БОКОВАЯ РАМА ТРЕХОСНОЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ТЕЛЕЖКИ

Заявляемая полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции боковой рамы трехосной тележки грузового железнодорожного вагона.
Из патента РФ № 206565 на полезную модель известна боковая рама трехосной тележки грузового железнодорожного вагона, представляющая собой отливку коробчатого сечения из углеродистой стали, состоящей из верхнего и нижнего горизонтальных поясов, соединенных между собой вертикальными колонками, образующими совместно с горизонтальными поясами рессорный проем для размещения рессорного комплекта и концевой части надрессорной балки, с расположенными на опорной поверхности нижнего пояса внутренними и наружными фиксаторами положения пружин рессорного комплекта, с концевой частью, имеющей проем шириной d, для установки крайней колесной пары тележки, с концевой частью, для установки на балансир средней колесной пары тележки, с кронштейнами для установки подвесок триангелей, при этом нижняя горизонтальная стенка проема, для размещения крайней колесной пары, имеет переменную толщину, выполненную на участке перехода в наружный радиус проема, начинающемся на расстоянии d/2 от края проема, при этом отношение толщины стенки (b) внутреннего радиуса проема к толщине стенки (a) наружного радиуса находится в пределах 1,2-1,8. Внутренний и наружный радиусы (R) проема для размещения колесной пары могут быть выполнены в диапазоне от 57 до 63 мм.
Полезная модель по патенту № 206565 обеспечивает повышение эксплуатационной надежности зоны внутреннего радиуса буксового проема боковой рамы трехосной тележки грузового железнодорожного вагона за счет улучшения показателей сопротивления усталости в зоне сопряжения горизонтального надбуксового участка с радиусным переходом верхнего участка внутренней челюстной направляющей.
Недостатком полезной модели по патенту 206565 является то, что она улучшает показатели надежности боковой рамы трехосной тележки только на отдельном ее участке – в зоне буксового проема.
Из патента РФ № 214895 известна боковая рама трехосной тележки грузового железнодорожного вагона, представляющая собой отливку коробчатого сечения, состоящую из верхнего и нижнего горизонтальных поясов, соединенных между собой вертикальными колонками, и образующими совместно с горизонтальными поясами рессорный проем, при этом с одной концевой части выполнен проем для установки крайней колесной пары тележки, а с другой концевой части выполнено отверстие для обеспечения шарнирного соединения с балансиром средней колесной пары тележки, при этом между вертикальными стенками вертикальной колонки со стороны проема для установки крайней колесной пары тележки выполнена перемычка, один конец которой влит во внутренний радиус проема для установки крайней колесной пары тележки, а другой - в нижний радиус рессорного проема, а переход перемычки от внутреннего радиуса проема для установки крайней колесной пары тележки в нижний радиус рессорного проема выполнен под углом α, при этом внутренний радиус (R1) нижнего угла рессорного проема имеет центр, совпадающий с центром наружного радиуса (R2).
Полезная модель по патенту № 214895 обеспечивает повышение прочностных и усталостных характеристик боковой рамы трехосной тележки за счет снижения напряжений в зоне внутреннего радиуса проема для установки крайней колесной пары тележки.
Недостатком полезной модели по патенту 214895 является то, что она улучшает показатели надежности боковой рамы трехосной тележки только на отдельном ее участке – в зоне буксового проема.
Полезная модель по патенту № 214895 выбрана в качестве наиболее близкого аналога.
Техническая проблема, решаемая предлагаемой полезной моделью, - устранение недостатков аналогов.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, - обеспечение прочности и надежности боковой рамы трехосной железнодорожной тележки в процессе эксплуатации за счет снижения напряженностей на всех участках верхнего и нижнего поясов боковой рамы трехосной железнодорожной тележки при нагрузках, соответствующих эксплуатационным.
