Надрессорная балка тележки грузового вагона

Полезная модель относится к подвижному составу железнодорожного транспорта и может быть использована в конструкциях двухосных тележек грузовых вагонов.
Известна надрессорная балка тележки грузового вагона, содержащая верхний пояс с подпятником, нижний пояс, выполненный с опорными участками по концам надрессорной балки для пружин рессорного подвешивания, переходящими в наклонный пояс, карманы для фрикционных клиньев с боковыми вертикальными стенками, продольные внутренние рёбра, отлитые во внутренней полости на всю длину надрессорной балки, соединяющие верхний и нижний пояса, см. RU 118275, B61F 5/52, опубл. 20.07.2012 (прототип).
Технической проблемой данной надрессорной балки тележки грузового вагона является низкая надёжность, вызванная высокими напряжениями по концам надрессорной балки на участках продольных внутренних рёбер, по причине неоптимального подбора геометрических параметров продольных внутренних рёбер.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надёжности надрессорной балки тележки грузового вагона, полученное за счёт подбора оптимальных значений геометрических параметров продольных внутренних рёбер.
Указанный технический результат обеспечивается надрессорной балкой тележки грузового вагона, содержащей верхний пояс с подпятником, нижний пояс, выполненный с опорными участками по концам надрессорной балки для пружин рессорного подвешивания, переходящими в наклонный пояс, карманы для фрикционных клиньев с боковыми вертикальными стенками, продольные внутренние рёбра, отлитые во внутренней полости, в преимущественном варианте исполнения, на всю длину надрессорной балки, соединяющие верхний и нижний пояса, при этом продольные внутренние рёбра размещены на взаимном расстоянии «Н» от 50 до 120 мм и выполнены с переменными значениями толщины «D» от 6 до 12 мм по своим концам и толщины «Е» от 12 до 20 мм в средней части, и с переходными участками плавного изменения между толщинами «D» и «Е», размещёнными между боковыми вертикальными стенками карманов для фрикционных клиньев;
- продольные внутренние рёбра могут быть размещены над «центрами тяжести» площадей половин пятен контакта, расположенных по обеим сторонам от центральной оси надрессорной балки, полученных на опорной поверхности от соответствующих пружин рессорного комплекта, размещённых на центральной оси «О–О» надрессорной балки;
- переходные участки могут быть выполнены под углом «b» от 3º до 30º к продольной оси «О–О» надрессорной балки;
1
- переходные участки могут быть выполнены по радиусам сопряжения «R» величиной не менее 15 мм;
2
- наружные торцы концов продольных внутренних рёбер выполнены под углом «α» от 45º до 75º к внутренней поверхности опорного участка для пружин рессорного подвешивания и сопряжены с указанной поверхностью по радиусу «R» не менее 10 мм.
Заявляемая полезная модель отличается от прототипа тем, что продольные внутренние рёбра размещены на взаимном расстоянии «Н» от 50 до 120 мм и выполнены с переменными значениями толщины «D» от 6 до 12 мм по своим концам и толщины «Е» от 12 до 20 мм в средней части, и с переходными участками плавного изменения между толщинами «D» и «Е», размещёнными между боковыми вертикальными стенками карманов для фрикционных клиньев;
- продольные внутренние рёбра размещены над «центрами тяжести» площадей половин пятен контакта, расположенных по обеим сторонам от центральной оси надрессорной балки, полученных на опорной поверхности от соответствующих пружин рессорного комплекта, размещённых на центральной оси «О–О» надрессорной балки;
- переходный участок выполнен под углом «b» от 3º до 30º к продольной оси надрессорной балки;
1
-  переходный участок выполнен по радиусам сопряжения «R» величиной не менее 15 мм;
2
- наружные торцы концов продольных внутренних рёбер выполнены под углом «α» от 45º до 75º к внутренней поверхности опорного участка для пружин рессорного подвешивания и сопряжены с указанной поверхностью по радиусу «R» не менее 10 мм.
