БОКОВАЯ РАМА ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к подвижному составу железнодорожного транспорта и может быть использована в конструкциях двухосных тележек грузовых вагонов.
Известна боковая рама тележки грузового вагона, содержащая верхний и нижний пояса, соединённые колонками и наклонными поясами, челюстные проёмы, имеющие наружные и внутренние упоры с опорными площадками между ними, участки между внутренними упорами и опорными площадками челюстных проёмов выполнены в виде пазов, образованных криволинейной соединительной поверхностью, выполненной по одному радиусу, RU 102577, B61F 5/52, опубл. 10.03.2011.
Техническим недостатком данной боковой рамы является низкая надёжность, вызванная высокими внутренними напряжениями на участках между внутренними упорами и опорными площадками челюстных проёмов, обусловленных выполнением указанных участков с помощью одного радиуса, не обеспечивающему равномерное распределение внутренних напряжений по данному участку.
Известна также боковая рама тележки грузового вагона, содержащая верхний и нижний пояса, соединённые колонками и наклонными поясами, челюстные проёмы, имеющие наружные и внутренние упоры с опорными площадками между ними, участки между внутренними упорами и опорными площадками челюстных проёмов выполнены в виде пазов, образованных криволинейной соединительной поверхностью, RU 115315, B61F 5/52, опубл. 27.04.2012 (прототип).
Техническим недостатком данной боковой рамы также является низкая надёжность, вызванная концентрацией высоких внутренних напряжений на участке между внутренними упорами и опорными площадками челюстных проёмов по причине неоптимального выполнения криволинейной соединительной поверхности и подбора.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надёжности боковой рамы грузового вагона, полученное за счёт подбора оптимальных значений радиусов криволинейной соединительной поверхности на участке между внутренними упорами и опорными площадками челюстных проёмов.
1
2
4
Указанный технический результат обеспечивается боковой рамой грузового вагона, содержащей верхний и нижний пояса, соединённые колонками и наклонными поясами, челюстные проёмы, имеющие наружные и внутренние упоры с опорными площадками между ними, участки между внутренними упорами и опорными площадками челюстных проёмов выполнены в виде пазов, образованных криволинейной соединительной поверхностью, указанная криволинейная соединительная поверхность выполнена из двух плавно сопряжённых между собой радиусных поверхностей, первой радиусной поверхности, переходящей от плоской поверхности опорной площадки и выполненной по радиусу R, выдержанному от 40 до 110 мм, к плавно сопряжённой с ней второй поверхностью, выполненной по радиусу R, выдержанному от 8 до 25 мм, и переходящей в плоскую полочку в верхней части внутренних упоров челюстных проёмов, кромки криволинейной соединительной поверхности могут быть  закруглены по радиусу R, выполненному более 10 мм.
1
2
4
Заявляемая полезная модель отличается от прототипа тем, что криволинейная соединительная поверхность между внутренними упорами и опорными площадками челюстных проёмов выполнена из двух плавно сопряжённых между собой радиусных поверхностей, первой радиусной поверхности, переходящей от плоской поверхности опорной площадки и выполненной по радиусу R, выдержанному от 40 до 110 мм, к плавно сопряжённой с ней второй поверхностью, выполненной по радиусу R, выдержанному от 8 до 25 мм, и переходящей в плоскую полочку в верхней части внутренних упоров челюстных проёмов, кромки криволинейной соединительной поверхности закруглены по радиусу R, выполненному более 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 – боковая рама грузового вагона, общий вид;
на фиг. 2 – выносной элемент «А» с Фиг. 1;
на фиг. 3 – разрез Б на фиг. 1;
на Фиг. 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 – иллюстрация эпюр внутренних механических напряжений для различных размеров криволинейной соединительной поверхности.
Боковая рама грузового вагона содержит верхний пояс 1 (фиг. 1), нижний пояс 2.
Верхний пояс 1 и нижний пояс 2 соединены между собой колонками 3 и наклонными поясами 4.
По концам боковой рамы выполнены челюстные проёмы 5, имеющие наружные упоры 5.1, внутренние упоры 5.2 с опорными площадками 5.3 между ними.