Технический результат достигается за счет того, что в боковой раме трехосной железнодорожной тележки, представляющей собой отливку коробчатого сечения, содержащую верхний и нижний пояса, объединяющие части боковой рамы, содержащие участок рессорного проема, образованный между верхним и нижним горизонтальными поясами рессорного проема, соединенными между собой боковыми колонками, выполненными вертикальными на верхнем участке и  образующими совместно с указанными горизонтальными поясами рессорный проем для размещения рессорного комплекта, первую концевую часть, примыкающую к участку рессорного проема с одной стороны и имеющую проем для установки крайней колесной пары тележки, ограниченный внутренней и наружной челюстями, вторую концевую часть для установки на балансир средней колесной пары тележки, примыкающую к рессорному проему с другой стороны, верхний пояс первой концевой части сопряжен с одной стороны с верхним горизонтальным поясом рессорного проема, а с другой стороны сопряжен с наружной стенкой наружной челюсти, нижний пояс первой концевой части содержит горизонтальный участок, который с одной стороны сопряжен с внутренней челюстью, а с другой стороны сопряжен с внутренней стенкой наружной челюсти, внутренняя челюсть в нижней части сопряжена с вертикальным участком, который, в свою очередь, сопряжен с нижним горизонтальным поясом рессорного проема, верхний и нижний пояса второй концевой части содержат горизонтальные участки, при этом горизонтальный участок верхнего пояса второй концевой части с одной стороны сопряжен с наклонным крайним участком, а с другой стороны сопряжен с верхним горизонтальным поясом рессорного проема, горизонтальный участок нижнего пояса второй концевой части, предназначенный для установки на балансир, с одной стороны сопряжен с наклонным крайним участком, а с другой стороны сопряжен со вторым наклонным участком, который, в свою очередь, сопряжен с нижним горизонтальным поясом рессорного проема, при этом рессорный проем выполнен с опорной поверхностью с фиксаторами положения пружин рессорного комплекта, согласно полезной модели сопряжения частей верхнего и нижнего пояса боковой рамы выполнены плавными,  толщина верхнего и нижнего горизонтальных поясов рессорного проема составляет 14÷20 мм, толщина верхнего пояса первой концевой части и наружной стенки наружной челюсти составляет 14÷20 мм, горизонтальный участок нижнего пояса первой концевой части выполнен толщиной 28÷42 мм, толщина горизонтального участка верхнего пояса второй концевой части составляет 30÷40 мм, при этом плавный переход толщины 14÷20 мм верхнего горизонтального пояса рессорного проема на толщину 20÷30 мм горизонтального участка верхнего пояса второй концевой части осуществлен на участке их сопряжения с длиной, равной 320 ÷ 360 мм, толщина наружной стенки крайнего наклонного участка верхнего пояса второго концевого участка составляет 14÷20 мм, толщина наружной стенки наружной челюсти составляет 14÷20 мм,  толщина внутренней стенки наружной челюсти составляет 20÷30 мм,  толщина горизонтального участка нижнего пояса первой концевой части составляет 28÷40 мм, толщина стенки внутренней челюсти и вертикального участка первой концевой части, сопряженного с внутренней челюстью, составляет 25÷35 мм, толщина стенки участка сопряжения вертикального участка первой концевой части и нижнего горизонтального пояса рессорного проема составляет 25÷35 мм, толщина второго наклонного участка нижнего пояса второй концевой части составляет 25÷35 мм, при этом изменение толщины на указанном участке сопряжения осуществляется плавно, толщина горизонтального участка нижнего пояса второй концевой части составляет 30 ÷ 40 мм, при этом изменение толщины на участке сопряжения второго наклонного участка и горизонтального участка нижнего пояса второй концевой части осуществляется плавно.
Плавные сопряжения участков верхнего и нижнего пояса выполнены радиусными, кроме сопряжения верхнего горизонтального пояса рессорного проема и горизонтального участка верхнего пояса второй концевой части.
Радиус сопряжения верхнего пояса первой концевой части с наружной стенкой наружной челюсти составляет 100÷140 мм.