Такие отличия от прототипа дают основание утверждать о соответствии предлагаемого технического решения критерию патентоспособности полезной модели – «новизна».
Полезная модель представлена на чертежах, где:
на Фиг. 1 – надрессорная балка тележки грузового вагона, главный вид;
на Фиг. 2 – разрез А–А на Фиг. 1;
на Фиг. 3 – выносной элемент «Г» на Фиг. 2;
на Фиг. 4 – разрез «Б–Б» на Фиг. 2;
на Фиг. 5 – вид снизу на конец надрессорной балки с местным разрезом;
на Фиг. 6, 7, 8, 9, 10, 11 – эпюры механических напряжений.
Надрессорная балка тележки грузового вагона содержит верхний пояс 1 (Фиг. 1) с подпятником 2, нижний пояс 3. Нижний пояс 3 содержит опорные участки 3.1 для пружин рессорного подвешивания. Также надрессорная балка содержит карманы 4 для фрикционных клиньев. Во внутренней полости надрессорной балки отлиты продольные внутренние рёбра 5 (Фиг. 2), соединяющие верхний 1 и нижний 3 пояса. По обеим сторонам от центральной оси «О–О» надрессорной балки расположены пятна контакта 6, полученные на опорной поверхности от соответствующих пружин рессорного комплекта, размещённых на центральной оси «О–О» надрессорной балки.
Продольные внутренние рёбра 5 размещены на взаимном расстоянии «Н» в диапазоне от 50 до 120 мм, при этом указанные продольные внутренние рёбра 5 выполнены переменной толщины - толщиной «D» в диапазоне от 6 до 12 мм по своим концам и толщиной «Е» в диапазоне от 12 до 20 мм в своей средней части, без учёта толщины отбортовки вокруг отверстий в продольных внутренних рёбрах, которая может превышать указанный диапазон толщины «Е». Переходные участки продольных внутренних рёбер 5 между толщинами «D» и «Е» выполнены с плавным изменением значений толщин и расположены между боковыми вертикальными стенками карманов 4 для фрикционных клиньев.
Продольные внутренние рёбра 5 могут быть размещены над «центрами тяжести» «С» площадей половин пятен 6 (Фиг. 3) контакта, расположенных по обеим сторонам от центральной оси «О–О» надрессорной балки.
Переходный участок 5.1 может быть выполнен под углом «b» от 3º до 30º к продольной оси «О–О» надрессорной балки.
1
Также переходный участок 5.2 (Фиг. 4) может быть выполнен со скруглениями по радиусу «R» величиной не менее 15 мм.
2
Наружные торцы 5.3 (Фиг. 5) концов продольных внутренних рёбер 5 выполнены под углом «α» в диапазоне от 45º до 75º к внутренней поверхности опорного участка 3.1 для пружин рессорного подвешивания и выполненным, и сопряжены с указанной поверхностью по радиусу «R», выполненному не менее 10 мм.
Для обеспечения достижения технического результата, заключающегося в повышении надёжности надрессорной балки тележки грузового вагона, необходимо снижение механических напряжений в высоконагруженных участках надрессорной балки. Добиться такого снижения механических напряжений возможно при подборе оптимальных значений размеров и форм этих участков.
Поскольку источником механических напряжений в надрессорной балке тележки грузового вагона являются, в частности, вертикальные силы от пружин рессорного комплекта, то для снижения механических напряжений необходим подбор формы и размеров продольных внутренних рёбер 5 и подбор оптимального расстояния между ними.
Проверка предлагаемых диапазонов размеров произведена по критериям максимальных напряжений, на основе теории Мизез-Хенки (Mises-Hencky), согласно которой, пластичный материал начинает повреждаться в местах, где напряжение по Мизесу становится равным предельному напряжению.
Продольные внутренние рёбра 5 выполняют таким образом, чтобы нагрузка от двурядных пружин рессорного подвешивания распределялась поровну по их сторонам. В этом случае продольные внутренние рёбра 5 не будут испытывать дополнительных изгибающих моментов, поскольку вся нагрузка будет направлена вдоль вертикальной оси продольных внутренних рёбер 5. Проведённый анализ и расчёты показали, что значение расстояния «Н» между продольными внутренними рёбрами 5 лежит в диапазоне от 50 до 120 мм.
