Лист профильный высокой жесткости

Полезная модель относится к производству холодногнутых профилей специального назначения, например, для крышек разгрузочных люков грузовых полувагонов. При этом профильные листы высокой жесткости привариваются к верхней части крышки разгрузочного люка и служат для восприятия поперечной статической и динамической нагрузок от сыпучего груза   при его транспортировке и загрузке в полувагон с передачей нагрузки на петли крышек люков и основные несущие элементы рамы кузова полувагона: хребтовую, поперечные, концевые и шкворневые балки.
Известны листовые профили высокой жесткости (ПВЖ) представляющие собой листы с выдавленными на них замкнутыми продольными или поперечными гофрами. Сортамент известных ПВЖ представлен в ТУ 14-2-280-77. "Профили стальные с периодически повторяющими гофрами". Указанные листовые профили используются для разных конструкций, в том числе для автокранов с телескопическими подъемными стрелами и не предназначены для крышек разгрузочных люков грузовых полувагонов из-за их низкой несущей способности при приложении нагрузки поперек основной поверхности листа.
Известен лист профильный высокой жесткости (патент RU 2073574 C1, МПК В21D 13/04, опубл. 1997. 02. 20.), представляющий собой полосу с выдавленными на ней замкнутыми поперечными гофрами. Как и в предыдущем случае, лист профильный используется для изготовления телескопических стрел автокранов и не предназначен для изготовления крышек разгрузочных люков грузовых полувагонов из-за низкой несущей способности при приложении нагрузки поперек его основной плоскости.
Известен наиболее близкий к заявляемому лист профильный высокой жесткости (ТУ 14-101-789-2009). Лист профильный высокой жесткости предназначен для крышек люков грузовых полувагонов и изготавливается из полосы толщиной 4,8-5,0 мм из горячекатаной коррозионностойкой стали типа 09Г2Д, 10ХCНД или 10ХНДП категории прочности Ϭ02=345 МПа с относительным удлинением δs= 20%. На листе габаритами 1535×1590 мм выдавлено 6 замкнутых гофров длиной 1235 мм с шагом 216 мм, высотой 40,8-41,0 мм и шириной 120 мм. Каждый гофр образован сочленением между собой и с основной плоскостью листа выпуклыми и вогнутыми цилиндрическими поверхностями с радиусами кривизны, соответственно, 35 и 30 мм. Проведенные расчеты показывают, что среднее удлинение цилиндрических участков выдавленных гофров при их номинальной глубине достигает 21,8%, что превышает технические характеристики стали, из которой они изготовлены, и приводит к трещинам на поверхности гофров при холодной деформации. Для исключения трещин на поверхности гофров и повышения пластичности стальную полосу перед выдавливанием гофров нагревают до температуры 280-320°С, что усложняет процесс формовки, требует дополнительного оборудования для нагрева полосы и увеличивает себестоимость изготовления листов высокой жесткости. Для уменьшения вытяжки гофра при его выдавливании применяют также изготовление с уменьшением глубины профиля. Так, например, при уменьшении глубины профиля на 10-12 % средняя вытяжка гофров уменьшается до 17-15 %, но при этом снижается несущая способность на 15-20%. Действующая статическая нагрузка на одну крышку люка при транспортировке сыпучего груза составляет 5,5-6,0 тонн, в то время как кратковременная динамическая нагрузка при загрузке (падение с высоты 3 м кусков загружаемого сыпучего груза массой до 150 кг) достигает 26 тонн. Известная конструкция листа профильного высокой жесткости имеет высокую металлоемкость (88,3-92 кг на одну крышку, низкую долговечность и нагрузочную способность.
Задачей настоящего технического решения является снижение металлоемкости листов высокой жесткости при одновременном повышении качества поверхности и нагрузочной способности при статической и динамической нагрузках, воздействующей на крышку разгрузочного люка грузового полувагона.
