ШКВОРНЕВОЙ УЗЕЛ РАМЫ ГРУЗОВОГО ВАГОНА
CARGO CAR FRAME PIVOT ASSEMBLY

Заявляемое изобретение относится к железнодорожному транспорту и касается конструкции рамы грузового железнодорожного вагона, в частности конструкции узла соединения хребтовой балки со шкворневой балкой.
Известна конструкция рамы кузова универсального восьмиосного полувагона модели 12-541 [И.Ф.Пастухов, В.В.Лукин, Н.И.Жуков. "Вагоны", М., "Транспорт", 1988 г., стр.171], состоящая из хребтовой, концевых, шкворневых и промежуточных балок.
Конструкция шкворневого узла включает хребтовую балку сваренную из двух зетобразных профилей №31, которые в месте соединения перекрыты двутавром №19, и шкворневую балку, сваренную из вертикальных листов толщиной 8 мм, горизонтального верхнего гофрированного листа толщиной 10 мм, нижнего изогнутого листа толщиной 14 мм, к которому крепятся пятник и скользуны, при этом надпятниковая зона шкворневого узла рамы усилена надпятниковой коробкой, а скользуны выполнены литыми без возможности установки на них съемных регулировочных пластин.
Недостатком вышеописанной конструкции является ее низкая надежность при интенсивной эксплуатации с повышенными нагрузками, что проявляется в возникновении трещин в соединении шкворневой и хребтовой балок. Одной из основных проблем данной конструкции является изломы и трещины нижнего листа шкворневой балки узла соединения шкворневой и хребтовой балок в раме железнодорожного вагона.
Для устранения изломов и трещин нижнего листа шкворневой балки узла соединения шкворневой и хребтовой балок, при деповских и капитальных ремонтах железнодорожных вагонов, применяют три способа ремонта, указанных в нормативном документе «Инструкция по сварке и наплавке при ремонте грузовых вагонов» [стр. 128 - 130, электронный адрес источника https://www.ldz.lv/lv/system/files/06_KV_Padome_63_7%20p_p.p.2.2_Piel.%2060.pdf], включающих:
- заварку трещин или изломов нижнего листа шкворневой балки с постановкой усиливающей накладки, при этом допускаемое расстояние от начала трещины или излома до границы крайнего элемента хребтовой балки не менее 100 мм;
- или усиление накладкой нижнего листа шкворневой балки в местах постановки пятника, при наличии трещины на расстоянии менее 100 мм от хребтовой балки или замена половины листа с постановкой уравнительных накладок на скользуны, при этом толщина уравнительных накладок должна соответствовать толщине усиливающей накладки;
- или частичная (не более половины длины нижнего листа) или полная замена нижнего листа шкворневой балки, также при частичной замене нижнего листа стык усиливают накладкой.
Данные способы устранения дефектов нижнего листа шкворневой балки, возникших в результате эксплуатации вагона, являются трудоемкими, при этом целостность основного элемента конструкции, нижнего листа шкворневого узла рамы, полностью нарушается. Заварка трещин и изломов на нижнем листе шкворневой балки, а также последующая постановка различных усиливающих накладок приводит к различным концентрациям напряжений в конструкции, что в свою очередь приводит опять к образованию трещин и изломов в уже отремонтированном шкворневом узле рамы, также необоснованно увеличивается масса вагона.
Вместе с этим, известна конструкция шкворневого узела рамы грузового вагона [патент РФ на полезную модель № 142976, опубликованный 10.07.2014 г.], включающая сопряженные хребтовую и шкворневую балки. Нижние полки хребтовой балки связаны между собой пластиной, на которую установлен подпятник, к нижним полкам жестко присоединены трапециевидные листы. Нижняя полка шкворневой балки соединена внахлест с трапециевидными листами, трапециевидный лист имеет большую толщину, чем нижняя полка шкворневой балки. Ширина нижней полки шкворневой балки в зоне соединения с трапециевидным листом равна 0,8-1 ширины меньшего основания трапециевидного листа.
