УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ВЕРХНИХ ОБВЯЗОК БОКОВОЙ И ТОРЦЕВОЙ СТЕН КУЗОВА ПОЛУВАГОНА (ВАРИАНТЫ)
CONNECTION JOINT OF TOP CORDS OF LATERAL AND END WALLS OF OPEN BOX CAR BODY (VERSIONS)

Заявляемое изобретение относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции кузовов полувагонов, в частности конструкции боковых и торцевых стен, а также узла соединения стен между собой.
Известна конструкция железнодорожного полувагона [патент США №6601522 от 05.08.2003], содержащая раму, на которой установлены боковые и торцевые стены, состоящие из верхней обвязки (верхнего бруса), стоек, поясов и листов обшивки. Верхняя обвязка боковой стены выполнена замкнутого сечения из профиля сложной конфигурации, на верхней поверхности обвязки выполнен паз, а на нижней поверхности выполнен выступ для крепления обшивки. Верхняя обвязка торцевой стены изготовлена из профиля швеллерообразной неравнополочной конфигурации, на верхней поверхности обвязки также выполнен паз. Соединение верхних обвязок происходит посредством углового колпака, выполненного в виде плоской пластины с прямоугольными участками, расположенными под углом 90° относительно друг друга, которые соединены между собой дугообразным участком. На нижней поверхности углового колпака с внутренней стороны выполнен плавно восходящий и нисходящий бурт, такой же бурт выполнен на верхней поверхности углового колпака с внешней стороны. Также на прямоугольных участках на нижней поверхности колпак имеет прямоугольные выступы, повторяющие форму и размеры прямоугольных пазов на верхних обвязках. Угловой колпак устанавливается выступами в пазы верхних обвязок и связывает обвязки между собой.
Одним из существенных недостатков данной конструкции является сложность изготовления профилей верхних обвязок и углового колпака, при этом верхние обвязки не имеют прямого соединения между собой, что уменьшает прочностные качества кузова.
Также известна конструкция узла соединения верхних обвязок боковой и торцевой стен кузова железнодорожного грузового вагона [патент РФ на полезную модель №104126, опубликован 10.05.2011], содержащая верхнюю и нижнюю накладки, жестко закрепленные на одном конце верхней обвязки боковой стены и выступающие за торец верхней обвязки боковой стены. Верхняя накладка закреплена на верхней поверхности, а нижняя накладка закреплена на нижней поверхности верхней обвязки боковой стены. Верхняя и нижняя накладки выступают за торец верхней обвязки боковой стены на одинаковую величину, при этом в выступающих частях каждой накладки выполнено отверстие. Между выступающими частями обеих накладок размещен конец верхней обвязки торцевой стены, в котором также выполнено сквозное отверстие. В отверстия накладок и верхней обвязки торцевой стены установлен стержень, который связывает все три элемента.
Данная конструкция выбрана в качестве прототипа для всех вариантов предлагаемой конструкции.
Недостатком данной конструкции является то, что в конструкции узла соединения верхних обвязок боковой и торцевой стен кузова железнодорожного грузового вагона имеется выступание стержня за верхнюю поверхность верхней накладки. Этот факт при разгрузке полувагона в вагоноопрокидывателе приводит к перекосу кузова относительно опорных лап вибратора, на которые кузов опирается после прохождения угла поворота более 45°. Перекос кузова относительно лап вибратора при частых разгрузках в вагоноопрокидывателях приводит к образованию различных трещин в сварных швах и деталях, соединяющих боковые и торцевые стены. Также из-за малого сечения стержня или площади планки, прикрывающей основание стержня, на угловых лапах вибратора вагоноопрокидывателя происходит увеличение износа предохранительного резинового покрытия. Кроме того, отсутствие герметичности в узле соединения обвязок приводит к просыпанию груза и попаданию влаги во внутреннюю полость узла, что приводит к коррозии деталей узла.
