вагона, на горизонтальном поясе которой расположена усиливающая накладка, имеющая вытянутую форму с двумя противоположными сужающимися концевыми участками и средним участком по существу с параллельными кромками, а длина каждого сужающегося концевого участка усиливающей накладки составляет по меньше мере 0,115 от общей длины усиливающей накладки. Выбор указанной формы усиливающей накладки связан с распределением напряжений, действующих в торцевой стене. Максимальные напряжения действуют в центральной части торцевой стены и уменьшаются от центра к торцам горизонтальных поясов. То есть в центральной части горизонтальных поясов напряжение выше, чем на их торцах. Усиливающая накладка в виде вытянутой формы за счет широкой центральной части, в частности, средней части с двумя по существу параллельными сторонами позволяет достаточно упрочнить центральную часть горизонтального пояса. А так как действующие напряжения уменьшаются по направлению к торцам горизонтального пояса, появляется возможность сужения усиливающей накладки в консольных частях, в частности, в противоположных концевых участках. Предложенная форма усиливающей накладки имеет два противоположных сужающихся концевых участка длиной по меньшей мере 0,115 от общей длины усиливающей накладки, что облегчает конструкцию, снижая ее металлоемкость. Учитывая направление, место воздействия, величину и характер приложенных нагрузок, предложенная форма позволяет добиться приближения напряжений к максимально допустимому значению в точках силового каркаса торцевой стены, тем самым обеспечивая достаточную прочность торцевой стены и одновременное снижение металлоемкости. Кроме этого, усиливающие накладки, вытянутой формы в местах двух противоположных сужающихся концевых участков испытывают низкую концентрацию напряжений, что делает такую форму более прочной и легкой.
Также как уже было сказано выше, в торцевой стене наибольшие напряжения действуют в центральной части горизонтальных поясов, а к краям горизонтального пояса напряжения уменьшаются. Таким образом, в заявляемой полезной модели расположение усиливающих накладок осуществляется по центру горизонтальных поясов и симметрично относительно вертикальной оси торцевой стены. Такое расположение усиливающих накладок учитывает действие напряжений, что позволяет повысить прочность в центральной части торцевой стены, при этом, не утяжеляя конструкцию в менее нагружаемых точках силового каркаса.
Также благодаря тому, что усиливающая накладка увеличивает поперечное сечение профиля горизонтального пояса, появляется возможность использовать горизонтальные пояса с меньшим поперечным сечением, что позволяет уменьшить массу торцевой стены, сохраняя ее прочностные характеристики.
Согласно одному из вариантов реализации длина каждого сужающегося концевого участка усиливающей накладки составляет, по большей мере 0,25 от общей длины усиливающей накладки. Большее значение не обеспечит достаточную прочность и надежность горизонтального пояса, поскольку возникающие в таком случае в данном горизонтальном поясе напряжения будут превышать допускаемые, что в эксплуатации приведет к возникновению трещин и возможному последующему разрушению.
Согласно еще одному из вариантов реализации длина усиливающей накладки находится в интервале от 500 до 3000 мм, ширина усиливающей накладки находится в интервале от 50 до 170 мм, а толщина усиливающей накладки находится в интервале от 4 до 16 мм. Указанные интервалы характеризуют оптимальные размеры усиливающей накладки, позволяющие приблизить напряжение в торцевой стене к максимально допустимому значению, тем самым избавляя от лишней металлоемкости конструкцию и при этом сохраняя необходимую прочность торцевой стены.
Согласно еще одному из вариантов усиливающая накладка имеет форму в виде вытянутого шестиугольника с двумя противоположными сужающимися концевыми участками и средним участком по существу с параллельными кромками. Предложенная форма имеет высокую технологичность в изготовлении.
Согласно еще одному из вариантов реализации крайние боковые вершины сужающихся концевых участков усиливающей накладки выполнены в виде скругленных вершин (фиг. 2). Такое исполнение снижает концентрацию напряжений, что делает форму усиливающей накладки более прочной.
