Кузов универсального полувагона
UNIVERSAL GONDOLA CAR BODY

Заявляемое изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к конструкции рамы кузова универсального полувагона.
Известна рама кузова полувагона [патент РФ на полезную модель №170397 опубл. 24.04.2017] которая состоит из хребтовой балки с закрепленными поперечными концевыми, промежуточными и шкворневыми балками, причем в зоне соединения шкворневой и хребтовой балок установлены усиливающие элементы и косынки. Усиливающие элементы выполнены в виде пластин, ориентированных параллельно оси хребтовой балки и каждая из которых соединена встык с нижним листом шкворневой балки, а косынки соединены со шкворневой балкой и с усиливающими элементами. Между каждой косынкой и соответствующим усиливающим элементом образован плавный переход.
Недостатком вышеуказанного решения являются проблемы, возникающие при сборке рамы, поскольку поперечные, шкворневые и продольные балки рамы выполнены из различных видов профилей. Продольные балки крепятся в распор между шкворневой и концевой балками, а также между поперечной и шкворневой балками. При различных допусках на выполнение поверхностей указанных балок возникают технологические трудности при сборке всего изделия, а также дополнительные напряжения в местах их соединений.
Известна рама 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. Хребтовая балка сварена из двух зетообразных профилей, в месте соединения перекрытых двутавром. Хребтовая балка соединена с верхним листом с помощью накладки и нижним листом шкворневой балки, а с вертикальными листами соединена посредством накладок. Вместе с этим на шкворневой балке установлены ответные части скользунов, а на каждой поперечной балке закреплены упоры крышек люков, обеспечивающие открывания в надтележечных проемах до 23°, а в центральных проемах до 31°.
Данная конструкция выбрана в качестве прототипа для заявляемого изобретения.
К недостаткам данной конструкции следует отнести ее низкую надежность, повышенный износ консольной части кузова в области хребтовой и шкворневой балок.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции кузова универсального полувагона, позволяющей повысить прочностные характеристики кузова, увеличить назначенный срок службы, а также обеспечить технологичность при сборке конструкции. Это позволит обеспечить надежность и долговечность, и сократить затраты на ремонт вагона.
Поставленная задача решается путем того, что хребтовая балка выполнена сварной и имеет П-образное сечение, переменное по высоте с плавным уменьшением от центральной части к консольным частям, при этом шкворневая балка также выполнена переменного по высоте сечения, с уменьшением в месте расположения опорных скользунов и с увеличением на концевых частях, в месте с этим, каждая крепежная продольная балка выполнена сварной двутаврового сечения, при этом верхняя полка смещена относительно стенки в направлении к хребтовой балке и имеет ширину больше, чем ширина нижней полки, также верхняя полка крепежной продольной балки жестко соединена с верхним листом хребтовой балки.
Сущность изобретения заключается в том, что кузов полувагона, включает боковые, торцевые стены и раму, состоящую из хребтовой балки, соединенной с концевыми, шкворневыми и промежуточными поперечными балками, а также крепежные продольные балки, при этом хребтовая балка выполнена сварной и имеет П-образное сечение, переменное по высоте с плавным уменьшением от центральной части к консольным частям, при этом шкворневая балка также выполнена переменного по высоте сечения, с уменьшением в месте расположения опорных скользунов и с увеличением на концевых частях, в месте с этим, каждая крепежная продольная балка выполнена сварной двутаврового сечения, при этом верхняя полка смещена относительно стенки в направлении к хребтовой балке и имеет ширину больше, чем ширина нижней полки, также верхняя полка крепежной продольной балки жестко соединена с верхним листом хребтовой балки.
Соотношение высоты сечения хребтовой балки в концевой части к высоте сечения в центральной части находится в интервале от 0,67 до 0,69.
Расстояние от оси шкворня до начала переходного участка хребтовой балки находится в интервале от 950 до 960 мм.
Соотношение высоты сечения шкворневой балки в месте установки скользунов к высоте сечения в центральной и концевой частях находится в интервале от 0,62 до 0,63.
Каждая крепежная продольная балка соединена с соответствующей поперечной балкой при помощи косынки, установленной горизонтально и жестко закрепленной одним концом внахлест к нижней полке крепежной продольной балки, а другим концом к соответствующей поперечной балке тавровым швом.
На крепежных продольных балках закреплены державки петель крышек разгрузочных люков.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Кузов универсального полувагона (общий вид);
Фиг. 2 - Рама универсального полувагона (общий вид);
Фиг. 3 - Рама универсального полувагона (вид А сверху);
Фиг. 4 - Рама универсального полувагона (сечение Б-Б);
Фиг. 5 - Рама универсального полувагона (сечение В-В);
Фиг. 6 - Рама универсального полувагона (выносной элемент Г);
Фиг. 7 - Рама универсального полувагона (разрез Д-Д);
Фиг. 8 - Рама универсального полувагона (диаграммы напряжений).