Кроме того, шарнирное соединение верхних обвязок отрицательно сказывается на основном вертикальном сварном шве приварки боковой стены к торцевой стене. В процессе эксплуатации, так как верхние обвязки имеют подвижность в горизонтальной плоскости, колебания с верхних обвязок передаются ниже на основной сварной шов, соединяющий боковую и торцевую стену, что приведет к образованию трещин в этом сварном шве и нарушению герметичности соединение боковой и торцевой стен кузова.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение по всем вариантам, является создание конструкции узла соединения верхних обвязок боковой и торцевой стен кузова полувагона, обладающей повышенной жесткостью, прочностью, выносливостью и герметичностью, повышающими долговечность кузова полувагона, а также улучшающими эксплуатационные качества полувагона с целью сохранения разгрузочного оборудования, в частности вагоноопрокидывателя.
Сущность предлагаемой конструкции по первому варианту заключается в том, что узел соединения верхних обвязок боковой и торцевой стен кузова полувагона содержит боковые и торцевые стены, состоящие из листов обшивки и металлических каркасов, включающих в себя, по крайней мере, стойки и верхние обвязки, при этом верхние обвязки состоят из одного или нескольких продольных элементов, также верхняя обвязка торцевой стены продлена торцевой гранью за боковую поверхность верхней обвязки боковой стены, направленную во внутреннюю сторону узла, вместе с этим, на нижнюю поверхность верхней обвязки боковой стены установлен элемент жесткости, выходящий одной гранью за боковую поверхность верхней обвязки торцевой стены, направленную во внешнюю сторону узла, кроме того, на верхнюю и внешнюю боковую поверхности верхней обвязки боковой стены, а также верхнюю поверхность и торец верхней обвязки торцевой стены установлен соединительный элемент в форме уголка, каждая полка которого имеет участки меньшей (а, b) и большей (с, d) ширины, участки меньшей ширины на обеих полках соединительного элемента обеспечивают его приварку к верхней и внешней боковой поверхностям верхней обвязки боковой стены, а участки большей ширины обеспечивают соединение вертикальной полки соединительного элемента с элементом жесткости, установленным на нижней поверхности верхней обвязки боковой стены, и соединение горизонтальной полки соединительного элемента с верхней поверхностью верхней обвязки торцевой стены.
Также на полках соединительного элемента контуры переходов от меньших участков по ширине (а, b) к большим (с, d) выполнены в виде ломаных линий или контуры переходов от меньших участков по ширине (а, b) к большим (с, d) выполнены отрезками, соединенными между собой дугами, или контуры переходов от меньших участков по ширине (а, b) к большим (с, d) выполнены в виде дуг, соединенных между собой, или контуры переходов от меньших участков по ширине (а, b) к большим (с, d) выполнены в виде лекальных кривых, соединенных между собой, или контуры переходов от меньших участков по ширине (а, b) к большим (с, d) выполнены отрезками, соединенными между собой лекальными кривыми.
Кроме того, верхняя обвязка боковой стены выполнена из нижнего и верхнего продольных элементов, при этом нижний продольный элемент обвязки длиннее верхнего элемента, а в верхней обвязке торцевой стены в концевой части на верхней, торцевой и боковой внутренней поверхностях выполнен паз, обеспечивающий зазор между длинным продольным элементом верхней обвязки боковой стены и верхней обвязкой торцевой стены, или в верхней обвязке торцевой стены в концевой части на верхней, торцевой и боковой внутренней поверхностях выполнен срез под углом, также обеспечивающий зазор между длинным продольным элементом верхней обвязки боковой стены и верхней обвязкой торцевой стены.
Помимо этого, внутри верхней обвязки боковой стены установлено ребро параллельно торцевой грани верхней обвязки боковой стены на расстоянии от торца обвязки в пределах ширины угловой стойки. Также внутри верхней обвязки торцевой стены установлено ребро параллельно торцевой грани верхней обвязки торцевой стены между торцом обвязки и внутренней боковой поверхностью верхней обвязки боковой стены.
Верхняя обвязка торцевой стены имеет коробчатое сечение, содержит вертикальные и горизонтальные несущие элементы, кроме того, на нижнюю поверхность элемента жесткости, приваренного к нижней поверхности верхней обвязки боковой стены, установлены ребра в районе несущих вертикальных элементов верхней обвязки торцевой стены.