Согласно еще одному из вариантов реализации крайние боковые вершины сужающихся концевых участков усиливающей накладки выполнены в виде срезанных вершин. Такое исполнение обеспечивает технологичность усиливающей накладки с такой формой.
Таким образом, в предлагаемой конструкции за счет выполнения усиливающих накладок вытянутой формы с двумя противоположными сужающимися концевыми участками и средним концевым участком по существу с параллельными кромками реализуется возможность выполнить конструкцию, учитывающую воздействующие нагрузки и обеспечивающую прочностные показатели торцевой стены в сочетании с минимальной материалоемкостью. Указанные признаки полезной модели позволяют обеспечить улучшенную конструкцию вагона, характеризующуюся повышенной технологичностью, что пояснено ниже на примерах реализации предлагаемой полезной модели.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность полезной модели более подробно поясняется ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, среди которых:
Фиг. 1 - вид торцевой стены полувагона;
Фиг. 2 иллюстрирует форму усиливающей накладки;
Фиг. 3 - разрез «В-В» на фиг. 2;
Фиг. 4 иллюстрирует один из вариантов реализации формы усиливающей накладки;
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Предлагаемая полезная модель далее более подробно описана на примере железнодорожного грузового вагона в виде полувагона. При этом объем заявляемой полезной модели не ограничивается приведенным примером и распространяется на любые другие железнодорожные транспортные средства, известные специалисту в области техники, в том числе крытые вагоны, полувагоны и другие.
Торцевая стена 1 железнодорожного грузового вагона, показанная на фиг. 1, содержит верхнюю 2 и нижнюю 3 обвязки, жестко соединенные с листовой обшивкой 4. Верхняя 2 и нижняя 3 обвязки объединяют торцевые 1 и боковые стены вагона. Кроме этого, листовая обшивка 4 торцевой стены 1 усилена горизонтальными поясами 5 и двумя вертикальными подкрепляющими элементами 6, расположенными симметрично относительно вертикальной оси торцевой стены 1. Вертикальные подкрепляющие элементы 6 соединяют два нижних горизонтальных пояса 5 с нижней обвязкой 3 и выступают ниже ее уровня. На верхнем горизонтальном поясе 5 установлена усиливающая накладка 7, расположенная по центру горизонтального пояса 5 и симметрично относительно вертикальной оси торцевой стены 1. Усиливающая накладка 7 выполняет функцию снижения напряжения в сечении профиля горизонтального пояса 5. Усиливающая накладка 7 имеют форму вытянутого шестиугольника (фиг. 2) с центральной частью, в частности, со средним участком 8 по существу с параллельными кромками, и с двумя противоположными сужающимися концевыми участками 9 со скругленными вершинами 10, длина каждого сужающегося концевого участка усиливающей накладки 7 составляет по меньшей мере 0,115 от общей длины усиливающей накладки 7. Фиг. 3 иллюстрирует усиливающую накладку в поперечном сечении.
На фиг. 4 представлена усиливающая накладка с возможным исполнением сужающихся концевых участков крайних боковых вершин в виде срезанных вершин, т.е. у которых крайние боковые части срезаны перпендикулярно или наклонно относительно вертикальной оси торцевой стены. В других примерах крайние боковые вершины сужающихся концевых участков усиливающих накладок могут быть выполнены в виде скругленных вершин или другим известным для специалиста способом.
Технический результат в виде высоких прочностных характеристик торцевой стены, уменьшенной металлоемкости конструкции, и получения в целом улучшенной конструкции железнодорожного грузового вагона, обладающего повышенной технологичностью, достигается за счет того, что в заявляемой полезной модели на горизонтальном поясе 5 располагается усиливающая накладка 7, имеющая вытянутую форму с двумя противоположными сужающимися концевыми участками 9 и средним участком по существу с параллельными кромками. Выбор указанной формы усиливающей накладки 7 связан с распределением напряжений, действующих в торцевой стене 1.
Горизонтальные пояса 5 являются элементами каркаса и элементами жесткости, воспринимающие усилия распора груза и передающие их на боковые стойки. Они представляют собой гнутый профиль и располагаются равномерно по всей высоте торцевой стены 1.
