НАДРЕССОРНАЯ БАЛКА

Предложенная полезная модель относится к конструктивным элементам тележек грузовых вагонов, а именно к надрессорным балкам.
Из уровня техники известна надрессорная балка, раскрытая в патенте РФ на полезную модель № 116109, опубликованном 20.05.2012 г., и принятая в качестве ближайшего аналога. Известная надрессорная балка содержит две вертикальные боковые стенки и подпятник, сопряжённый с упомянутыми вертикальными боковыми стенками.
Недостатком известного технического решения является низкая усталостная прочность в зонах сопряжения подпятника и вертикальных боковых стенок, связанная с образованием при литье в указанных зонах литейных дефектов, а именно горячих трещин, из-за отсутствия плавных сопряжений ввиду резких переходов вертикальных стенок в подпятник, и с действием в указанных зонах усадочных и термических напряжений. Горячие трещины образуются в момент затвердевания металла отливки в форме у термических узлов (в частности в месте пересечения массивных стенок) или от неподатливых форм или стержней. Металл в форме застывает неравномерно. Затвердевание происходит от наружных поверхностей деталей, контактирующих с формой и стержнями вглубь. Происходит процесс усадки металла, который заметно проявляется в термических узлах, к которым относятся и стыки стенок. В процессе усадки возникают напряжения в затвердевающем металле, которые релаксируются в виде горячих трещин в местах с наименьшей прочностью металла. Таким местом в рассматриваемой отливке надрессорной балки является место стыка вертикальной наружной стенки и подпятника в центральной части балки. Горячие трещины являются причинами образования и развития усталостных трещин, приводящих к изломам надрессорной балки, а значит и к снижению надёжности работы, выносливости конструкции и безопасности её работы при различных видах нагрузок.
Техническая проблема, решаемая при изготовлении предложенного технического решения, заключается в уменьшении напряжений, действующих в зонах сопряжения вертикальных боковых стенок и подпятника, и, как следствие, в уменьшении вероятности образования литейных дефектов, в частности, горячих трещин.
Технический результат, достигаемый при изготовлении предложенного технического решения, заключается в повышении усталостной прочности надрессорной балки.
Технический результат достигается за счёт того, что надрессорная балка содержит две вертикальные боковые стенки и подпятник, сопряжённый с упомянутыми вертикальными боковыми стенками, при этом надрессорная балка дополнительно включает в себя рёбра, расположенные в зонах сопряжения подпятника и вертикальных боковых стенок снаружи надрессорной балки, при этом расстояние между соседними рёбрами составляет от 0,4 до 5,8 от толщины примыкающей к ним вертикальной боковой стенки.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что по меньшей мере одно ребро расположено по поперечной плоскости симметрии надрессорной балки.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что сечение по меньшей мере одного ребра имеет колоколообразную форму.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что сечение по меньшей мере одного ребра имеет форму трапеции со скруглёнными углами при мéньшем основании.
В дополнительном аспекте предложенное техническое решение характеризуется тем, что толщина по меньшей мере одного ребра от 0,2 до 1 толщины одной из вертикальных боковых стенок надрессорной балки.
Полезная модель представлена изображениями, где на фиг. 1 изображена надрессорная балка, общий вид, изометрическая проекция; на фиг. 2 – место сопряжения подпятника и одной из вертикальных боковых стенок, изометрическая проекция; на фиг. 3 – то же, вид снизу.
Надрессорная балка содержит две вертикальные боковые стенки 1 (фиг. 1, 2, 3), подпятник 2, сопряжённый с упомянутыми вертикальными боковыми стенками 1, и две группы рёбер 3, расположенные в зонах сопряжения подпятника 2 и вертикальных боковых стенок 1 снаружи и c двух противоположных сторон надрессорной балки: в каждой зоне сопряжения подпятника 2 и вертикальной боковой стенки 1 размещена одна группа рёбер 3. Каждая упомянутая группа рёбер 3 может содержать по пять рёбер 3, каждое из которых расположено в плоскости действия сил усадки в зоне сопряжения подпятника 2 и вертикальной боковой стенки 1, и соединено с подпятником 2 и вертикальной стенкой 1. При этом каждая группа рёбер 3 содержит предпочтительно центральное ребро 3, расположенное на поперечной плоскости симметрии надрессорной балки. Другими словами, надрессорная балка содержит два ребра 3 жёсткости, расположенные на поперечной плоскости симметрии надрессорной балки. Кроме того, расстояние между соседними рёбрами 3 в каждой группе рёбер 3 составляет от 0,4 до 5,8 от толщины примыкающей к ним вертикальной боковой стенки 1.
Предпочтительно, сечение каждого из рёбер 3 имеет треугольную форму как наиболее простую форму выполнения, также может иметь и любую другую форму, например в виде радиусного сопряжения.