Недостатком данной конструкции, является также полное нарушение целостности основного элемента конструкции, нижнего листа шкворневой балки узла соединения шкворневой и хребтовой балок, и как следствие концентрация напряжений в конструкции, и образование трещин и изломов нижнего листа.
Кроме того, известна конструкция рамы кузова полувагона [патент РФ на полезную модель № 170397, опубликованный 24.04.2017 г.], состоящая из хребтовой балки с закрепленными поперечными концевыми, промежуточными, шкворневыми балками. В зоне соединения шкворневой балки и хребтовой балки установлены усиливающие элементы и косынки. Усиливающие элементы выполнены в виде продольных пластин, ориентированных параллельно оси хребтовой балки. Каждая пластина соединена встык с нижним листом шкворневой балки и приварена к нижней полке Z-образного профиля хребтовой балки. Каждая косынка выполнена скругленной формы и соединена с помощью сварки со шкворневой балкой и с усиливающим элементом, причем между каждой косынкой и соответствующим усиливающим элементом образован плавный переход.
Данная конструкция выбрана в качестве прототипа для заявляемого изобретения.
Недостатком конструкции шкворневого узла является приварка косынки к шкворневой балке и к усиливающему элементу, что создает кромочные напряжения, не по радиусу скругления косынки, а по сварным швам, которыми косынка приваривается к шкворневой балке и к усиливающему элементу. Кромочные напряжения по сварным швам приварки косынки, в свою очередь, способствуют образованию усталостных трещин по нижнему листу в зоне между пятником и скользуном, развиваясь от кромки нижнего листа шкворневой балки листа и продвигаясь к середине листа.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании конструкции шкворневого узла рамы грузового вагона, которая обеспечит повышение прочности узла в целом, а также повышение прочности крайней части нижнего листа шкворневой балки в зоне между пятником и скользуном.
Поставленная задача решается за счет того, что усиливающие элементы, установленные в шкворневом узле, с одной стороны нижнего листа шкворневой балки имеют большую длину, а с другой стороны имеют меньшую длину. С каждой стороны хребтовой балки относительно продольной оси, с наложением на боковую кромку нижнего листа шкворневой балки, между скользуном и пятником жестко закреплена, по меньшей мере, одна изогнутая накладка, которая одной поверхностью установлена на поверхность нижнего листа шкворневой балки с установленным пятником и на поверхность усиливающего элемента хребтовой балки, а другой поверхностью установлена на сопредельную поверхность нижнего листа шкворневой балки. Одна торцевая поверхность изогнутой накладки жестко соединена со скользуном, а другая торцевая поверхность расположена на расстоянии от пятника не менее, чем на величину катета сварного шва, которым изогнутая накладка приварена к нижнему листу шкворневой балки и к усиливающему элементу хребтовой балки.
Сущность заявляемого изобретения, заключается в том, что шкворневой узел рамы грузового вагона, содержит хребтовую балку с нижними полками и надпятниковым усилением, шкворневую балку с изогнутым нижним листом, пятником и скользунами, при этом на полках хребтовой балки жестко закреплены усиливающие элементы, ориентированные параллельно оси хребтовой балки, причем каждый из усиливающих элементов жестко соединен встык с нижним листом шкворневой балки, вместе с этим, с каждой стороны хребтовой балки относительно продольной оси, с наложением на боковую кромку нижнего листа шкворневой балки, между скользуном и пятником жестко закреплена, по меньшей мере, одна изогнутая накладка, которая одной поверхностью установлена на поверхность нижнего листа шкворневой балки с установленным пятником и на поверхность усиливающего элемента хребтовой балки, а другой поверхностью установлена на сопредельную поверхность нижнего листа шкворневой балки, также одна торцевая поверхность изогнутой накладки жестко соединена со скользуном, а другая торцевая поверхность расположена на расстоянии от пятника не менее, чем на величину катета сварного шва, которым изогнутая накладка приварена к нижнему листу шкворневой балки и к усиливающему элементу хребтовой балки.