Радиус сопряжения горизонтального участка нижнего пояса первой концевой части с внутренней стенкой наружной челюсти составляет 50÷70 мм.
Горизонтальный участок нижнего пояса первой концевой части с внутренней челюстью соединен тремя радиусами, составляющими 10÷20 мм, 50÷70 мм, 130÷170 мм.
Радиус сопряжения внутренней челюсти с вертикальным участком, сопряженным с нижним горизонтальным поясом рессорного проема, составляет 15 ÷ 35 мм.
Радиус сопряжения вертикального участка первой концевой части с нижним горизонтальным поясом рессорного проема составляет 80÷120 мм.
Радиус сопряжения нижнего горизонтального пояса рессорного проема со вторым наклонным участком нижнего пояса второй концевой части составляет 130÷170 мм.
Радиус сопряжения второго наклонного участка нижнего пояса второй концевой части с горизонтальным участком нижнего пояса второй концевой части составляет 260÷310 мм.
Радиус сопряжения горизонтального участка нижнего пояса второй концевой части с наклонным крайним участком второй концевой части составляет 240 ÷ 260 мм.
Радиус сопряжения верхнего пояса второй концевой части с наклонным крайним участком второй концевой части составляет 360 ÷ 420 мм.
Заявляемая полезная модель поясняется фигурами.
На фиг. 1 изображена заявляемая боковая рама – вид сбоку.
На фиг. 2 изображено первое продольное вертикальное сечение заявляемой рамы.
На фиг. 3 изображено второе продольное вертикальное сечение заявляемой рамы.
На фиг. 4 показано распределение напряженностей на боковую раму при заявленных параметрах при нагрузках.
Позиции на фигурах:
1 – рессорный проем;
2 – верхний горизонтальный пояс рессорного проема;
3 – нижний горизонтальный пояс рессорного проема;
4 – боковые колонки;
5 – первая концевая часть;
6 – проем первой концевой части;
7 – внутренняя челюсть;
8 – наружная челюсть;
9 – вторая концевая часть;
10 – верхний пояс первой концевой части;
11 – наружная стенка наружной челюсти;
12 – горизонтальный участок нижнего пояса первой концевой части;
13 – внутренняя стенка наружной челюсти;
14 – вертикальный участок первой концевой части;
15 – горизонтальный участок верхнего пояса второй концевой части;
16 – наклонный крайний участок второй концевой части;
17 – горизонтальный участок нижнего пояса второй концевой части;
18 – второй наклонный участок второй концевой части;
19 – опорная поверхность рессорного проема;
20 – фиксаторы положения пружин;
Заявляемая боковая рама трехосной железнодорожной тележки представляет собой отливку коробчатого сечения и содержит верхний и нижний пояса, объединяющие части боковой рамы, содержащие участок рессорного проема 1, образованный между верхним 2 и нижним 3 горизонтальными поясами рессорного проема, соединенными между собой боковыми колонками 4, выполненными вертикальными на верхнем участке и  образующими совместно с указанными горизонтальными поясами 2, 3 рессорный проем 1 для размещения рессорного комплекта; первую концевую часть 5, примыкающую к участку рессорного проема 1 с одной стороны и имеющую проем 6 для установки крайней колесной пары тележки, ограниченный внутренней 7 и наружной 8 челюстями; вторую концевую часть 9 для установки на балансир средней колесной пары тележки, примыкающую к рессорному проему 1 с другой стороны; верхний пояс 10 первой концевой части 5 сопряжен с одной стороны с верхним горизонтальным поясом 1 рессорного проема, а с другой стороны сопряжен с наружной стенкой 11 наружной челюсти 8; нижний пояс первой концевой части содержит горизонтальный участок 12, который с одной стороны сопряжен с внутренней челюстью 7, а с