РАМА ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к рамам грузовых железнодорожных вагонов, а именно к конструкции шкворневого узла.
Известна рама грузового вагона, содержащая хребтовую балку, концевые балки, продольные боковые балки, соединенные с концевыми и шкворневыми балками, шкворневые балки выполнены в нижней части с накладным листом, закрепленным своей средней частью на хребтовой балке, промежуточными частями - на шкворневой балке, концевыми частями - на продольных боковых балках, промежуточные части накладного листа сопряжены со средней частью и концевыми частями плавным сопряжением по радиусу, концевые части выполнены с выступами длиной L и закругленными по радиусу концами, см. RU 199815, B61F 1/02, B61F 1/08, опубл. 21.09.2020 (прототип).
Технической проблемой, характерной для данного устройства, является неоптимальное сочетание прочностных характеристик рамы грузового вагона с ее весом.
Техническим результатом, реализуемым при использовании предлагаемой полезной модели, является расширение арсенала технических средств в виде рамы грузового вагона, обеспечивающей оптимальное сочетание своего веса с прочностными характеристиками, полученными за счет снижения внутренних механических напряжений в элементах накладного листа шкворневой балки путем подбора их оптимальных геометрических размеров.
Указанный технический результат достигается рамой грузового вагона, содержащей хребтовую балку, концевые балки, продольные боковые балки, соединенные с концевыми и шкворневыми балками, шкворневые балки выполнены с накладным листом, своей средней частью закрепленным на хребтовой балке, промежуточными частями - на шкворневой балке, концевыми частями - на продольных боковых балках, промежуточные части сопряжены своими кромками с кромками средней части по радиусу R1, с концевыми частями по радиусу R2, концевые части выполнены с выступами длиной L и закругленными по радиусу R3 концами, накладной лист выполнен толщиной S от 4 до 14 мм, с радиусами R1, R2 от 50 до 400 мм, концевые части выполнены с выступами длиной L от 30 до 600 мм и концами, закругленными по радиусу R3 в диапазоне от 5 до 100 мм;
выступы концевых частей накладного листа могут быть выполнены длиной L, равной 205 мм;
радиус R1 сопряжения промежуточной части со средней частью накладного листа может быть выполнен равным 120 мм;
радиус R2 сопряжения промежуточной части с концевыми частями накладного листа может быть выполнен равным 150 мм;
накладной лист может быть выполнен толщиной S, равной 12 мм;
радиус R3 закруглений концов выступов концевых частей накладного листа может быть выполнен равным 20 мм;
промежуточные части накладного листа могут быть выполнены каждый из переходного и крайнего участков с толщинами S1 и S2, при этом S2 < S1,
переходный участок может быть выполнен толщиной S1, равной 10 мм, крайний участок выполнен толщиной S2, равной 8 мм.
Заявляемая полезная модель отличается от прототипа тем, что накладной лист выполнен толщиной S от 4 до 14 мм, с радиусами R1, R2 от 50 до 400 мм, концевые части выполнены с выступами длиной L от 30 до 600 мм и концами, закругленными по радиусу R3 в диапазоне от 5 до 100 мм;
выступы концевых частей накладного листа могут быть выполнены длиной L, равной 205 мм;
радиус R1 сопряжения промежуточной части со средней частью накладного листа выполнен равным 120 мм;
радиус R2 сопряжения промежуточной части с концевыми частями накладного листа выполнен равным 150 мм;
накладной лист выполнен толщиной S, равной 12 мм;
радиус R3 закруглений концов выступов концевых частей накладного листа выполнен равным 20 мм;
промежуточные части накладного листа могут быть выполнены каждый из переходного и крайнего участков с толщинами S1 и S2, при этом S2 < S1,
переходный участок выполнен толщиной S1, равной 10 мм, крайний участок выполнен толщиной S2, равной 8 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 - рама грузового вагона, концевая часть, вид снизу, изометрическая проекция;
на фиг. 2 - накладной лист шкворневой балки, остальные детали рамы грузового вагона условно не показаны;
на фиг. 3, 4, 5 - графики зависимости эквивалентных внутренних напряжений в накладном листе шкворневой балки рамы грузового вагона в зависимости от соответствующих линейных размеров элементов накладного листа.