Максимальные напряжения действуют в центральной части торцевой стены 1 и уменьшаются от центра к торцам горизонтальных поясов 5. Данный факт подтверждается тем, что давление на площадь торцевой стены 1 можно представить, как силу, приложенную в центре площади торцевой стены. С учетом того, что сила приложена в центре, а горизонтальные пояса закреплены по краям, то получаем расчетную схему «балка на двух опорах». Из расчетов следует что, максимальный изгибающий момент действует в центре горизонтального пояса и уменьшается к его торцам. Также данный факт подтверждают многочисленные расчеты на прочность торцевых стен полувагонов.
Усиливающая накладка 7 вытянутой формы за счет широкого среднего участка 8, позволяет достаточно упрочнить центральную часть горизонтального пояса 5. А так как действующие напряжения уменьшаются по направлению к торцам горизонтального пояса, появляется возможность сужения усиливающей накладки на концевых участках. Предложенная форма усиливающей накладки имеет два противоположных сужающихся концевых участка 9 длиной по меньшей мере 0,115 от общей длины усиливающей накладки 7, что в полной мере учитывает действующие напряжения, при этом облегчает конструкцию торцевой стены 1, снижая ее металлоемкость. Данное значение получено экспериментально путем испытаний и теоретических расчетов полувагонов. Выполнение сужающихся концевых участков длиной меньше чем 0,115 от общей длины усиливающей накладки нетехнологично, и проводить технологическую операцию по резке усиливающей накладки с двумя противоположными сужающимися концевыми участками (фиг. 4) из прямоугольной усиливающей накладки нецелесообразно, так как уменьшение массы усиливающей накладки по сравнению с прямоугольной усиливающей накладкой будет незначительно. Уменьшение длины сужающихся концевых участков 9 способствует увеличению площади и, как следствие,  увеличению массы усиливающей накладки.
Учитывая направление, место воздействия, величину и характер приложенных нагрузок, предложенная форма позволяет добиться приближения напряжений к максимально допустимому значению в точках силового каркаса торцевой стены, тем самым обеспечивая достаточную прочность торцевой стены и одновременное снижение металлоемкости.
Форма усиливающей накладки 7 в виде вытянутого шестиугольника имеет плавные переходы между ее средним участком 8 и двумя сужающимися концевыми участками 9, а противоположные вершины шестиугольника выполнены скругленными, такое исполнение обеспечивает минимальные концентраторы напряжений в усиливающей накладке 7, что делает ее более прочной и менее подверженной разрушениям.
Как уже было сказано выше, в торцевой стене 1 наибольшие напряжения действуют в центральной части горизонтальных поясов 5, а к их торцам напряжения уменьшаются. Таким образом, в заявляемой полезной модели расположение усиливающих накладок 7 осуществляется по центру горизонтальных поясов и симметрично относительно вертикальной оси торцевой стены 1. Такое расположение усиливающих накладок 7 учитывает действующие напряжения в торцевой стене 1, что позволяет повысить прочность в ее центральной части, при этом, не утяжеляя конструкцию в менее нагружаемых точках силового каркаса торцевой стены.
Кроме этого, за счет расположения усиливающих накладок 7 по центру горизонтальных поясов 5, упрочняя тем самым наиболее нагружаемую часть торцевой стены 1, и как следствие, увеличивая поперечное сечение профиля горизонтального пояса 5, появляется возможность уменьшить сечение профиля горизонтального пояса 5 по всей его длине, что позволяет существенно уменьшить вес конструкции, а также металлоемкость, при этом сохраняя необходимые прочностные характеристики торцевой стены 1.
В некоторых случаях длина каждого сужающегося концевого участка 9 усиливающих накладок 7 может составлять по большей мере 0,25 от общей длины усиливающей накладки 7. Большее значение не обеспечит достаточную прочность и надежность горизонтального пояса 5, поскольку возникающие в таком случае в данном горизонтальном поясе напряжения будут превышать допускаемые, что в эксплуатации приведет к возникновению трещин и возможному последующему разрушению.
