РАМНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, в частности к конструкции рамы грузового вагона.
Из уровня техники известен вагон, сочлененный для перевозки крупнотоннажных контейнеров (RU 2457968 C2, опубл. 10.08.2012), включающий раму, состоящую из отдельных секций. Каждая секция содержит боковые балки из сварного двутавра, укороченную хребтовую (центральную) балку, выполненную из зетового профиля, установленную ниже верхней поверхности боковых балок, соединенную с ними раскосами из зетового профиля.
Технической проблемой, присущей указанному техническому решению, является недостаточная прочность рамной конструкции, так как данная конструкция не способна при увеличенных массе и скорости подвижного состава выдержать ударную нагрузку, которая может возникать в различных ситуациях.
Техническим результатом полезной модели является повышение прочности рамной конструкции грузового вагона при воздействии на него сверхударных нагрузок в ситуациях, например, при спуске с горок вагонов с нагрузкой 30 тонн на ось, при повышенных скоростях движения или при любой аварийной ситуации.
Указанный технический результат достигается тем, что в рамной конструкции грузового вагона, содержащей продольные боковые балки и расположенные в консольных частях рамной конструкции надтележечные центральные балки, шкворневые балки, поперечные балки и раскосы, согласно настоящей полезной модели, на местах соединения шкворневых балок с продольными боковыми балками и местах соединения раскосов с поперечными балками и продольными боковыми балками установлены усиливающие элементы, при этом надтележечные центральные балки выполнены коробчатого поперечного сечения высотой от 525 до 560 мм и шириной от 335 до 400 мм с толщиной верхней стенки от 8 до 10 мм, нижней стенки от 20 до 24 мм и вертикальных стенок от 10 до 14 мм. Продольные боковые балки могут быть выполнены прямоугольного поперечного сечения высотой от 300 до 320 мм и шириной от 200 до 220 мм с толщиной стенок от 10 до 12 мм. Шкворневые балки могут быть выполнены коробчатого поперечного сечения переменной высоты профиля от 330 до 560 мм и шириной от 150 до 160 мм с толщиной стенок от 12 до 20 мм. Поперечные балки могут быть выполнены прямоугольного поперечного сечения высотой от 200 до 220 мм и шириной от 300 до 320 мм с толщиной стенок от 6 до 8 мм. Раскосы могут быть выполнены прямоугольного поперечного сечения высотой от 160 до 180 мм и шириной от 220 до 240 мм с толщиной стенок от 6 до 8 мм. Усиливающие элементы, установленные на местах соединения раскосов с поперечными балками и продольными боковыми балками, могут быть выполнены в форме гнутых уголков толщиной от 10 до 12 мм и со сквозными вырезами, и могут быть выполнены с уголком. Усиливающие элементы, установленные на местах соединения шкворневых балок с продольными боковыми балками, могут быть выполнены в форме косынок толщиной от 16 до 20 мм с кромками и могут быть выполнены с уголком.
Заявляемая полезная модель отличается от ближайших аналогов тем, что рамная конструкция выполнена с усиленным балочным каркасом за счет выполнения балок каркаса в соответствии с определенными геометрическими параметрами и установленными усиливающими элементами в наиболее ослабленных местах соединения балок каркаса друг с другом. Такое отличие дает основание утверждать о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности полезной модели – «новизна».
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - представлена рамная конструкция (вид сверху),
фиг. 2 - поперечное сечение продольной боковой балки,
фиг. 3 - поперечное сечение надтележечной центральной балки,
фиг. 4 - поперечное сечение шкворневой балки,
фиг. 5 - поперечное сечение поперечной балки,
фиг. 6 - поперечное сечение раскоса,
фиг. 7 - усиливающий элемент, установленный на соединении шкворневой балки с продольной боковой балкой (изометрический вид),
фиг. 8 - усиливающий элемент, установленный на соединении шкворневой балки с продольной балкой (вид сбоку),
фиг. 9 - усиливающий элемент, установленный на соединении раскоса с продольной и поперечной балками (изометрический вид),
фиг. 10 - усиливающий элемент, установленный на соединении раскоса с продольной и поперечной балками (вид сбоку),
фиг. 11 - картина распределения напряжений при выполнении надтележчной центральной балки оптимального поперечного сечения с оптимальным значением толщин стенок,
фиг. 12 - картина распределения напряжений при выполнении надтележчной центральной балки минимально допустимого поперечного сечения с минимальными значениями толщин стенок,
фиг. 13 - картина распределения напряжений при выполнении надтележчной центральной балки минимально допустимого поперечного сечения с толщиной стенок менее указанных минимальных значений,
фиг. 14 - картина распределения напряжений при выполнении надтележчной центральной балки максимально допустимого поперечного сечения с максимальными значениями толщин стенок,
фиг. 15 - картина распределения напряжений при выполнении надтележчной центральной балки максимально допустимого поперечного сечения с толщиной стенок более указанных максимальных значений.