Решение поставленной задачи достигается тем, что стальной лист профильный высокой жесткости для крышек люков грузовых полувагонов исполнен с ребрами жесткости на его поверхности в виде периодически повторяющихся длинных замкнутых гофров, образованных сопряженными между собой и с основной плоской поверхностью листа выпуклыми и вогнутыми цилиндрическими поверхностями, при этом профиль гофров выполнен в соответствии с формулой: K1 × δs > [(α/ sin α) - 1] × 100%, а глубина гофра  соответствует формуле: H = 0,5K2 × B (1- cos α) × sin α, при этом К1 = 0,6-0,95, К2 = 0,8-1,0, где K1 – коэффициент, учитывающий неравномерность вытяжки гофра при его пластической деформации,  К2 – коэффициент, учитывающий взаимное расположение центров кривизны выпуклого и вогнутого участков гофра по оси ординат, B - ширина гофра, δs - относительное удлинение материала профильного листа, α - углы сопряжения выпуклой и вогнутыми цилиндрическими поверхностями гофра и между вогнутыми цилиндрическими гофра и плоской частью листа, рад.
Гофры на поверхности листа своими длинными осями могут быть направлены как вдоль, так и поперек направления прокатных волокон листа. Радиусы выпуклых и вогнутых цилиндрических поверхностей, образующих гофры могут быть выполнены, как одинаковыми, так и разными по величине.
Полезная модель поясняется чертежами, где изображено:
на фиг. 1 - лист профильный высокой жесткости (вид в плане, расположение длинных осей гофров поперек прокатных волокон листа);
на фиг. 2 - лист профильный высокой жесткости (вид в плане, расположение длинных осей гофров вдоль прокатных волокон листа);
на фиг. 3 - сечение А-А (выполнение гофров с сопряжением выпуклой и вогнутых цилиндрических поверхностей);
на фиг. 4 - сечение Б-Б.
Лист профильный высокой жесткости (фиг. 1-4) для крышек люков  грузовых полувагонов, представляющий собой плоский лист 1 с  ребрами жесткости 2 на его поверхности  в виде периодически повторяющихся длинных замкнутых гофров 3 с шагом Т, длиной L, шириной В и глубиной Н, образованных сопряженными между собой и с основной плоской поверхностью 4 листа 1 толщиной S под углами α выпуклыми  5 и вогнутыми 6 и 7 цилиндрическими поверхностями (фиг. 3).
Выпуклые цилиндрические поверхности 5 выполнены радиусом R1 из центра О1, а вогнутые цилиндрические поверхности 6 и 7 выполнены радиусом R2 из центров О2 и О3.  Профиль гофров выполнен в соответствии с формулой: K1 ×  δs > [(α/sin α) - 1] × 100%, при этом К1 = 0,6-0,95, где K1 – коэффициент, учитывающий неравномерность вытяжки гофра при его пластической деформации, δs - относительное удлинение материала профильного листа, α - углы сопряжения выпуклой 5 и вогнутыми 6 и 7 цилиндрическими поверхностями гофра 3 и между вогнутыми 6 и 7 цилиндрическими гофра 3 и плоской частью 4 листа 1, рад, а глубина гофра Н соответствует формуле: H = 0,5K2 × B (1- cos α) × sin α, при этом К2 = 0,8-1,0, где К2 – коэффициент, учитывающий взаимное расположение центров кривизны выпуклого и вогнутого участков гофра по оси ординат, B - ширина гофра. Гофры 3 на поверхности листа 1 своими длинными осями L могут быть направлены как вдоль (фиг. 2), так и поперек (фиг. 1) направления прокатных волокон листа 1.
Радиусы R1, R2 выпуклых 5 и вогнутых 6 и 7 цилиндрических поверхностей, образующих гофры 3 могут быть выполнены как одинаковыми, так и разными по величине.
Для подтверждения достигаемого эффекта предлагаемого технического решения проведены испытания по моделированию формообразования гофров.
Испытания проводились на кромкогибочном прессе с плоскими листовыми образцами толщиной 4,2 и 5,0 мм габаритами 350×350 мм из стали 09Г2Д категории прочности 345 МПа. Формирование профиля гофра проводилось вдавливанием пуансона кромкогибочного пресса в образец на специальной матрице при зажатых концевых участках образцов (зажатие концевых участков проводилось плоскими пластинами и болтовыми соединениями).