При выполнении продольных внутренних рёбер 7 (Фиг. 6, 7), как в прототипе, одинаковой толщины по всей своей длине, продольные внутренние рёбра 7 загружены неравномерно. Наиболее нагруженные зоны «R» зафиксированы в районе центра надрессорной балки у вертикальных стенок карманов 4 для фрикционных клиньев, наименее нагруженные зоны «Q» зафиксированы ближе к концам надрессорной балки.
Для равномерного нагружения продольных внутренних рёбер 5 их концы выполняют уменьшенной толщиной «D», выдержанной в диапазоне от 6 до 12 мм, и средние части выполняют увеличенной толщиной «Е», выдержанной в диапазоне от 12 до 20 мм. При этом переход от толщины «D» к толщине «Е» выполнен с плавным переходом в виде участков 5.1 или 5.2 (Фиг. 8).
Толщина «Е» меньше 12 мм недостаточна для обеспечения прочности и надёжности детали, толщина более 20 мм избыточна и ведёт к увеличению массы без роста надёжности надрессорной балки.
Для снижения механических напряжений продольные внутренние рёбра 5 могут быть размещены над «центрами тяжести» «С» площадей половин пятен контакта 6 (Фиг. 3), расположенных по обеим сторонам от центральной оси «О–О» надрессорной балки. При этом пятна 6 контакта получены на опорной поверхности 3.1 от соответствующих двухрядных пружин рессорного комплекта (не показаны), размещённых на центральной оси «О–О» надрессорной балки. Это обеспечивает равномерное распределение механической нагрузки от двурядных пружин в продольных внутренних рёбрах 5 и всей надрессорной балке.
Результаты проведённых расчётов показывают, что переходные участки 5.1 или 5.2 должны быть выполнены между вертикальными боковыми стенками карманов 4 для фрикционных клиньев.
Переходный участок 5.1 может быть выполнен в виде плоского участка, отлитого под углом «b» от 3º до 30º к продольной оси «О-О» надрессорной балки. При этом, если участок 5.1 будет с уклоном «b» менее 3º, то интенсивности увеличения толщины недостаточно, чтобы компенсировать растущие нагрузки на продольные внутренние рёбра 5. При выполнении участка 5.1 с уклоном «b» более 30º угол будет слишком крутым и сам станет концентратором механических напряжений.
1
1
Также снижению механических напряжений способствует выполнение переходного участка 5.2 со скруглениями радиусом «R» величиной не менее 15 мм (Фиг. 4). При выполнении радиуса «R» менее 15 мм вследствие резкого перехода толщин переходный участок 5.2 может сам стать концентратором механических напряжений.
Помимо толщин «Е» и «D» продольных внутренних рёбер 5 на напряжённое состояние надрессорной балки и, как следствие, на её надёжность, влияет форма выполнения торцов 5.3 продольных внутренних рёбер 5.
Угол наклона «α» торца 5.3 продольных внутренних рёбер 5 выполнен в диапазоне от 45º до 75º. Если угол «α» меньше 45º, торцы 5.3 продольных внутренних рёбер 5 перегружаются в своей верхней части, участок «К» (Фиг. 9). Если угол «α» больше 75º, торцы 5.3 продольных вертикальных рёбер 5 недопустимо перегружаются в нижней своей части, участки «L» (Фиг. 10).
2
2
Также снижению механических напряжений в надрессорной балке способствует выполнение радиуса «R» не менее 10 мм, участки «S» (Фиг. 11). Выполнение радиуса «R» менее 10 мм приводит к резкому росту механических напряжений.
Таким образом, описанные результаты подбора оптимальных значений размеров и геометрических форм продольных внутренних рёбер позволяют повысить надёжность надрессорной балки тележки грузового вагона.