С внутренней стороны кузова установлено усиление, выполненное из двух многоугольных планок, соединенных между собой, при этом усиление приварено ниже верхних поверхностей верхних обвязок.
Сущность предлагаемой конструкции по второму варианту заключается в том, что узел соединения верхних обвязок боковой и торцевой стен кузова полувагона содержит боковые и торцевые стены, состоящие из листов обшивки и металлических каркасов, включающих в себя, по крайней мере, стойки и верхние обвязки, при этом верхние обвязки состоят из одного или нескольких продольных элементов, также верхняя обвязка торцевой стены продлена торцевой гранью за боковую поверхность верхней обвязки боковой стены, направленную во внутреннюю сторону узла, вместе с этим, на нижнюю поверхность верхней обвязки боковой стены установлен элемент жесткости, выходящий одной гранью за боковую поверхность верхней обвязки торцевой стены, направленную во внешнюю сторону узла, при этом на верхние поверхности верхних обвязок боковой и торцевой стен установлена планка, выполненная в форме многоугольника, разбиваемого на несколько простых геометрических фигур, по крайней мере, на прямоугольник, трапецию и треугольник, при этом большая сторона основания трапеции и большая сторона прямоугольника лежат на одной прямой, а сами фигуры расположены по разные стороны от этой прямой, также точка начала большой стороны основания трапеции совпадает с точкой начала большой стороны прямоугольника, к которой прилегает трапеция, кроме того, к внутреннему углу, образовавшемуся от соединения трапеции и прямоугольника, присоединен треугольник, соединяющий трапецию и прямоугольник, также на внешнюю боковую поверхность верхней обвязки боковой стены установлена вертикально планка, состоящая из участка меньшей (е) и большей (f) высоты, участок меньшей высоты обеспечивает приварку планки к внешней боковой поверхности верхней обвязки боковой стены, а участок большей высоты обеспечивает сварное соединение с элементом жесткости, установленным на нижней поверхности верхней обвязки боковой стены, и соединение с верхней поверхностью верхней обвязки торцевой стены.
Кроме того, у многоугольной планки все углы скруглены, при этом углы, направленные внутрь планки, скруглены большим радиусом, чем углы, направленные наружу многоугольной планки.
Также в многоугольной планке выполнены круглые сквозные отверстия для дополнительной приварки планки электрозаклепками к верхним поверхностям верхних обвязок боковой и торцевой стен, или для дополнительной приварки планки к верхним поверхностям верхних обвязок боковой и торцевой стен выполнены сквозные отверстия вытянутой формы различной конфигурации.
С внутренней стороны кузова под углом установлена планка, которая приварена к нижней поверхности многоугольной планки, к внутренней поверхности боковой стены и к внутренней поверхности торцевой стены.
Верхняя обвязка торцевой стены имеет коробчатое сечение, содержит вертикальные и горизонтальные несущие элементы, кроме того, на нижнюю поверхность элемента жесткости, приваренного к нижней поверхности верхней обвязки боковой стены, установлены ребра, которые расположены в районе несущих вертикальных элементов верхней обвязки торцевой стены, вместе с этим, на нижней поверхности верхней обвязки боковой стены установлено, по крайней мере, одно ребро жесткости.
Сущность предлагаемой конструкции по третьему варианту заключается в том, что узел соединения верхних обвязок боковой и торцевой стен кузова полувагона содержит боковые и торцевые стены, состоящие из листов обшивки и металлических каркасов, включающих в себя, по крайней мере, стойки и верхние обвязки, при этом верхние обвязки состоят из одного или нескольких продольных элементов, также верхняя обвязка торцевой стены продлена торцевой гранью за боковую поверхность верхней обвязки боковой стены, направленную во внутреннюю сторону узла, кроме того, в концевых частях верхних обвязок боковых стен выполнены пазы, в которые установлены концевые части верхних обвязок торцевых стен.
