УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ БОКОВОЙ СТЕНЫ С РАМОЙ ПОЛУВАГОНА

Настоящая полезная модель относится к области железнодорожного транспорта и касается конструкций кузовов грузовых полувагонов, в частности конструкций торцевых и боковых стен и узлов соединения их между собой и предназначена для использования в конструкции грузового полувагона.
Известна конструкция узла крепления шкворневой стойки к нижней обвязке боковой стенки полувагона патент на изобретение России №2278038, (опубл. 18.10.2004г.) в котором имеются соединенные с листами шкворневой балки шкворневая стойка, внутри профиля которой параллельно ее опорным полкам приварена пластина, нижняя обвязка в форме уголка 100×160 мм и трапециевидная накладка, при этом к опорным полкам шкворневой стойки с обеих сторон приварены косынки.
Известен кузов полувагона увеличенной вместимости и грузоподъемности патент на полезную модель России №123384 (опубл. 27.12.2012г.), в котором плавное изменение жесткости вертикальной стойки боковой стены по высоте на участке от сварного шва, соединяющего трапециевидную накладку с вертикальной стенкой уголка нижней обвязки, к основному сечению вертикальной стойки боковой стены достигается за счет того, что приваренная внутри стойки параллельно ее опорным полкам пластина имеет отгиб под углом Ψ, направленный внутрь вертикальной стойки, который приваривается к внутренним боковым граням вертикальной стойки и своим окончанием не касается внутренней поверхности наружной грани стойки.
Недостатком обеих конструкций является то, что в местах приварки в накладках возникают повышенные остаточные сварочные напряжения, что приводит к возникновению трещин в теле накладки при эксплуатации вагона, что может привести к разрушению накладки и узла крепления обвязки и боковой стены, и, как следствие этого, к возникновению аварийной ситуации.
Заявляемая полезная модель решает техническую проблему, состоящую в высокой вероятности возникновения усталостных трещин из-за повышенных сварочных напряжений в узле крепления обвязки и боковой стены, присущую аналогам.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение надежности конструкции полувагона в зонах расположения узлов соединения боковых стен с рамой вагона.
Указанный технический результат обеспечивается снижением напряжений в теле накладки за счет перераспределения полей напряженности при выполнении вспомогательного компенсационного сварного шва.
Предложен узел соединения боковой стены с рамой полувагона, содержащий нижнюю обвязку боковой стены, поперечную балку рамы, накладку.
Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в месте соединения нижней обвязки боковой стены с её обшивкой выполнен вспомогательный компенсационный сварной шов, что приводит к перераспределению полей напряженности в месте соединения накладки и нижней обвязки боковой стены.
Отношение длины вспомогательного компенсационного сварного шва к ширине накладки предпочтительно находится в интервале от 1 до 1,25.
Величина катета вспомогательного компенсационного сварного шва предпочтительно находится в интервале от 2 до 10 мм.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан полувагон, вид сверху.
На фиг. 2 показан выносной элемент А на фиг.1.
На фиг. 3 показан разрез Б-Б на фиг.2.
На фиг. 4 показана схема распределения полей напряжённости при отсутствии вспомогательного компенсационного сварного шва.
На фиг. 5 показана схема распределения полей напряжённости при наличии вспомогательного компенсационного сварного шва.
Узел соединения боковой стены с рамой полувагона содержит боковую стену 1, включающую в себя нижнюю обвязку 2, поперечную балку 3 рамы, накладку 4, выполненную шириной Н, соединённые между собой сварными швами 5, 6, 7 (см. фиг. 2). К нижней обвязке 2 крепится обшивка 8 и стойки боковой стены 1. В местах приварки накладки 4 возникают остаточные сварочные напряжения, приводящие при эксплуатации полувагона к появлению трещин и разрушению накладок, что существенно снижает надежность вагона и может приводить к возникновению аварийных ситуаций.
При проведении компьютерного моделирования были выявлены наиболее напряженные участки в узле соединения боковой стены с рамой вагона - ими оказались радиусы гиба накладки 4 в районе сварных швов 5 (см. фиг.4). Так, на схеме распределения полей напряженности видно, что зона пониженных напряжений 9 располагается на некотором удалении от радиуса гиба накладки 4, затем она переходит в зону умеренных напряжений 10, находящуюся рядом с началом радиусов гиба, далее начинается зона высоких напряжений 11, расположенная в теле накладки 4 на радиусе гиба, а на поверхности накладки в районе радиуса гиба накладки 4 отмечено наличие значительной зоны повышенных напряжений 13.
Для уменьшения напряжений было принято решение перераспределить поле напряжений за счет выполнения вспомогательного компенсационного сварного шва 12 длиной L и величиной катета k, и таким образом уменьшить напряжения на радиусах гиба накладки 3 в районе сварных швов 5.
Вспомогательный компенсационный сварной шов 12 было принято расположить как показано на фиг. 2 и 3, т.е. в месте соединения нижней обвязки 2 с обшивкой 8 боковой стены 1.
Для уточнения наиболее оптимальных размеров вспомогательного компенсационного сварного шва 12 было проведено компьютерное моделирование узла с исследованием изменения полей напряженности при различных вариантах исполнения вспомогательного компенсационного сварного шва 12, по результатам которого выявлено, что наиболее оптимальным является выполнение вспомогательного компенсационного сварного шва 12 при соблюдении следующих соотношений:
1. отношение длины L вспомогательного сварного шва к ширине H накладки находится в интервале от 1 до 1,25, 1 < L/H < 1,25;
2. величина катета k вспомогательного сварного шва находится в интервале от 2 до 10 мм, 2 мм < k < 10 мм.
При этом оказалось, что при отношении L/Н менее 1 наблюдается повышенный уровень напряжений в зоне соединения накладки 4 и нижней обвязки 2, а при отношении L/Н более 1,25 дальнейшее увеличение длины L не оказывает влияния на уровень напряжений в зоне соединения накладки 4 и нижней обвязки 2.
При значении катета k вспомогательного компенсационного сварного шва 12 менее 2 мм влияние на зону соединения накладки 4 и нижней обвязки 2 незначительно и не оказывает существенного влияния на поля напряжений. При значении катета k вспомогательного компенсационного сварного шва 12 более 10 мм возникают избыточные деформации в самом вспомогательном компенсационном сварочном шве 12.
Предлагаемое техническое решение приводит к существенному уменьшению уровня напряжений в накладке 4 (см. фиг.5) по сравнению с вариантом без вспомогательного компенсационного сварочного шва (см. фиг. 4).
Очевидно, что зона пониженных напряжений 9` существенно увеличилась, зона умеренных напряжений 10` располагается в теле накладки 4 на радиусе гиба 5, заменив зону высоких напряжений, зона повышенных напряжений 13` существенно сократилась до незначительных размеров.
Существенное сокращение зоны повышенных напряжений, исчезновение зоны высоких напряжений в теле накладки на радиусах гиба, увеличение зоны пониженных напряжений – все это позволяет уменьшить вероятность возникновения трещин в накладке при эксплуатации вагона и увеличить надежность полувагона в зонах расположения каждого из узлов соединения боковой стены с рамой вагона.