БОКОВАЯ РАМА ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту и касается, в частности, конструкции боковой рамы железнодорожной тележки грузового вагона.
В грузовом железнодорожном транспорте в качестве ходовых частей вагонов широкое распространение получили трехэлементные тележки с рессорным подвешиванием, в которых используются литые боковые рамы. Литые боковые рамы имеют сложную конструкцию с полыми верхним, нижним и наклонными поясами. Чаше всего неблагоприятными по напряжениям растяжения и сжатия проявляются места стыка нижнего пояса с вертикальной колонкой, соединяющей нижний и верхний пояс и область буксового проема. Для компенсации возможных дефектов и перераспределения напряжений при нагрузках в опасных зонах на рамах выполняют ребра или образуют местные утолщения стенок конструкции в поперечном сечении без учета массы. В этом отношении боковая рама нуждается во внимании по отношению проблем статической и динамической нагрузок.
Известна конструкция боковой рамы тележки железнодорожного грузового вагона выполненная в виде цельной стальной отливки, в средней части которой расположен рессорный проем, образованный верхним поясом, нижним горизонтальным поясом и двумя вертикальными колонками с направляющими для ограничения поперечного перемещения фрикционных клиньев. В нижней части рессорного проема имеется опорная поверхность для размещения рессорного комплекта с выступами для постановки пружин. Наклонные пояса, вертикальные колонки, как и часть верхнего пояса, имеют в сечении корытообразную (U-образную) форму с загнутыми внутрь концами полок, а нижний пояс и часть пояса в области буксового проема имеют в сечении коробчатую форму. Верхняя часть наклонных поясов рамы сопряжена с внутренними челюстными направляющими и усилена ребром жесткости (А.с. СССР №111076, В61F 5/52 от 11.06.1957, фиг.5).
Недостатком данной конструкции являются отмечаемые в ходе эксплуатации изломы рам в зоне сопряжения вертикальных колонок с нижним поясом. Это является следствием недостаточного сопряжения нижнего и наклонных поясов. Переход боковых стенок нижнего пояса в боковые стенки наклонных поясов инициирует увеличенную концентрацию напряжений в этой области и неравномерное распределение нагрузки по длине рессорного проема. Форма нижнего пояса также не обеспечивает запаса стойкости к нагрузкам, так как конструкция узла перехода нижнего пояса в вертикальные колонки проема, несмотря на наличие наклонного ребра между боковыми стенками колонок и наклонным поясом имеет недостаточную прочность.
Усиление зоны сопряжения наклонного пояса с горизонтальным опорным участком буксового проема также оказалось не совсем отвечающим выдвигаемым к раме требованиям. Распределение напряжений в зоне буксового проема рамы определяются, кроме всего прочего, его размерами из-за необходимости размещения здесь буксового узла. Известна рама боковая трехэлементной тележки выполненная в виде стальной отливки или сварной конструкции (пaт. RU №65006, B61F 3/02, от 05.03.2007). В средней части боковой рамы расположен проем для центрального рессорного комплекта, а по концам - проемы для буксовых узлов колесных пар открытого или закрытого типа. Здесь введены дополнительные жесткие элементы между верхней полкой и нижней полками нижнего пояса проема для центрального рессорного комплекта в зоне расположения подклиновых пружин в виде ребра - колонны. В другом техническом решении на внутренней поверхности нижней полки предложено ребро жесткости, расположенное посередине этой полки и недостающее верхней полки (пaт. RU №91957, B61F 5/52, от 07.07.2009). Однако расположено оно на горизонтальной части полки и не доходит до области с увеличенными напряжениями от вертикальной колонки и опорной поверхности верхней полки.
Наряду с данным решением известна конструкция боковой рамы (пат. RU №2116921, B61F 5/00, B61F 5/52 от 03.10.1994 г.), имеющая двутавровые сечения. Рама имеет нижний горизонтальный пояс, верхний пояс с загнутыми вверх концами, вертикальные колонки между ними, образующие рессорный проем. Нижний пояс соединен с наклонными поясами с верхним в области буксовых проемов. В зонах перехода нижнего пояса в наклонные пояса с внутренней стороны рамы есть П-образные ребра жесткости, которые также служат направляющими для триангелей. Использование двутавровая форма сечения рамы не лишено несовершенств в виде недостаточной жесткости рамы в зоне буксовых проемов, присутствия дополнительных отверстий крепления, служащими концентраторами напряжений.