Верхняя обвязка торцевой стены имеет коробчатое сечение, содержит вертикальные и горизонтальные несущие элементы, кроме того, на нижней поверхности верхней обвязки боковой стены установлены ребра жесткости, которые расположены в районе несущих вертикальных элементов верхней обвязки торцевой стены
На верхние поверхности верхних обвязок торцевой и боковой стен установлена планка, перекрывающая часть паза.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами:
Фиг.1 - общий вид кузова полувагона по первому варианту;
Фиг.2 - выносной элемент А фиг.1;
Фиг.3 - вид Б фиг.2;
Фиг.4 - разрез В-В фиг.2;
Фиг.5 - соединительный элемент фиг.2, фиг.3 (вариант исполнения);
Фиг.6 - соединительный элемент фиг.2, фиг.3 (вариант исполнения);
Фиг.7 - соединительный элемент фиг.2, фиг.3 (вариант исполнения);
Фиг.8 - соединительный элемент фиг.2, фиг.3 (вариант исполнения);
Фиг.9 - соединительный элемент фиг.2, фиг.3 (вариант исполнения);
Фиг.10 - паз в концевой части верхней обвязки торцевой стены и установка внутренних ребер в верхние обвязки боковой и торцевой стен фиг.3 (соединительный элемент не показан);
Фиг.11 - срез в концевой части верхней обвязки торцевой стены и установка внутренних ребер в верхние обвязки боковой и торцевой стен фиг.3 (соединительный элемент не показан);
Фиг.12 - общий вид кузова полувагона по второму варианту;
Фиг.13 - выносной элемент Г фиг.12;
Фиг.14 - вид Д фиг.13;
Фиг.15 - разрез Е-Е фиг.13;
Фиг.16 - многоугольная планка из составных фигур фиг.14 (стены кузова не показаны);
Фиг.17 - многоугольная планка фиг.14 (вариант исполнения);
Фиг.18 - многоугольная планка фиг.14 (вариант исполнения);
Фиг.19 - многоугольная планка фиг.14 (вариант исполнения);
Фиг.20 - общий вид кузова полувагона по третьему варианту;
Фиг.21 - выносной элемент Ж фиг.20;
Фиг.22 - вид И фиг.21.
Узел соединения верхних обвязок боковой и торцевой стен кузова полувагона по первому варианту содержит боковые 1 и торцевые 2 стены, состоящие из листов обшивки 3 и металлических каркасов 4, включающих в себя, по крайней мере, стойки 5 и верхние обвязки 6, 7. Верхние обвязки 6, 7 состоят из одного или нескольких продольных элементов. Верхняя обвязка 7 торцевой стены 2 продлена торцевой гранью 8 за боковую поверхность 9 (направлена во внутреннюю сторону узла) верхней обвязки 6 боковой стены 1. На нижнюю поверхность 10 верхней обвязки 6 боковой стены 1 установлен элемент жесткости 11, выходящий одной гранью 12 за боковую поверхность 13 (направлена во внешнюю сторону узла) верхней обвязки 7 торцевой стены 2. На верхнюю 14 и внешнюю боковую 15 поверхности верхней обвязки 6 боковой стены 1 установлен соединительный элемент 16 в форме уголка (одна полка в горизонтальной плоскости, другая в вертикальной плоскости), каждая полка (17, 18) которого имеет участки меньшей (а, b) и большей (с, d) ширины. Участки меньшей ширины на обеих полках 17, 18 соединительного элемента 16 обеспечивают его приварку к верхней обвязке 6 боковой стены 1, а именно: горизонтальной полки 18 к верхней поверхности 14, а вертикальной полки 17 к боковой поверхности 15. Участки большей ширины обеспечивают сварное соединение вертикальной полки 17 соединительного элемента 16 с элементом жесткости 11 и соединение горизонтальной полки 18 соединительного элемента 16 с верхней поверхностью 19 верхней обвязки 7 торцевой стены 2.
Соединительный элемент 16 может быть выполнен в нескольких исполнениях:
- на полках 17, 18 соединительного элемента 16 контуры переходов от меньших участков по ширине (а, b) к большим (с, d) выполнены в виде ломаных линий;
- на полках 17, 18 соединительного элемента 1 6 контуры переходов от меньших участков по ширине (а, b) к большим (с, d) выполнены отрезками, соединенными между собой дугами;
- на полках 17, 18 соединительного элемента 16 контуры переходов от меньших участков по ширине (а, b) к большим (с, d) выполнены в виде дуг, соединенных между собой;
- на полках 17, 18 соединительного элемента 16 контуры переходов от меньших участков по ширине (а, b) к большим (с, d) выполнены в виде лекальных кривых, соединенных между собой;
- на полках 17, 18 соединительного элемента 16 контуры переходов от меньших участков по ширине (а, b) к большим (с, d) выполнены отрезками, соединенными между собой лекальными кривыми.
