Хомут тяговый

Заявляемая полезная модель относится к железнодорожному транспорту, в частности к конструкциям тяговых хомутов автосцепных устройств.
Известен тяговый хомут железнодорожного вагона [Патент на изобретение RU 2581319 С2 приоритет от 31.03.2011г.], включающий головную часть; по меньшей мере две тяговые полосы, примыкающие к головной части, при этом, по меньшей мере, две тяговые полосы включают, по меньшей мере, одну тяговую верхнюю полосу, примыкающую к верхнему участку головной части, и, по меньшей мере, одну нижнюю тяговую полосу, примыкающую к нижнему участку головной части; заднюю опорную часть, примыкающую, по меньшей мере, к двум тяговым полосам таким образом, чтобы обеспечивалось разделение головной части и задней опорной части, по меньшей мере, двумя тяговыми полосами, в котором задняя опорная часть включает, по меньшей мере, один вогнутый профиль вдоль наружной поверхности задней опорной части, при этом наружная поверхность является поверхностью вдоль задней опорной части, противоположной головной части, идущей от верхней поверхности, по меньшей мере, одной верхней тяговой полосы до нижней поверхности, по меньшей мере, одной нижней  тяговой полосы, при этом, по меньшей мере, один вогнутый профиль проходит, по меньшей мере, по половине ширины внешней поверхности задней опорной части от первой кромки внешней поверхности до второй кромки внешней поверхности.
Также известен хомут тяговый по ГОСТ 32885-2014 «Детали литые сцепных и автосцепных устройств железнодорожного подвижного состава. Общие технические условия» вариант 1, содержащий головную часть, заднюю опорную часть, верхнюю и нижнюю тяговые полосы, соединяющие головную и заднюю опорную часть хомута, при этом боковые поверхности головной части выполнены прямоугольной формы и имеют в местах соединения тяговых полос с боковыми и торцевыми поверхностями головной части переходные участки, соединяющие смежные поверхности под углами, близкими к перпендикулярным.
Данная конструкция выбрана в качестве прототипа для заявляемой полезной модели.
Недостатком вышеуказанных конструкций является наличие концентраторов напряжения с внешней стороны задней опорной части хомута в районе расположения опорных ребер вследствие неравномерного распределения ударных нагрузок, возникающим при эксплуатации автосцепного устройства грузового вагона, что приводит к снижению прочностных характеристик хомута тягового.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание конструкции хомута тягового, позволяющей повысить прочностные характеристики хомута и увеличить назначенный срок службы за счет улучшенного распределения напряжений.
Поставленная задача решается путём того, что задняя опорная часть в зоне опорной площадки содержит пару внутренних наклонных ребер, которые одной стороной расположены под опорной площадкой, а другой стороной направлены к центральной оси хомута, к которой также направлена пара наружных наклонных ребер, противоположные стороны которых переходят в опорную площадку в месте примыкания тяговых полос, при этом сумма углов, образованных наружными и внутренними наклонными ребрами, составляет диапазон от 90 до 150º.
Сущность полезной модели заключается в том, что хомут тяговый в виде отливки содержит головную часть, заднюю опорную часть и две тяговые полосы, примыкающие к головной и задней опорной частям и соединяющие их между собой, при этом задняя опорная часть в зоне опорной площадки содержит пару внутренних наклонных ребер, которые одной стороной расположены под опорной площадкой, а другой стороной направлены к центральной оси хомута, к которой также направлена пара наружных наклонных ребер, противоположные стороны которых переходят в опорную площадку в месте примыкания тяговых полос, при этом сумма углов, образованных наружными и внутренними наклонными ребрами, составляет диапазон от 90 до 150º.
Внутренние и наружные наклонные ребра имеют переменное сечение по длине.
На опорной площадке, выполнена канавка, расположенная между внутренними наклонными ребрами с внутренней стороны хомута.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами:
Фиг. 1 – Хомут тяговый (общий вид);
Фиг. 2 – Хомут тяговый (вид А);
Фиг. 3 – Хомут тяговый. Схема приложения нагрузок (изометрия);
Фиг. 4 – Поля распределения эквивалентных напряжений в задней опорной части хомута тягового (вид ¾ сверху);
Фиг. 5 – Поля распределения эквивалентных напряжений в задней опорной части хомута тягового (вид ¾ снизу).
Хомут тяговый в виде отливки содержит головную часть 1, заднюю опорную часть 2 и две тяговые полосы 3, примыкающие к головной 1 и задней опорной 2 частям и соединяющие их между собой. Задняя опорная часть 2 в зоне опорной площадки 4 содержит пару внутренних наклонных ребер 5, которые одной стороной 5.1 расположены под опорной площадкой 4, а другой стороной 5.2 направлены к центральной оси хомута ОY. К которой также направлена пара наружных наклонных ребер 6, противоположные стороны 6.1 которых переходят в опорную площадку 4 в месте примыкания тяговых полос 3. Сумма углов α, образованных наружными и внутренними наклонными ребрами, составляет диапазон от 90 до 150º.