Рёбра 3 формируют в процессе литья надрессорной балки заодно с основной деталью под углом, предпочтительно перпендикулярно, к по меньшей мере одной горячей трещине – вдоль разрывающих сил – и параллельно действующим силам усадки. Толщина по меньшей мере одного ребра 3 составляет от 0,2 до 1 толщины одной из вертикальных боковых стенок 1, предпочтительно примыкающей к ребру 3. Толщину рёбер 3 замеряют на пересечении половин их размеров по горизонтали от вертикальной боковой стенки 1 надрессорной балки и вертикали от нижней поверхности подпятника 2.
Поскольку рёбра 3 выполняют на участках надрессорной балки с вероятным возникновением горячих трещин, количество рёбер 3, выполненных в каждой из упомянутых зон сопряжения, задают, исходя из размеров упомянутых зон: каждая группа рёбер 3 должна покрывать пространство с вероятным возникновением по меньшей мере одной горячей трещины. Толщину каждого ребра 3 и расстояние между соседними рёбрами 3 задают исходя из величины напряжений, возникающих при затвердевании отливки надрессорной балки: чем выше напряжения, тем меньше расстояние между соседними рёбрами 3 и толще рёбра 3. Однако, при чрезмерно частом размещении рёбер 3 и/или избыточной их толщине может возникнуть искусственно созданный тепловой узел. Если рёбра редкие и тонкие, прочности их будет недостаточно для противостояния образованию трещин (трещины будут наблюдаться и на самих этих рёбрах). При выборе расстояний между рёбрами 3 и толщины каждого из рёбер 3 руководствуются проверяемыми при компьютерном моделировании и на практике соображениями недопущения возникновения дополнительных тепловых узлов в виде этих самых рёбер 3, эффективного сопротивления растрескиванию. Расстояние между соседними рёбрами 3, кроме того, выбирается согласно сложившимся отработанным практикам. Указанный диапазон расстояния между соседними рёбрами 3 и указанный диапазон толщины каждого из рёбер 3 являются наиболее оптимальными.
В других вариантах выполнения предложенное техническое решение содержит по меньшей мере одну группу рёбер 3, расположенную в по меньшей мере одной зоне сопряжения подпятника и одной из вертикальных боковых стенок снаружи надрессорной балки и включающую в себя по меньшей мере одно ребро 3, которое может быть расположено на поперечной плоскости симметрии надрессорной балки. При этом сечение по меньшей мере одного ребра 3 имеет форму трапеции со скруглёнными углами при мéньшем основании или колоколообразную форму. Выполнение по меньшей мере одного ребра 3 с одним из приведённых выше примеров сечений исключает геометрические концентраторы напряжений в виде, например, углов, что повышает прочность, в частности, усталостную прочность.
Форма сечений рёбер 3 обусловлена «механическими» и «литейными» причинами. Используются типовые конфигурации рёбер 3, расширенным краем, примыкающим к подлежащей укреплению зоне, принимающие максимальные напряжения, в то время как в противоположной части ребра 3 напряжения значительно меньше, что позволяет выполнять её суженой (вырожденной). В менее экономичном варианте с точки зрения расходования металла рёбра 3 могут оказаться и близкими к прямоугольнику в сечении. Однако всегда должен присутствовать уклон с сужением в сторону от отливки (см. фиг. 2) надрессорной балки и/или плавный переход (если ребро 3 не имеет плоских поверхностей) предпочтительно с двух сторон ребра 3 для обеспечения извлекаемости оснастки при изготовлении форм и стержней, в противном случае извлечение будет затруднено. Другими словами, основание каждого ребра 3 шире его вершины. Упомянутый уклон обеспечивается автоматически, если сечение ребра 3 имеет, например, форму трапеции со скруглёнными углами при мéньшем основании или колоколообразную форму.
Рёбра 3, имея более тонкое поперечное сечение, затвердевают раньше основного металла надрессорной балки, тем самым выступая в качестве дополнительного элемента жёсткости, чем компенсируют возникающие напряжения при затвердевании основной массы металла. Также рёбра 3 имеют большую площадь поверхности, тем самым, способствуют более интенсивному охлаждению массивной части, например, боковых стенок и подпятника.
Наличие рёбер 3, расположенных в зонах сопряжения подпятника 2 и вертикальных боковых стенок 1 снаружи надрессорной балки позволяет уменьшить образование литейных дефектов, в частности, горячих трещин, за счёт уменьшения напряжения в упомянутых зонах сопряжения, а значит и уменьшить образование и развитие усталостных трещин, что повышает усталостную и конструкционную прочности надрессорной балки. В результате повышается надёжность работы, выносливость конструкции и безопасность работы надрессорной балки при различных видах нагрузок в целом, а также снижаются затраты на её техническое обслуживание и ремонт, уменьшается процент брака.