Рама грузового вагона содержит хребтовую балку 1 (фиг. 1), концевые балки 2, продольные боковые балки 3. Продольные боковые балки 3 соединены с концевыми балками 2 и шкворневыми балками 4. Шкворневые балки 4 выполнены в нижней своей части с накладным листом 5. Накладной лист 5 своей средней частью 5.1 (фиг. 2) закреплен на хребтовой балке 1. Своими промежуточными частями 5.2 накладной лист 5 закреплен на соответствующих шкворневых балках 4, своими концевыми частями 5.3 - на продольных боковых балках 3. Промежуточные части 5.2 своими кромками плавно сопряжены с кромками средней части 5.1 по радиусу R1, выполненному в диапазоне от 50 до 400 мм, либо равным 120 мм как наиболее оптимальному значению для изготовления и эксплуатации рамы грузового вагона. Промежуточные части 5.2 своими кромками также плавно сопряжены с кромками концевых частей 5.3 по радиусу R2, выполненному в диапазоне от 50 до 400 мм, также указанный радиус может быть выполнен равным 150 мм как наиболее оптимальному значению для изготовления и эксплуатации рамы грузового вагона.
Концевые части 5.3 накладного листа 5 выполнены с выступами 5.4 длиной L, и закругленными по радиусу R3 концами. Указанный радиус R3 выполняют в диапазоне от 5 до 100 мм, либо равным 20 мм, как наиболее оптимальному значению.
Длину L выступов 5.4 концевых частей выполняют в диапазоне от 30 до 600 мм, Выполнение выступов 5.4 концевых частей длиной L менее 30 мм не обеспечивает необходимой прочности и жесткости соединения, кроме того при значении длиной L менее 30 мм внутренние механические напряжения в выступах 5.4 и в монтажных сварочных швах, которыми соединяют указанные выступа 5.4 с продольными боковыми балками 3, могут превышать допустимые значения, и будут служить концентраторами высоких механических напряжений, приводящих к возникновению трещин. При выполнении выступов 5.4 концевых частей длиной L более 600 мм снижается технологичность их производства, увеличивается расход металла и необоснованно растет значение массы тары грузового вагона без существенного увеличения прочности. Наиболее оптимальным значением длины L выступов 5.4 является величина в 205 мм, при которой обеспечивается наилучшее сочетание значений внутренних механических напряжений и веса накладного листа 5.
Накладной лист 5 выполняют толщиной S, выдержанной в диапазоне от 4 до 14 мм. Также накладной лист может быть выполнен толщиной S, равной 12 мм как наиболее оптимальному значению при изготовлении и эксплуатации.
Промежуточные части 5.2 накладного листа 5 могут быть выполнены из двух участков, состыкованных сварным швом, - переходного участка 5.2.1 и крайнего участка 5.2.2, имеющих различные толщины S1 и S2, при этом S2<S1. Переходный участок 5.2.1 может быть выполнен толщиной S1, например, 10 мм. Крайний участок 5.2.2 может быть выполнен меньшей толщиной S2, например, 8 мм.
Выполнение накладного листа 5 предлагаемой формы и с описанными размерами его элементов позволяет получить оптимальное сочетание веса накладного листа 5 при наименьших значениях внутренних механических напряжений в его элементах, что подтверждено результатами расчетов и испытаний.
Проверка геометрических значений размеров предложенных элементов была произведена по методике расчета эквивалентных внутренних напряжений и представлена графиками зависимостей эквивалентных внутренних напряжений от заданных геометрических линейных размеров указанных элементов. Так, для радиусов R1, R2 (фиг. 3) при наименьшем предельном значении в 50 мм допустимые эквивалентные внутренние напряжения принимают значения допустимых, при увеличении радиусов R1, R2 более 50 мм эквивалентные внутренние напряжения продолжают снижаться ниже уровня допустимых значений. Ограничением верхнего предела значений радиусов R1, R2 являются ограничения по весу рамы грузового вагона, технологические требования при изготовлении, эксплуатации и ремонту грузового вагона. Помимо увеличения веса выше допустимого, верхние пределы значений радиусов R1, R2 ограничены прочностными характеристиками рамы, а именно мест перехода накладного листа к хребтовой и боковой балкам. При превышении указанных значений R1, R2 не будет обеспечено достаточно плавное радиусное сопряжение, что приведет к росту внутренних напряжений в местах перехода. Аналогичным образом произведены расчеты и подбор значений для радиуса R3 (фиг. 4) и для толщины S накладного листа 5 и его участков 5.1, 5.2.1, 5.2.2 (фиг. 5).
Подбор указанных геометрических значений элементов накладного листа обеспечивает достижение заявленного технического результата - расширение арсенала технических средств рамы грузового вагона, обеспечивающей оптимальное сочетание веса рамы грузового вагона с прочностными характеристиками, полученными за счет снижения механических напряжений в элементах накладного листа шкворневой балки.