Верхняя обвязка 6 боковой стены 1 выполнена из нижнего 20 и верхнего 21 продольных элементов, при этом нижний продольный элемент 20 обвязки 6 длиннее верхнего элемента 21, а в верхней обвязке 7 торцевой стены 2 в концевой части на верхней 19, торцевой 8 и боковой внутренней поверхностях выполнен паз 22 или срез под углом 23, обеспечивающие зазор (g).
Кроме того, внутри верхней обвязки 6 боковой стены 1 установлено ребро 24 параллельно торцевой грани 25 верхней обвязки 6 боковой стены 1, на расстоянии от торца 25 обвязки 6 в пределах ширины угловой стойки 5. Также внутри верхней обвязки 7 торцевой стены 2 установлено ребро 26 параллельно торцевой грани 8 верхней обвязки 7 торцевой стены 2 между торцом 8 обвязки 7 и внутренней боковой поверхностью 9 верхней обвязки 6 боковой стены 1.
Верхняя обвязка 7 торцевой стены 2 имеет коробчатое сечение (состоит из швеллера и планки), содержит вертикальные 27, 28 (полки швеллера) и горизонтальные 29, 30 (стенка швеллера и планка) несущие элементы, кроме того, на нижнюю поверхность 31 элемента жесткости 11 установлены ребра 32, которые расположены в районе вертикальных элементов 27, 28.
С внутренней стороны кузова установлено усиление 33, выполненное из двух многоугольных планок 34, 35, соединенных между собой под углом, при этом усиление приварено ниже верхних плоскостей 14, 19 верхних обвязок 6, 7.
Узел соединения верхних обвязок боковой и торцевой стен кузова полувагона по второму варианту содержит боковые 1 и торцевые 2 стены, состоящие из листов обшивки 3 и металлических каркасов 4, включающих в себя, по крайней мере, стойки 5 и верхние обвязки 6, 7. Верхние обвязки 6, 7 состоят из одного или нескольких продольных элементов. Верхняя обвязка 7 торцевой стены 2 продлена торцевой гранью 8 за боковую поверхность 9 (направлена во внутреннюю сторону узла) верхней обвязки 6 боковой стены 1. На нижнюю поверхность 36 верхней обвязки 6 боковой стены 1 установлен элемент жесткости 37, выходящий одной гранью 38 за боковую поверхность 39 (направлена во внешнюю сторону узла) верхней обвязки 7 торцевой стены 2. На верхние поверхности 40, 41 верхних обвязок 6, 7 боковой 1 и торцевой 2 стен установлена планка 42, выполненная в форме многоугольника. Планка 42 может быть разбита на несколько простых геометрических фигур. Допустим, планка 42 разбита на прямоугольник 43, трапецию 44 и треугольник 45, при этом большая сторона 46 основания трапеции 44 и большая сторона 47 прямоугольника 43 лежат на одной прямой, а сами фигуры 43, 44 расположены по разные стороны от этой прямой, также точка 48 начала большой стороны 46 основания трапеции 44 совпадает с точкой 49 начала большой стороны 47 прямоугольника 43, к которой прилегает трапеция 44, кроме того, к внутреннему углу (а), образовавшемуся от соединения трапеции 44 и прямоугольника 43, присоединен треугольник 45. Также планка 42 может быть разбита на несколько трапеций и прямоугольник или на несколько треугольников и несколько прямоугольников. На внешнюю боковую поверхность 50 верхней обвязки 6 боковой стены 1 установлена вертикально планка 51, состоящая из участка меньшей (е) и большей (f) высоты. Участок меньшей высоты (е) обеспечивает приварку планки 51 к внешней боковой поверхности 50 верхней обвязки 6 боковой стены 1, а участок большей высоты (f) обеспечивает сварное соединение планки 51 с элементом жесткости 37 и с верхней поверхностью 41 верхней обвязки 7 торцевой стены 2.