Внутренние 5 и наружные 6 наклонные ребра имеют переменное сечение по длине.
На опорной площадке 4 выполнена канавка 7, расположенная между внутренними наклонными ребрами 5 с внутренней стороны хомута.
Хомут тяговый работает следующим образом.
Исправное состояние сцепного оборудования определяет безопасность движения железнодорожного состава. Во время движения поезда, при его остановках и выполнении различных маневров хомут тяговый постоянно подвергается сжимающим и растягивающим ударным нагрузкам, передаваемым от автосцепки. Действующие на хомут продольные нагрузки могут вызвать концентрацию напряжений. В результате происходит неравномерное распределение ударных нагрузок в задней опорной части. Это может привести к снижению прочности хомута, а также к возникновению трещин и изломов. Для уменьшения концентрации напряжений необходимо обеспечить более равномерное распределение нагрузки на конструкцию задней опорной части хомута.
Сохранение прочности хомута тягового подтверждено расчетом прочности, который проведен в соответствии с требованиями «Норм для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» и ГОСТ 33434 «Устройство сцепное и автосцепное железнодорожного подвижного состава. Технические требования и правила приемки». Оценка напряженного состояния хомута производилась на основе метода конечных элементов (МКЭ) в конечно-элементном пакете ANSYS Workbench 2020 R1. Оценка прочности хомута проведена по следующей схеме:
- на действие максимальной силы растяжения хомута тягового при сцеплении грузовых вагонов Р = 2,5 МН, которая передается на проушины хомута от валика и действует в продольном направлении.
В качестве зон измерения значений эквивалентных напряжений были выбраны зоны, наиболее нагруженные для рассматриваемого расчетного режима. Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах хомута тягового при действии расчетных нагрузок представлены на фигурах 4 и 5.
Технический результат от заявляемой полезной модели заключается в том, что выполнение в задней опорной части, в зоне опорной площадки пары внутренних наклонных ребер, которые одной стороной расположены под опорной площадкой, а другой стороной направлены к центральной оси хомута, к которой также направлена пара наружных наклонных ребер, противоположные стороны которых переходят в опорную площадку в месте примыкания тяговых полос и при этом сумма углов, образованных наружными и внутренними наклонными ребрами, составляет диапазон от 90 до 150º обеспечивает равномерное распределение продольных ударных нагрузок, передаваемых от автосцепки за счет прохождения силового потока по наружным и внутренним опорным ребрам, что позволяет уменьшить концентраторы напряжений, возникающих в задней опорной части хомута во время движения поезда и снизить вероятность появления трещин и изломов в гарантийный эксплуатационный период и тем самым повысить прочностные характеристики хомута и увеличить назначенный срок службы, при этом происходит снижение материальных затрат в рамках рекламационной деятельности. Также обеспечивается возможность изготовления элементов задней опорной части хомута меньшей толщины, что позволяет снизить массу хомута тягового при сохранении прочностных характеристик.
Выполнение внутренних и наружных наклонных ребер переменного сечения по длине обеспечивает усиление конструкции задней опорной части хомута и позволяет использовать в конструкции автосцепного устройства поглощающий аппарат большей энергоемкости.
Выполнение на опорной площадке канавки, расположенной между внутренними наклонными ребрами с внутренней стороны хомута, увеличивает площадь контакта поглощающего аппарата с опорной поверхностью хомута, что позволяет равномерно распределить сжимающую ударную нагрузку, возникающую при движении поезда.
Размеры углов, образованных внутренними и наружными наклонными ребрами выбраны расчетным методом и проверены на опытном образце.
В подтверждение данного утверждения, в таблице 1 приведены сравнительные данные по напряжениям, возникающим в заявляемой конструкции хомута тягового и в конструкции хомута тягового с острыми углами головной части. Также указана величина снижения напряжений за счет применения указанного технического решения в конструкции хомута тягового.
В настоящее время на заявляемую полезную модель разработана конструкторская документация и ведутся всесторонние испытания опытных образцов.
Таблица 1 – Сравнительная таблица напряжений заявляемой конструкции хомута тягового и хомута тягового с параллельным расположением опорных ребер в задней опорной части хомута.
Нагрузка Р = 2,5 МН,(приложена к верхнемуи нижнему отверстиямдля клина тяговогохомута)Элементы хомута
Эквивалентные напряжения (по Мизесу), МПа
Значение величины снижение напряжения,%
Хомут тяговый с параллельным расположением опорных ребер
Заявляемая конструкция хомута тягового
Опорная площадка
347,4
345,77
0,5
Внутренняя поверхность задней опорной части
375,24
305,1
18,69
Наружная поверхность задней опорной части (в месте контакта с задним упором)
368,26
218,06
40,79