Кроме этого решения можно назвать недавно предложенную конструкцию рамы железнодорожной тележки (пат. RU №2323843, B61F 5/52 от 10.05.2008 г.), выполненную в виде стальной отливки, которая состоит из верхнего и нижнего горизонтальных поясов, соединенных между собой вертикальными колонками, образующими совместно с горизонтальными поясами рессорный проем, в нижней части которого расположена опорная поверхность с бонками для установки и ограничителями от смещения пружин, наклонных поясов, сопряженных с нижним поясом и горизонтальными опорными участками буксовых проемов, имеющих наружные и внутренние челюстные направляющие. Предложенные основные изменения касаются перехода вертикальной колонки в нижний пояс и буксового проема. Так, нижний угол рессорного проема выполнен в виде ступенчатого перехода вертикальной колонки рамы в нижний горизонтальный пояс. Верхняя поверхность перехода является продолжением перемычки, влитой в отбуртовку технологических отверстий рамы. Переход является ограничителем для подклиновой пружины. А наружная поверхность ограничителя повторяет конфигурацию выполненного с помощью сопряженных между собой радиусов перехода боковой стенки нижнего пояса в боковую стенку наклонного пояса. Один из сопрягаемых радиусов перехода боковой стенки нижнего пояса в боковую стенку наклонного пояса имеет центр, совпадающий с центром бонки подклиновой пружины. А по контуру сочленения внутренней челюстной направляющей с наклонным поясом выполнена U-образная перемычка, образующая отверстие в наклонном поясе. Преломление верхнего горизонтального пояса и вертикальных боковых поверхностей рамы в надбуксовой зоне совпадает с поперечной опорной плоскостью опорного прилива внутренней челюстной направляющей. На вертикальных боковых стенках рамы в надбуксовой зоне выполнены опорные приливы, наружные поверхности которых расположены под углом к горизонтальной опорной поверхности буксового проема.
Недостаток конструкции это, прежде всего, наличие ступенчатого перехода вертикальной колонки рамы в нижний горизонтальный пояс, приводящий к образованию зоны повышенных напряжений в этом углу рессорного проема и понижения надежности.
Относящиеся к буксовому проему и указанному переходу внесенные изменения могут быть неоптимальными по напряжениям сжатия м растяжения.
Вместе с этими известна конструкция боковой рамы, где пояса рамы имеют коробчатое сечение. На нижнем поясе размещена поддерживающая рессорный комплект поверхность. В зоне сопряжения нижних наклонных и нижних горизонтальных поясов выполнены технологические отверстия, а также усиливающие эту зону ребра жесткости (пaт. US №5718177, B61F 5/00, от 17.02.1998 г.]. Ребра жесткости при этом имеют облегчающие раму отверстия. Вертикальные колонки, соединяющие верхний и нижний пояса, сопряжены с ними с помощью радиусов. Окончания верхнего пояса загнуты вверх и плавно переходят в буксовые проемы рамы. Выполнение нижнего пояса рамы сделано более широким. В нижнем поясе имеется центральное ребро жесткости и два по бокам от него, а это приводит к увеличение массы рамы, что может быть неоправданно. Выполнение поясов и элементов рамы коробчатой формы с продольными ребрами во внутренней полости усложняет технологию изготовления. В тоже время для облегчения производства и снижения массы в конструкции реализованы отверстия в поясах рамы, являющиеся добавочными концентраторами напряжений, возникающими при нагрузках.
Наиболее применяемой конструкцией боковых рам двухосных тележек грузовых вагонов остается та, что помечена как модель 18-100 («Вагоны»,под ред. Л.А.Шадура. - М.: Транспорт, 1980. - 439 с.). Данная конструкция выбрана в качестве прототипа.