Рамная конструкция, представленная на фиг. 1, выполнена в виде балочного каркаса и содержит продольные боковые балки 1 и расположенные в консольных частях рамной конструкции надтележечные центральные балки 2, шкворневые балки 3, поперечные балки 4, раскосы 5, усиливающие элементы 6, установленные на места соединения шкворневых балок 3 с продольными боковыми балками 1, и усиливающие элементы 7, установленные на места соединения раскосов 5 с поперечными балками 4 и продольными боковыми балками 1. Продольные боковые балки 1 (фиг. 2) выполнены прямоугольного поперечного сечения высотой H1 и шириной W1 с толщиной стенок D1. Надтележечные центральные балки 2 (фиг. 3) выполнены коробчатого поперечного сечения высотой H2 и шириной W2 с толщиной D2.1 верхней стенки 2.1, толщиной D2.2 нижней стенки 2.2 и толщиной D2.3 вертикальных стенок 2.3. Шкворневые балки 3 (фиг.4) выполнены коробчатого поперечного сечения переменной высоты профиля H3 и шириной W3 с толщиной стенок D3. Необходимо учитывать, что надтележечные центральные балки 2 и шкворневые балки 3 могут быть выполнены с горизонтальными полками, выступающими за вертикальные стенки балок. Поперечные балки 4 (фиг. 5) выполнены прямоугольного поперечного сечения высотой H4 и шириной W4 с толщиной стенок D4. Раскосы 5 (фиг. 6) выполнены прямоугольного поперечного сечения высотой H5 и шириной W5 с толщиной стенок D5. Усиливающие элементы 6, установленные на местах соединения шкворневых балок 3 с продольными боковыми балками 1, в представленном на фигурах 7 и 8 примере реализации выполнены в форме косынок толщиной D6 и имеют  кромки 6.2, кроме того усиливающие элементы 6 могут быть выполнены с уголком 6.1. Усиливающие элементы 7, установленные на местах соединения раскосов 5 с поперечными балками 4 и продольными боковыми балками 1, в представленном на фигурах 9 и 10  примере реализации выполнены в форме гнутых уголков толщиной D7 и со сквозными вырезами 7.1, которые могут быть выполнены трапециевидной и/или прямоугольной формы.
Технический результат полезной модели, заключающийся в повышении прочности рамной конструкции грузового вагона при воздействии на него ударных нагрузок, достигается следующим образом.
Выполнение балок каркаса рамной конструкции в указанных диапазонах геометрических параметров позволяет усилить балочный каркас рамной конструкции, что обеспечивает повышение прочности всей конструкции в целом. В случае возникновения сверхударной нагрузки, например, при аварийной ситуации соударения вагонов, нагрузка со стороны соседнего вагона передается от сцепного устройства на надтележечную центральную балку и далее распределяется через шкворневую балку и раскосы на поперечную балку и продольные боковые балки, что позволяет снизить максимальное напряжение на каждой балке и равномерно распределить по всем балкам каркаса рамной конструкции. Усиливающие элементы, установление на местах соединения балок, также обеспечивают повышение прочности рамной конструкции за счет распределения нагрузок, действующих на места соединения балок каркаса и раскосов, которые являются зонами максимальной концентрации напряжений.
Оптимальным сечением надтележечной центральной балки с оптимальными значениями толщин стенок является коробчатое поперечное сечение высотой 540 мм и шириной 370 мм с толщиной верхней стенки 10 мм, нижней стенки 22 мм и вертикальных стенок 12 м, обусловленное равномерным распределением напряжений, возникающих в процессе эксплуатации рамной конструкции (фиг. 11), без образования зон концентрации напряжений, негативно влияющих на прочность рамной конструкции грузового вагона.
При выполнении надтележечных центральных балок минимально допустимого поперечного сечения высотой 525 мм и шириной 335 мм с минимальными значениями толщин верхней стенки 8 мм, нижней стенки 20 мм и вертикальных стенок 10 мм, начинается образование зон концентрации напряжений (на фиг. 12 обозначены красным цветом), что может привести к появлению трещин в стенках балок рамной конструкции и соответственно снижению прочностных характеристик рамной конструкции грузового вагона в целом.
Выполнение надтележечных центральных балок минимально допустимого поперечного сечения высотой 525 мм и шириной 335 мм с толщиной стенок меньше указанных минимальных значений, в частности с толщиной верхней стенки 6 мм, нижней стенки 18 мм и вертикальных стенок 8 мм, приводит к образованию большого количества зон концентрации напряжений и увеличения их площади (на фиг. 13 обозначены красным цветом), например, в местах сварных соединений и изгибов балок, что значительно снижает прочностные характеристики рамной конструкции грузового вагона.
При выполнении надтележечных центральных балок максимально допустимого поперечного сечения высотой 560 мм и шириной 400 мм с максимальными значениями толщин верхней стенки 10 мм, нижней стенки 24 мм и вертикальных стенок 14 мм распределение возникающих напряжений происходит равномерно и заметно снижение максимальных значений нагрузок, действующих на балки рамной конструкции (фиг. 14), что повышает прочность рамной конструкции, однако, масса конструкции становится больше, чем масса при выполнении надтележечных центральных балок оптимального поперечного сечения.
Выполнение надтележечных центральных балок максимально допустимого поперечного сечения высотой 560 мм и шириной 400 мм с толщиной стенок более указанных максимальных значений, в частности с толщиной верхней стенки 12 мм, нижней стенки 24 мм и вертикальных стенок 16 мм наблюдается снижение максимальных значений напряжений, возникающих в процессе эксплуатации (фиг. 15), что говорит о повышении прочности, однако, существенно увеличивается масса рамной конструкции грузового вагона, что снижает грузоподъемность грузового вагона.
Таким образом, заявляемая полезная модель всей своей совокупностью существенных признаков позволяет повысить прочность рамной конструкции грузового вагона при воздействии на него ударных нагрузок в ситуациях, например, при спуске с горок вагонов с нагрузкой 30 тонн на ось, при повышенных скоростях движения или при любой аварийной ситуации.