Внешняя боковая грань изогнутой накладки, направленная в сторону от боковой кромки нижнего листа шкворневой балки, выполнена повторяющей контур боковой кромки нижнего листа шкворневой балки.
Также внешняя боковая грань изогнутой накладки установлена от боковой кромки нижнего листа шкворневой балки на расстоянии в интервале от 7 мм до 25 мм, при этом изогнутая накладка выполнена шириной не менее 50 мм и толщиной не менее 6 мм.
Изогнутая накладка, выполнена дугообразной формы.
Усиливающие элементы с одной стороны нижнего листа шкворневой балки имеют большую длину, а с другой стороны имеют меньшую длину, при этом изогнутые накладки установлены со стороны усиливающих элементов, имеющих меньшую длину.
Возможно, изогнутые накладки установлены на каждой боковой кромке нижнего листа шкворневой балки, в зоне между скользуном и пятником.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом:
Фиг. 1 - шкворневой узел рамы грузового вагона (вид снизу).
Шкворневой узел рамы грузового вагона, содержит хребтовую балку 1 с нижними полками 2, 3 и надпятниковым усилением 4, шкворневую балку 5 с изогнутым нижним листом 6, пятником 7 и скользунами 8. На полках 2, 3 хребтовой балки 1 жестко закреплены усиливающие элементы 9, 10, 11, 12, ориентированные параллельно оси 13 хребтовой балки 1, причем каждый из усиливающих элементов жестко соединен встык с нижним листом 6 шкворневой балки 5. С одной стороны нижнего листа 6 шкворневой балки 5, относительно продольной оси 14 шкворневой балки 5 установлены усиливающие элементы, имеющие большую длину, это - усиливающие элементы 11, 12, а с другой стороны имеющие меньшую длину, это - усиливающие элементы 9, 10. С каждой стороны хребтовой балки 1 относительно продольной оси 13, с наложением на боковую кромку 15 нижнего листа 6 шкворневой балки 5, между скользуном 8 и пятником 7 жестко закреплена, по меньшей мере, одна изогнутая накладка 16, которая одной поверхностью установлена на поверхность 17 нижнего листа 6 шкворневой балки 5, на которую установлен пятник 7 и на поверхность 18 усиливающего элемента 9 (10) хребтовой балки 1, а другой поверхностью установлена на сопредельную поверхность 19 нижнего листа 6 шкворневой балки 5. Изогнутая накладка 16 одной торцевой поверхностью 20 жестко соединена со скользуном 8, а другая торцевая поверхность 21 расположена на расстоянии от пятника 7 не менее, чем на величину катета сварного шва, которым изогнутая накладка 16 приварена к нижнему листу 6 шкворневой балки 5 и к усиливающему элементу хребтовой балки 9 (10).
Внешняя боковая грань 22 изогнутой накладки 16, направленная в сторону от боковой кромки 15 нижнего листа 6 шкворневой балки 5, выполнена повторяющей контур боковой кромки 15 нижнего листа 6 шкворневой балки 5.
Также внешняя боковая грань 21 изогнутой накладки 16 установлена от боковой кромки 15 нижнего листа 6 шкворневой балки 5 на расстоянии в интервале от 7 мм до 25 мм, при этом изогнутая накладка 16 выполнена шириной не менее 50 мм и толщиной не менее 6 мм и имеет дугообразную форму.
Изогнутые накладки 16 установлены со стороны усиливающих элементов 9, 10, имеющих меньшую длину.
Возможна установка изогнутых накладок 16 на каждой боковой кромке 15 нижнего листа 6 шкворневой балки 5, в зоне между скользуном 8 и пятником 7.