Угловые участки между внутренними упорами 5.2 и опорными площадками 5.3 челюстных проёмов 5 выполнены в виде пазов 6 (фиг. 2).
1
2.
Пазы 6 образованы криволинейной соединительной поверхностью, выполненной из двух плавно сопряжённых между собой радиусных поверхностей: первой радиусной поверхности 6.1 радиусом R, (фиг. 2) продлённой от плоской поверхности опорной площадки 5.3, и сопряжённой с первой радиусной поверхностью 6.1, второй радиусной поверхностью 6.2, выполненной по радиусу R
1
.
Радиус R первой радиусной соединительной поверхности 6.1 выдержан в диапазоне размеров от 40 до 110 мм
2
Радиус R второй радиусной соединительной поверхности 6.2 выдержан в диапазоне размеров от 8 до 25 мм.
Вторая радиусная поверхность 6.2 сопряжена с плоской полочкой 6.3 паза 6 в верхней части внутренних упоров 5.2 челюстных проёмов 5.
3
Боковые кромки 7 (фиг. 3) криволинейной соединительной поверхности могут быть закруглены по радиусу R, выполненному более 10 мм.
Технический результат достигается следующим образом.
Наиболее проблемным местом боковых рам, с точки зрения прочности, является внутренних угол челюстного проёма. Снижение механических внутренних напряжений в этой зоне способно существенно повысить надёжность боковой рамы. Добиться такого снижения возможно при подборе оптимальных значений размеров и форм проблемных мест.
Проверка предлагаемых диапазонов размеров была произведена по критериям максимальных напряжений по Мизесу, основанной на теории Мизез-Хенки (Mises-Hencky), согласно которой пластичный материал начинает повреждаться в местах, где напряжение по Мизесу становится равным предельному напряжению. В предел текучести использован в качестве предельного напряжения.
Произведённые расчёты конструкции прототипа показывают, что боковая рама имеет высокий уровень механических напряжений на радиусной соединительной поверхности во внутреннем углу челюстного проёма – красные участки (фиг. 4). Из представленной эпюры распределения внутренних механических напряжений видно, что их величина составляет около 210 МПа, и они сконцентрированы на небольших участках поверхности, что чревато возникновением в этих местах трещин.
1
При выполнении радиусной соединительной поверхности 6, в том числе первой радиусной соединительной поверхности 6.1 радиусом R равным 40 мм происходит не менее чем на 25% снижение внутренних механических напряжения без увеличения толщины стенки в этом месте – отсутствие участков, окрашенных в красный цвет (фиг. 5).
1
1
На фиг. 6 проиллюстрирована эпюра при R, равным 110 мм. Внутренние механические напряжения растут и при значениях радиуса R более 110 мм резко возрастают (красные участки) и могут превысить критические значения.
2
Радиус R второй радиусной соединительной поверхности 6.2 может быть выдержан в диапазоне размеров от 8 до 25 мм.
2
2
На фиг. 7 проиллюстрирована эпюра при R будет менее 8 мм. Внутренние механические напряжения растут, при значениях радиуса R будет менее 8 мм, резко возрастают (красные участки) и могут превысить критические значения.
2
2
На фиг. 8 проиллюстрирована эпюра при R будет более 25 мм. Внутренние механические напряжения растут, при значениях радиуса R более 25 мм, также резко возрастают (красные участки) и превышают критические значения.
3
Боковые кромки криволинейной соединительной поверхности могут быть закруглены по радиусу R, выполненному более 10 мм.
3
На фиг. 9 изображён результат внутренних механических напряжения при R, выполненному менее 10 мм. Внутренние механические напряжения превышают допустимые значения.
3
3
На фиг. 10 изображён результат расчёта, если R будет наибольшей величиной, равной полуширины направляющей челюстного проёма, это максимально возможный радиус R, даже в этом случае внутренние механические напряжения не превышают значений прототипа.
Таким образом, описанные результаты подбора оптимальных значений радиусов криволинейной соединительной поверхности участка между внутренними упорами и опорными площадками челюстных проёмов, позволяют повысить надёжность боковой рамы грузового вагона.