Длина усиливающих накладок 7 может быть равна интервалу от 500 до 3000 мм, ширина усиливающих накладок 7 может быть равна интервалу от 50 до 170 мм, а толщина усиливающих накладок 7 может быть равна интервалу от 4 до 16 мм. Указанные интервалы характеризуют оптимальные размеры усиливающей накладки 7, позволяющие приблизить напряжение в торцевой стене 1 к максимально допустимому значению, тем самым избавляя от лишней металлоемкости конструкцию и при этом, сохраняя необходимую прочность торцевой стены 1. Данные интервалы значений получены после проведения прочностных расчетов, а также в результате экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность теоретических выводов.
В зависимости от характера действующих напряжений в торцевой стене 1 могут быть использованы усиливающие накладки 7 различной длины и толщины. В свою очередь, напряжения зависят также от расположения горизонтальных поясов 5 и вертикальных элементов 6. Максимальные напряжения действуют в верхних горизонтальных поясах 5 торцевой стены 1 и уменьшаются от центра к их краям в направлении ширины торцевой стены 1. Таким образом, выбирая размеры из предложенных интервалов, например, увеличивая толщину усиливающей накладки 7, в зависимости от параметра вагона, появляется возможность исполнения конструкции торцевой стены 1 без среднего и дополнительных вертикальных элементов (как в ближайшем аналоге). Это обеспечивается благодаря тому, что повышается прочность торцевой стены 1 за счет увеличения общего поперечного сечения профиля горизонтального пояса 5 с установленной на него усиливающей накладкой 7. Предложенный пример торцевой стены 1 существенно снизит металлоемкость конструкции, позволит уменьшить трудозатраты, а также увеличить технологичность изготовления торцевой стены.
Предложенная форма усиливающей накладки в виде вытянутого шестиугольника с двумя противоположными сужающимися концевыми участками и средним участком по существу с параллельными кромками обеспечивает высокую технологичность в изготовлении.
Также крайние боковые вершины сужающихся концевых участков усиливающей накладки могут быть выполнены в виде скругленных вершин. Такое исполнение снижает концентрацию напряжений, что делает форму усиливающей накладки более прочной.
Кроме этого, крайние боковые вершины сужающихся концевых участков усиливающей накладки могут быть выполнены в виде срезанных вершин (фиг. 4). Такое исполнение обеспечивает технологичность усиливающей накладки с такой формой.
В качестве примера, в глуходонном полувагоне используют торцевую стену шириной 3,2 м, на которой на два верхних горизонтальных пояса установлены усиливающие накладки. Предлагаемый полувагон служит для перевозки сыпучих грузов, поэтому целесообразно использовать усиливающие накладки размером 1500×85×8 мм, длина сужающихся концевых участков 280 мм (0,186 от общей длины накладки). Усиливающие накладки с предложенными размерами удовлетворяют нормам прочности, при этом уменьшение длины сужающихся концевых участков не ухудшит прочность, но увеличит металлоемкость конструкции. Таким образом, выбор данной длины сужающихся концевых участков 9 усиливающей накладки 7 обеспечивает прочностные показатели одновременно с минимальной металлоемкостью.
В качестве еще одного примера, в таком же глуходонном полувагоне используют торцевую стену шириной 3,2 м, на которой на два верхних горизонтальных пояса установлены усиливающие накладки размером 1500×60×8 мм, длина сужающихся концевых участков 280 мм.
Таким образом, совокупность признаков предлагаемой конструкции обеспечивает прочностные показатели торцевой стены в сочетании с минимальной материалоемкостью, а также реализуется в целом улучшенная конструкция железнодорожного грузового вагона, обладающего повышенной технологичностью.
Настоящая полезная модель не ограничена конкретными примерами, раскрытыми в описании в иллюстративных целях, и охватывает все возможные модификации и альтернативы, входящие в объем настоящей полезной модели, определенный формулой полезной модели.