Испытания проводились с выдавливанием гофров как вдоль, так и поперек прокатных волокон и проводился контроль величины вдавливания пуансона в образец (контролировалась глубина гофра).
Радиусы выпуклого и вогнутых цилиндрических участков гофра приняты одинаковыми. По окончании испытания оценивалось качество поверхности гофров.
Результаты испытаний сведены в таблицу 1.
ТАБЛИЦА 1
№ п/п
Толщина S, мм
Глубина гофра Н, мм
Ширина гофра В, мм
Радиусы R гофра, мм
Направление гофров относительно прокатных волокон
Качество  поверхности  гофра *
1
4,2
36,0
120
32,5
вдоль
1
2
4,2
36,0
120
32,5
поперек
1
3
4,2
32,4
120
32,5
вдоль
1
4
4,2
32,4
120
32,5
поперек
2
5
4,2
30,6
120
32,5
вдоль
2
6
4,2
30,6
120
32,5
поперек
3
7
5,0
36,0
120
32,5
вдоль
1
8
5,0
36,0
120
32,5
поперек
1
9
5,0
32,4
120
32,5
вдоль
1
10
5,0
32,4
120
32,5
поперек
2
11
5,0
30,6
120
32,5
вдоль
2
12
5,0
30,6
120
32,5
поперек
3
*Качество поверхности гофра, цифрами обозначены: 1 - наличие трещин на поверхности; 2 - рябизна поверхности (дефект «апельсиновая корка»); 3 - дефекты поверхности отсутствуют.
Проведенный анализ проведенных испытаний по выдавливанию гофров на плоских листовых образцах показывает, что наличие дефектов на поверхности гофров практически не зависит от толщины листа, а зависит от соотношения глубины гофра к его ширине, в меньшей степени зависит от направления гофров относительно прокатных волокон.
По итогам проведенных испытаний рассчитана оптимальная форма гофров для листов высокой жесткости крышек для крышек разгрузочных люков грузовых полувагонов с 4-мя, 5-ю и 6-ю гофрами, обладающими повышенной несущей способностью  по  восприятию  статической  и  динамической  нагрузки  и меньшей металлоемкостью (снижение массы листа на 12,5-16,0%) по сравнению с базовым листом высокой жесткости по ТУ 14-101-789-2009.
Ниже в таблице 2 приведены технические характеристики листов высокой жесткости, изготовленных из листовой горячекатаной стали толщиной 4,2 мм с одинаковыми радиусами выпуклых и вогнутых цилиндрических поверхностей, образующих гофры по заявленному техническому решению с обеспечением отсутствия дефектов на поверхности гофров.
ТАБЛИЦА 2
Кол-во гофров, шт.
Шаг Т между гофрами, мм
Глубина Н гофра, мм
Ширина В гофра, мм
Радиусы R гофра, мм
Средняя вытяжка гофра, %
4
350
40,0
173,6
55,0
13,6
5
275
37,5
150,0
45,0
15,8
6
226
36,0
132,8
37,5
18,6
Анализ приведенной таблицы показывает, что с уменьшением количества гофров   на листе высокой жесткости (при условии одинаковой статической нагрузки на крышку люка)  уменьшается  средняя  вытяжка  гофра и, тем самым, снижается возможность появления дефектов на поверхности гофров. Одновременно при увеличении ширины гофра увеличивается значение упругой податливости гофра, что, в свою очередь, приведет к снижению динамической ударной нагрузки на 15-30% и повысит срок  эксплуатации крышки люка.
Изготовление профильных листов высокой жесткости по заявленному техническому решению может производиться на прокатных станах с эксцентриковыми валками, выдавливающими гофры на поверхности листа, а также на прессах для холодной штамповки.
Предлагаемое техническое решение позволит снизить затраты на изготовление грузового полувагона за счет снижения общей массы тары на 161-206 кг и снизить эксплуатационные издержки за счет увеличения массы перевозимого груза в полувагоне.