Технический результат от заявляемого изобретения заключается в том, что выполнение шкворневого узла рамы грузового вагона, в котором с каждой стороны хребтовой балки относительно продольной оси, с наложением на боковую кромку нижнего листа шкворневой балки, между скользуном и пятником жестко закреплена, по меньшей мере, одна изогнутая накладка, которая одной поверхностью установлена на поверхность нижнего листа шкворневой балки с установленным пятником и на поверхность усиливающего элемента хребтовой балки, а другой поверхностью установлена на сопредельную поверхность нижнего листа шкворневой балки, вместе с этим, одна торцевая поверхность изогнутой накладки жестко соединена со скользуном, а другая торцевая поверхность расположена на расстоянии от пятника не менее, чем на величину катета сварного шва, которым изогнутая накладка приварена к нижнему листу шкворневой балки и к усиливающему элементу хребтовой балки, обеспечивает повышение прочности шкворневого узла в целом, а также повышение прочности крайней части нижнего листа шкворневой балки в зоне между пятником и скользуном. Данное техническое решение позволяет конструктивно, за счет изогнутых накладок (силовых элементов), связать дополнительно основные элементы конструкции рамы вагона и шкворневого узла, а именно хребтовую балку и усиливающие элементы со скользунами.
Прочностной расчет вагона со шкворневым узлом рамы, в которомне установлены изогнутые накладки показывает, что максимальные напряжения на нижнем листе шкворневой балки от пятника к скользуну увеличиваются в следующей прогрессии: т.1 = 153,48 МПа, т.2 = 264,62 МПа,т.3 = 315,98 МПа, т.4 = 353,7 МПа, а при установленных изогнутых накладках на нижнем листе шкворневой балки напряжения снижаются в следующей прогрессии (те же точки замеров): т.1 = 137,07 МПа, т.2 = 211,34 МПа, т.3 = 246,72 МПа, т.4 = 254,39 МПа. Данный факт позволяет утверждать, что предлагаемое техническое решение шкворневого узла рамы железнодорожного вагона повышает прочность конструкции, в точках:
- т.1 на 10,69%,
- т.2 на 20,13%,
- т.3 на 21,91%,
- т.4 на 28,07%,
Вместе с этим, выполнение внешней боковой грани изогнутой накладки, направленной в сторону от боковой кромки нижнего листа шкворневой балки, повторяющей контур боковой кромки нижнего листа шкворневой балки, и установка изогнутой накладки внешней боковой гранью от боковой грани нижнего листа шкворневой балки на расстоянии в интервале от 7 мм до 25 мм, обеспечивает максимальный положительный технический результат от применения предлагаемого технического решения, так как при установке изогнутой накладки на расстоянии 7 - 25 мм, не происходит оплавление кромки нижнего листа шкворневой балки в районе приварки изогнутой накладки, и в то же время изогнутая накладка не удалена от края нижнего листа шкворневой балки на столько, чтобы перестать укреплять край детали, что позволяет увеличить прочность конструкции шкворневого узла рамы грузового вагона.
Также изготовление изогнутых накладок шириной не менее 50 мм и толщиной не менее 6 мм, обеспечивает минимальное повышение прочности.
Выполнение каждой изогнутой накладки в плане, дугообразной формы, позволяет обеспечить минимальную концентрацию напряжений в месте приварки изогнутой накладки, что также повышает прочность узла.
Установка относительно продольной оси шкворневой балки усиливающих элементов, имеющих большую длину, а с другой стороны имеющих меньшую длину, позволяет усилить конструкцию шкворневого узла рамы железнодорожного вагона с той стороны шкворневого узла, которая более нагружена, что тоже повышает прочность конструкции рамы. Также, с этой же целью, изогнутые накладки устанавливаются со стороны усиливающих элементов, имеющих меньшую длину.
Установка изогнутых накладок к каждой боковой грани нижнего листа шкворневой балки, в зоне между скользуном и пятником, обеспечивает повышение прочности с обеих сторон шкворневого узла.
В настоящее время на заявляемое изобретение разработана конструкторская документация и проведены всесторонние испытания опытных образцов, начат выпуск установочной партии вагонов.