У многоугольной планки 42 все углы скруглены, при этом углы (β и γ), направленные внутрь планки 42, скруглены большим радиусом, чем углы, направленные наружу.
Многоугольная планка 42 может быть выполнена с круглыми сквозными отверстиями 52 или с вытянутыми сквозными отверстиями 53 различной конфигурации.
Также с внутренней стороны кузова установлена планка 54, приваренная к нижней поверхности 55 многоугольной планки 42, к внутренней поверхности 56 боковой стены 1 и к внутренней поверхности 57 торцевой стены 2.
Верхняя обвязка 7 торцевой стены 2 имеет коробчатое сечение (состоит из швеллера и планки), содержит вертикальные 58, 59 (полки швеллера) и горизонтальные 60, 61 (стенка швеллера и планка) несущие элементы, при этом на нижнюю поверхность 62 элемента жесткости 37 установлены ребра 63, которые расположены в районе вертикальных элементов 58, 59. Также на нижней поверхности 36 верхней обвязки 6 боковой стены 1 установлено ребро жесткости 64.
Узел соединения верхних обвязок боковой и торцевой стен кузова полувагона по третьему варианту содержит боковые 1 и торцевые 2 стены, состоящие из листов обшивки 3 и металлических каркасов 4, включающих в себя, по крайней мере, стойки 5 и верхние обвязки 6, 7. Верхние обвязки 6, 7 состоят из одного или нескольких продольных элементов. Верхняя обвязка 7 торцевой стены 2 продлена торцевой гранью 8 за боковую поверхность 9 (направлена во внутреннюю сторону узла) верхней обвязки 6 боковой стены 1. В концевых частях верхней обвязки 6 боковой стены 1 выполнены пазы 65, в которые установлены концевые части верхних обвязок 7 торцевых стен 2.
Верхняя обвязка 7 торцевой стены 2 имеет коробчатое сечение (состоит из швеллера и планки), содержит вертикальные 66, 67 (полки швеллера) и горизонтальные 68, 69 (стенка швеллера и планка) несущие элементы, при этом на нижней поверхности 70 верхней обвязки 6 боковой стены 1 установлены ребра жесткости 71, которые расположены в районе вертикальных элементов 66, 67.
Также на верхние поверхности 72, 73 верхних обвязок 6, 7 боковой 1 и торцевой 2 стен установлена планка 74 различной конфигурации, перекрывающая часть паза 65.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в том, что узел соединения верхних обвязок боковой и торцевой стен кузова полувагона предлагаемой конструкции во всех трех вариантах исполнения позволяет обеспечить повышение прочности узла соединение. Также при условии соблюдения требований ГОСТ 22235-2010 предлагаемая конструкция обеспечивает выносливость узла соединения верхних обвязок, то есть трещины в сварных швах и деталях узла образовываются через длительный промежуток времени, а когда трещины образовались, то развитие их до размера, разрешенного эксплуатационной документацией, происходит медленно или вообще не происходит, при этом развитие дефектов до размеров, влияющих на безопасность эксплуатации полувагона, в период между плановыми видами ремонта, не происходит вовсе.
Вместе с этим, предлагаемая конструкция узел соединения верхних обвязок боковой и торцевой стен кузова полувагона обеспечивает герметичность в узле соединения обвязок, тем самым исключает попадание влаги во внутреннюю полость узла, что уменьшает коррозию деталей узла.
Кроме того, увеличение верхних поверхностей соединительных элементов или планок, установленных на верхние поверхности верхних обвязок боковой и торцевой стен, в сочетании со сглаженными контурами соединительных элементов или планок позволяет уменьшить число точек всплеска нагрузок, а также их числовые показатели на опорные лапы вагоноопрокидывателя, что в свою очередь приводит к уменьшению повреждаемости резинового покрытия лап вагоноопрокидывателя и сохранности разгрузочного оборудования в целом.
В настоящее время на заявляемое изобретение разработана конструкторская документация и проводятся всесторонние испытания опытных образцов.