Здесь литая боковая рама имеет в средней части рессорный проем, образованный верхним поясом, нижним горизонтальным поясом и двумя вертикальными колонками, на которых имеются упоры для ограничения поперечного перемещения фрикционных клиньев. В нижней части рессорного проема выполнена опорная поверхность для размещения пружин, сопряженная с колонками по части окружности с радиусом 40 мм. Сечения наклонных поясов и вертикальных колонок имеют также корытообразную форму с некоторым загибом внутрь концов полок, а нижний и верхний пояса имеют в сечении коробчатую форму. На концах боковой рамы расположены челюстные проемы с наружными и внутренними челюстными направляющими.
Здесь наклонный пояс из-за своего профиля недостаточно устойчив к растягивающим нагрузкам. Сопряжение вертикальных колонок с нижним поясом по малому радиусу приводит к образованию областей с повышенными напряжениями и, в результате, могут возникать трещины в этой области. Другой ненадежной областью конструкции выступает место стыка верхнего и наклонного поясов при образовании буксового проема.
Несмотря на большое количество известных конструкций тележек, используемых на железных дорогах (например: Motion Control M-976 Truck System (США), ICF i MD45/52 (Германия), 18-100, 18-131, 18-578, 18-579, (Россия) и 18-7020, 18-755, 18-781, (Украина) и др.) и, следовательно, боковых рам, аварии по причине недостаточной их надежности не прекращаются. Поэтому имеется существенная необходимость их дальнейшего усовершенствования на базе имеющихся возможностей.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, состоит в создании конструкции литой боковой рамы железнодорожной тележки, имеющей улучшенную надежность и коэффициент запаса сопротивления усталости, за счет уменьшения напряжений в критических местах рамы, наблюдаемых в процессе эксплуатации.
Технический результат от применения заявляемого решения заключается в получении конструкция боковой рамы тележки грузового вагона с улучшенными прочностными и эксплуатационными характеристиками, и при этом будет, по крайней мере, сохранена технологичность изготовления рамы.
1
Указанный технический результат достигается тем, что в конструкцию боковой рамы тележки грузового вагона выполненной в виде стальной отливки, состоящей из верхнего и нижнего горизонтальных поясов, соединенных между собой вертикальными колонками, образующими совместно с горизонтальными поясами рессорный проем, в нижней части которого расположена опорная поверхность для установки пружин, наклонных поясов, сопряженных с нижним поясом и горизонтальными опорными участками буксовых проемов, имеющих наружные и внутренние челюстные направляющие внесены следующие изменения а) угол рессорного проема со стороны опорной поверхности верхней полки нижнего пояса выполнен в виде части окружности с увеличенным до 1,5 R радиусом от существующего, то есть R≤1,5 R,
б) на внутренней поверхности верхней полки нижнего пояса в зоне стыка с вертикальной колонкой и по нижней поверхности перемычки с наклонным поясом исполнены, по меньшей мере три ребра жесткости, среднее из которых отличается длиной от соседних.
в) дополнительно также на внутренней поверхности углов буксового проема выполнены, по меньшей мере, два ребра жесткости с параметрами, минимизирующими расчетные напряжения в углах проема.
г) при этом область перехода сопряжения боковой стенки нижнего пояса в боковую стенку наклонного пояса расположена на таком расстоянии от вертикальной оси боковой рамы, которое соответствует минимальным расчетным напряжениям (минимизирована по углу перехода).
Кроме того, располагают три ребра в геометрии постоянно уменьшающего к наклонному проему расстояния между ними, так чтобы рассчитанные напряжения были минимальны.
Выполнение в области преломления нижнего горизонтального пояса и вертикальных колонок рамы увеличенного радиуса в месте стыка, со стороны рессорного проема и дополнительных ребер с отличающейся длиной на нижней поверхности этой зоны, а также с равной длиной в углах буксового проема, позволило перераспределить напряжения, появляющиеся в указанных зонах, и, как результат, уменьшить уровень концентрации напряжений и повысить запас усталостной прочности рамы.
Поставленная задача решается следующим образом. Рассчитываются методом конечных элементов распределение напряжений в стандартной конструкции боковой рамы. На основе анализа результатов в области сопряжения вертикальной колонки с опорной поверхностью рессорного комплекта меняется параметр (например, для радиуса) или вводится новый (для дополнительных ребер) и снова просчитывается. После получения удовлетворительного результата в виде уменьшения напряжений в этой зоне переходят к расчету другого дополнительного или с измененными параметрами элемента конструкции рамы. В результате вносятся соответствующие улучшения в конструкцию. Если возникают трудности в технологии литья, делают шаги по оптимизации конструкции исходя из технологических оснований.