другой стороны сопряжен с внутренней стенкой 13 наружной челюсти 8; внутренняя челюсть 7 в нижней части сопряжена с вертикальным участком 14, который, в свою очередь, сопряжен с нижним горизонтальным поясом 3 рессорного проема; верхний и нижний пояса второй концевой части 9 содержат горизонтальные участки, при этом горизонтальный участок 15 верхнего пояса второй концевой части 9 с одной стороны сопряжен с наклонным крайним участком 16, а с другой стороны сопряжен с верхним горизонтальным поясом 2 рессорного проема, горизонтальный участок 17 нижнего пояса второй концевой части 9, предназначенный для установки на балансир, с одной стороны сопряжен с наклонным крайним участком 16, а с другой стороны сопряжен со вторым наклонным участком 18, который, в свою очередь, сопряжен с нижним горизонтальным поясом 3 рессорного проема; при этом рессорный проем 1 выполнен с опорной поверхностью  19 с фиксаторами 20 положения пружин рессорного комплекта. Сопряжения частей верхнего и нижнего пояса боковой рамы выполнены плавными. Толщина верхнего 2 и нижнего 3 горизонтальных поясов рессорного проема 1 составляет 14÷20 мм; толщина верхнего пояса 10 первой концевой части и наружной стенки 11 наружной челюсти 8 составляет 14÷20 мм; горизонтальный участок 12 нижнего пояса первой концевой части 5 выполнен толщиной 28÷42 мм; толщина горизонтального участка 15 верхнего пояса второй концевой части 9 составляет 30÷40 мм; при этом плавный переход толщины 14÷20 мм верхнего горизонтального пояса 2 рессорного проема на толщину 20÷30 мм горизонтального участка 15 верхнего пояса второй концевой части 9 осуществлен на участке их сопряжения с длиной, равной 320 ÷ 360 мм; толщина наружной стенки крайнего наклонного участка 16 верхнего пояса второго концевого участка 9 составляет 14÷20 мм; толщина наружной стенки 11 наружной челюсти 8 составляет 14÷20 мм;  толщина внутренней стенки 13 наружной челюсти 8 составляет 20 ÷ 30 мм;  толщина горизонтального участка 12 нижнего пояса первой концевой части составляет 28÷40 мм; толщина стенки внутренней челюсти 7 и вертикального участка 14 первой концевой части, сопряженного с внутренней челюстью 7, составляет 25÷35 мм; толщина стенки участка сопряжения вертикального участка 14 первой концевой части и нижнего 3 горизонтального пояса рессорного проема составляет 25÷35 мм; толщина второго наклонного участка 18 нижнего пояса второй концевой части 9 составляет 25÷35 мм; при этом изменение толщины на указанном участке сопряжения осуществляется плавно; толщина горизонтального участка 17 нижнего пояса второй концевой части 9 составляет 30 ÷ 40 мм; при этом изменение толщины на участке сопряжения второго наклонного участка 18 и горизонтального участка 17 нижнего пояса второй концевой части 9 осуществляется плавно.
Плавные сопряжения участков верхнего и нижнего пояса выполнены радиусными, кроме сопряжения верхнего горизонтального пояса 2 рессорного проема и горизонтального участка 15 верхнего пояса второй концевой части.
Радиус сопряжения верхнего пояса первой концевой части 5 с наружной стенкой 11 наружной челюсти 8 составляет 100÷140 мм.
Радиус сопряжения горизонтального участка 12 нижнего пояса первой концевой части 5 с внутренней стенкой 13 наружной челюсти 8 составляет 50÷70 мм.
Горизонтальный участок 12 нижнего пояса первой концевой части 5 с внутренней челюстью 7 соединен тремя радиусами, составляющими 10÷20 мм, 50÷70 мм, 130÷170 мм.
Радиус сопряжения внутренней челюсти 7 с вертикальным участком 14, сопряженным с нижним горизонтальным поясом 3 рессорного проема, составляет 15 ÷ 35 мм.