Сущность изобретения заключается в том, что кузов универсального полувагона, включает боковые 1, торцевые 2 стены и раму 3, которая состоит из хребтовой балки 4, соединенной с концевыми 5, шкворневыми 6 и промежуточными поперечными 7 балками, а также крепежные продольные балки 8. Хребтовая балка 4 выполнена сварной и имеет П-образное сечение, переменное по высоте с плавным уменьшением от центральной части 4.1 к консольным частям 4.2. Шкворневая балка 6 также выполнена переменного по высоте сечения, с уменьшением в месте расположения опорных скользунов 6.1 и с увеличением в центральной части 6.2 и на концевых частях 6.3. Каждая крепежная продольная балка 8 выполнена сварной двутаврового сечения, при этом верхняя полка 8.1 смещена относительно стенки 8.2 в направлении к хребтовой балке 4 и имеет ширину больше, чем ширина нижней полки 8.3, также верхняя полка 8.1 крепежной продольной балки 8 жестко соединена с верхним листом 4.3 хребтовой балки 4.
Соотношение высоты h сечения хребтовой балки 4 в консольной части 4.2 к высоте H сечения в центральной части 4.1 находится в интервале от 0,67 до 0,69.
Расстояние L от оси шкворня 9 до начала переходного участка 4.3 хребтовой балки находится в интервале от 950 до 960 мм.
Соотношение высоты h1 сечения шкворневой балки 6 в месте установки скользунов 6.1 к высоте H1 сечения в центральной 6.2 и концевой 6.3 частях находится в интервале от 0,62 до 0,63.
Каждая крепежная продольная балка 8 соединена с соответствующей поперечной балкой 6 или 7 при помощи косынки 10, установленной горизонтально и жестко закрепленной одним концом 10.1 внахлест к нижней полке 8.2 крепежной продольной балки 8, а другим концом 10.2 к соответствующей поперечной балке 6 или 7 тавровым швом.
Технический результат от заявляемого изобретения заключается в том, что выполнение хребтовой балки сварной П-образного сечения, переменного по высоте с плавным уменьшением от центральной части к консольным частям, при этом выполнение шкворневой балки переменного по высоте сечения, с уменьшением в месте расположения опорных скользунов и с увеличением в центральной части и на концевых частях, а также выполнение каждой крепежной продольной балки сварной двутаврового сечения, при этом смещение верхней полки относительно стенки в направлении к хребтовой балке, а  также выполнение верхней полки шириной больше, чем ширина нижней полки, в месте с этим, жесткое закрепление верхней полки крепежной продольной балки с верхним листом хребтовой балки обеспечивает жесткость и прочность рамы кузова полувагона в наиболее нагруженной зоне, что позволяет повысить прочностные характеристики и увеличить назначенный срок службы и, как следствие, снизить материальные затраты на ремонт полувагона.
Выполнение верхней полки крепежной продольной балки увеличенного размера, смещение ее от центра в сторону хребтовой балки и жесткое закрепление с верхним листом хребтовой балки, позволяет закрыть свободное пространство между крепежной продольной балкой и хребтовой балкой и обеспечить сплошной пол между крышками люков в надтележечном пространстве рамы вагона.
Выполнение высоты поперечного сечения шкворневой балки на концевых частях увеличенного размера по сравнению с высотой в месте установки скользунов обеспечивает размер достаточный для надежного закрепления вертикальных стоек боковой стены.
Соотношение высоты сечения хребтовой балки в концевой части к высоте сечения в центральной части в интервале от 0,67 до 0,69 позволяет получить оптимальную высоту центральной части и концевых частей хребтовой балки и обеспечить прочностные характеристики без увеличения массы.
Расстояние от оси шкворня до начала переходного участка хребтовой балки в интервале от 950 до 960 мм позволяет обеспечить свободное пространство для установки тележек без снижения прочности хребтовой балки.
Соотношение высоты сечения шкворневой балки в месте установки скользунов к высоте сечения в центральной и концевой частях в интервале от 0,62 до 0,63 позволяет обеспечить свободное пространство для установки тележки без снижения прочностных характеристик шкворневой балки.
Соединение каждой крепежной продольной балки с соответствующей поперечной балкой при помощи косынки, установленной горизонтально и жестко закрепленной одним концом внахлест к нижней полке крепежной продольной балки, а другим концом к соответствующей поперечной балке тавровым швом, обеспечивает собираемость конструкции рамы при различных допусках, а также компенсирует напряжения в местах соединения крепежных продольных балок с поперечными балками.
Закрепление на крепежных продольных балках державок петель крышек разгрузочных люков позволяет вынести точки крепления крышек разгрузочных люков в надтележечном пространстве в стороны от хребтовой балки, тем самым обеспечив возможность открывания крышек разгрузочных люков на угол, достаточный для осуществления разгрузки полувагона.
Сохранение прочности кузова универсального полувагона подтверждено расчетом прочности, который проведен в соответствии с требованиями «Норм для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» и ГОСТ 33211-2014 «Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам». Оценка напряженного состояния кузова производилась на основе метода конечных элементов (МКЭ) в конечно-элементном пакете ANSYS Workbench.
В качестве зон измерения значений эквивалентных напряжений были выбраны зоны наиболее нагруженные для рассматриваемого расчетного режима. Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах кузова универсального полувагона при действии расчетных нагрузок представлены на фигуре 8. Из фигуры видно, что значения напряжений в наиболее нагруженных зонах не превышают предельно допустимые (345 МПа).
В настоящее время на заявляемое изобретение разработана конструкторская документация и ведутся всесторонние испытания опытных образцов.