Новые признаки заявленного технического решения не выявлены из уровня техники, а в описанных выше известных устройствах задача повышения надежности конструкции боковой рамы решена хоть похожими средствами, но без обоснований эффективности.
Сущность заявляемого решения поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг.1 - общий вид боковой рамы железнодорожной тележки с разрезом по нижнему поясу по линии А-А и буксовому проему по линии Б-Б
фиг.2 - вид на усиливающие ребра в разрезе и указание радиусной плоскости;
фиг.3 - вид для области сопряжения нижнего пояса с наклонным
Боковая рама состоит из верхнего 1 и нижнего 2 горизонтальных поясов, соединенных между собой вертикальными колонками 3, образующими совместно с горизонтальными поясами 1 и 2 рессорный проем 4. Нижний пояс 2 рамы переходит в ее наклонные пояса 5, нижняя стенка 6 которых сопряжены с горизонтальными опорными участками 7 буксовых проемов 4. Буксовый проем 4 образуется из внутренней 8 и наружной челюстных направляющих 9 с надбуксовой зоной 10. Внутренняя челюстная направляющая 8 сопряжена со средним элементом 6 наклонного пояса 5, имеющим в сечении, как и вертикальные колонки 3, корытообразную форму.
Нижний 2, верхний 1 пояса и надбуксовые зоны 10 имеют в сечении коробчатую форму.
Боковые стенки 11 вертикальных колонок 3 совместно с боковыми стенками 12 наклонных поясов и боковыми стенками 13 верхнего горизонтального пояса 1 образуют две общие вертикальные боковые поверхности 14 рамы, в которых выполнены технологические отверстия 15, имеющие по своему контуру наружную 16 и внутреннюю (не показано) отбуртовки.
Внизу рессорного проема 4 имеется опорная поверхность (верхняя полка) 17 для размещения рессорного комплекта тележки.
1
Нижний угол рессорного проема 4 выполнен в виде радиусного перехода 18 вертикальной колонки 3 рамы в нижний горизонтальный пояс 2. При этом его радиус может быть увеличен до полуторной величины от существующего (например, от 40 мм до 60 мм). Ограничение по верхнему пределу, здесь выбрано исходя из того, что соответствующее изменения напряжений перестает уменьшаться, не смотря на увеличение радиуса и, следовательно, массы металла в этом месте. Соответствующая поверхность с увеличенным радиусом показана как R.
На нижней поверхности под радиусной поверхностью расположены, по меньшей мере, 3 ребра 19, один из которых выполнен короче остальных. Профиль этого места показан как на вставке рисунка, так и для наглядности изображен на фиг.2. При этом ребра проходят по нижней поверхности перемычки 20 установленной между наклонным поясом и вертикальной стенкой, и по внутренней поверхности верхней полкой нижнего пояса. Три ребра жесткости можно расположить и в геометрии постоянно уменьшающего расстояния между ними, так чтобы рассчитанные напряжения были минимальны.
На внутренней поверхности углов буксового проема выполнены, по меньшей мере, два ребра 21 с параметрами, минимизирующими расчетные напряжения в углах проема. Их профиль может, как совпадать с профилем трех дополнительных ребер 19, так и отличаться. Схема поиска уменьшения напряжений в зоне перехода от нижнего пояса к наклонному приведена на фиг.3. Здесь показан некоторый принцип подбора подходящего по напряжениям угла сопряжения нижнего пояса с наклонным поясом. При этом может быть зафиксировано как окончание перехода, условно обозначенное точкой А, так и начало перехода. При этом изменения фиксируются в некотором угле α, определяемого как, угол между боковой стенкой нижнего пояса и поверхностью сопряжения с наклонным поясом. В настоящее время на данную конструкцию боковой рамы железнодорожной тележки разработана конструкторская документация, по которой изготавливаются опытные образцы для всесторонних испытаний.