Радиус сопряжения вертикального участка 14 первой концевой части с нижним горизонтальным поясом 3 рессорного проема составляет 80÷120 мм.
Радиус сопряжения нижнего горизонтального пояса 3 рессорного проема со вторым наклонным участком 18 нижнего пояса второй концевой части 9 составляет 130÷170 мм.
Радиус сопряжения второго наклонного участка 18 нижнего пояса второй концевой части 9 с горизонтальным участком 17 нижнего пояса второй концевой части составляет 260÷310 мм.
Радиус сопряжения горизонтального участка 17 нижнего пояса второй концевой части с наклонным крайним участком 16 второй концевой части составляет 240 ÷ 260 мм.
Радиус сопряжения верхнего пояса 15 второй концевой части с наклонным крайним участком 16 второй концевой части 9 составляет 360 ÷ 420 мм.
Плавные радиусные сопряжения участков верхнего и нижнего поясов заявляемой боковой рамы обеспечивают снижение напряженностей в местах перехода (изменения) геометрии.
Согласно полезной модели верхний 2 и нижний пояса 3 заявляемой боковой рамы на разных участках имеют различную толщину.
Разница в толщине обусловлена тем, что в процессе эксплуатации различные участки боковой рамы испытывают различные нагрузки. Геометрические параметры заявляемой боковой рамы выбраны исходя из характера воздействующих на боковую раму нагрузок, а также исходя из того, что при изменении геометрии боковой рамы на различных участках, в местах перехода могут возникать напряженности, которые в процессе длительной эксплуатации могут привести к возникновению в местах перехода трещин, деформаций, что может в итоге привести к поломке боковой рамы.
Поэтому геометрия боковой рамы выбиралась исходя из конструктивных особенностей боковых рам трехосных железнодорожных тележек, а также с учетом участков боковой рамы, наиболее подверженным динамическим нагрузкам.
В связи с этим участки, подверженные наибольшим нагрузкам, выполнены с наибольшей толщиной. Участки, которые в меньшей степени подвержены воздействию ударных, динамических нагрузок, выполнены с меньшей толщиной.
Это позволило оптимальным образом перераспределить расход металла по участкам боковой рамы с учетом их подверженности ударным, динамическим нагрузкам в процессе эксплуатации, а также с учетом характера местных напряженностей, возникающих в местах изменения геометрических параметров (места перехода).
Заявленная геометрия была проверена расчетами на прочность при нагрузках. В качестве метода расчета использовался метод конечно-элементных моделей с использованием компьютерных программных средств проектирования SolidWorks/Simulation 2019.
По результатам исследований были получены диаграммы эквивалентных напряжений по Мизесу (фиг. 4), на которых видно состояние заявляемой боковой рамы. Красным цветом должны быть изображены места, в которых возникают недопустимые напряженности (такие места в заявляемой боковой раме отсутствуют).
Места с большей напряженностью изображены зеленым, желтым и оранжевым цветом.
Места с наименьшей напряженностью изображены оттенками синего и голубого цветов.
Как видно из фиг. 4 в заявляемой боковой раме отсутствуют участки с недопустимой напряженностью.
Поэтому можно сделать вывод о том, что заявленные параметры обеспечивают надлежащую надежность и прочность боковой рамы не только на ее отдельных участках (как у аналогов), но на всех участках ее верхнего и нижнего поясов.
Расчеты осуществлялись по параметрам, соответствующим средним значениям из заявленных диапазонов значений.
Оптимальный выбор толщин верхнего и нижнего поясов боковой рамы позволяет исключить перерасход металла, требуемого для ее изготовления, а также позволяет исключить нецелесообразное увеличение веса боковой рамы.
Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает достижение заявленного технического результата, заключающегося в обеспечении прочности и надежности боковой рамы трехосной железнодорожной тележки в процессе эксплуатации за счет снижения напряженностей на всех участках верхнего и нижнего поясов боковой рамы трехосной железнодорожной тележки при нагрузках.